淺析基于以太網的選擇性短路保護系統

丁雨

摘 要：該文根據我國煤礦高壓電網短路保護的現狀，提出一種基于以太網的選擇性短路保護系統，在井下控制開關原有的智能保護器中增加了通信接口模塊，并實現聯機集中控制，最終實現短路保護的目的。

關鍵詞：煤礦 高壓電網 工業以太網 選擇性 短路保護

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0051-02

隨著我國煤礦自動化程度越來越高，供電系統越來越復雜，在井下這種特殊環境中，維護供電安全及穩定成為工礦企業運轉過程中的重點。根據《煤礦安全規程》規定，井下由采區變電所、移動變電站或配電點引出的饋電線上應裝設短路保護裝置。因此煤礦供電系統的短路保護必須靈敏可靠，并且為了防止發生短路故障時出現越級跳閘，井下短路保護還須具有選擇性。基于以太網的礦井高壓選擇性短路保護系統是針對目前煤礦井下高壓供電系統（6 kV或10 kV）因配電線路長導致的無法實現可靠的短路保護進而發生越級跳閘、單相接地等故障而設計的保護方案，其對礦井供電的可靠性和井下工人的安全有重要意義。

1 短路保護的實現方法

根據煤礦供電系統所需功能以及一般短路保護的缺點，確定了電網實施電流差縱保護系統，此保護不需要上下級之間的配合，不存在動作電流整定值的問題，而且能滿足動作的速斷性和選擇性。

1.1 電流差縱保護

系統要實現選擇性跳閘，如圖1所示，當2點發生故障時，2點所在的干路電流會增大，而支路的電流幾乎為零，2點斷路器應該無延時跳閘。當1點發生故障時，故障電流流過2點，為避免發生越級跳閘現象，采用0.1 s的延時，1點故障排除后系統恢復正常，2點不會跳閘。當母線3點發生故障時，2點斷路器應該無延時跳閘，但也延時0.1 s，是個隱患。所以我們采用電流向量差來區別1點和3點的短路故障，即△I=I0-I1-I2-I3。電流差動保護判據是基于基爾霍夫定律的一種判據，以母線作為結點流入結點的電流和流出結點的電流是相等的。因此當1點故障時△I=0，當3故障時△I≠0而且△I≈I0。

由于下井電纜線路屬于單向供電，所以正常電流和短路電流都是自上而下流動，可以從幅值的角度對縱差保護動作特性進行分析。如圖2所示，|I0|分別為1、2短路點電流幅值，其中k=|I0|/|I0|，下面論述第一象限四個分區的含義：

A表示K>>2，即|I0|很大，|I2|卻很小，說明圖中3點母線上發生短路，此時干路的斷路器應該無延時地斷開。B表示12，這是正常運行狀態。D表示|I0|<|I2|，E區表示|I0|、|I0|都極小，這兩種情況都是不可能出現的，所以視作空白區域。

綜上所述，正常情況下利用根據具體系統參數整定的K值和電流幅值即可實現沒有延時的縱向短路保護選擇性。但是考慮到極端情況下，支路電流在正常運行情況下接近干路電流，那就進入了B區工作狀態，這種情況下需要對保護進行延時0.1 s的處理，使保護不會因為此支路短路而發生越級跳閘現象。

1.2 全電網短路保護系統

系統在實現電流差縱保護的基礎上，應對礦井供電線路全電網進行智能監控。如圖3所示，要實現以太網絡對遠距離供電線路的監控作用，保護系統設置為：保護裝置內利用縱差保護原理對配電處進行短路保護；同時將智能保護器內電網監測數據利用以太網傳送給系統分機再傳送給主機，主機在接受各個分機數據的同時計算機主機內利用軟件確保主機顯示為統一時刻的電網電流。這樣，當保護裝置在一定時間內無動作，經過主機簡單的邏輯判斷，既可實現選擇性短路保護的作用。

2 全電網短路保護系統的硬件實現方法

整個短路保護系統需要監控的支路很多，需要系統對數據處理有較強的能力，且動作時間短，故選用DSP（數字信號處理器）作為分機數據處理的核心。并將數據通過工業以太網絡上傳至控制主機，最終實現全電網短路實時保護。

2.1 分機數據處理器

系統輸入信號是電網中被監測的母線相電流、支路相電流，輸入信號開關內部智能保護器送入DSP芯片CPU中，對其進行數字信號的處理、運算，并對當前狀態進行判斷等操作，通過RS-485接口將數據傳送給遠程顯示面板，通過安裝以太網模塊可以實現與以太網連接，實現人機對話，可方便查找和排除故障。

2.2 工業以太網絡設計

工業以太網是基于國際標準IEEE 802.3的開放式網絡，網絡規模可達1024站，距離可達1.5 km（電氣網絡）或200 km（光纖網絡），其傳輸速率高，占用總線時間極短。

為了將DSP接入以太網，計算機應安裝以太網網卡，DSP應配備以太網模塊CP-243-1或互聯網模塊CP-243-1 IT。可以用以太網向導和因特網向導配置對應的連接模塊。使用以太網時，在編程軟件中應配置TCP/IP，在“通信”對話框中，應為網絡中的每個以太網/互聯網模塊進行指定遠程IP地址。通過工業以太網和SETP 7 Micro/WIN，可以實現分機系統遠程編程，組態和診斷。

3 結語

根據井下供電電網現狀，該文提出了一種基于以太網絡的選擇性短路保護系統，此系統不僅解決了煤礦電網短路危害，增強了電網供電的可靠性與安全性，避免了因電網短路造成礦井大面積停電現象，同時提高了煤礦自動化程度，實現了高壓電站無人值守的目的。是對工礦企業供電保護的新探索，將工業以太網應用于礦井供電系統中是礦井供電監控新的思路，需要實際應用來驗證其可靠性和實用性。

參考文獻

[1] 張凱.基于防爆工業以太網的煤礦安全多元素信息監管系統[J].中州煤炭，2009（2）.

[2] 史麗萍.基于CAN網通信的選擇性短路保護的研究[J].電力系統保護與控制，2011（8）.

[2] 黃紹平.低壓配電系統短路保護選擇性配合[J].電氣開關，1996（2）.

摘 要：該文根據我國煤礦高壓電網短路保護的現狀，提出一種基于以太網的選擇性短路保護系統，在井下控制開關原有的智能保護器中增加了通信接口模塊，并實現聯機集中控制，最終實現短路保護的目的。

關鍵詞：煤礦 高壓電網 工業以太網 選擇性 短路保護

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0051-02

隨著我國煤礦自動化程度越來越高，供電系統越來越復雜，在井下這種特殊環境中，維護供電安全及穩定成為工礦企業運轉過程中的重點。根據《煤礦安全規程》規定，井下由采區變電所、移動變電站或配電點引出的饋電線上應裝設短路保護裝置。因此煤礦供電系統的短路保護必須靈敏可靠，并且為了防止發生短路故障時出現越級跳閘，井下短路保護還須具有選擇性。基于以太網的礦井高壓選擇性短路保護系統是針對目前煤礦井下高壓供電系統（6 kV或10 kV）因配電線路長導致的無法實現可靠的短路保護進而發生越級跳閘、單相接地等故障而設計的保護方案，其對礦井供電的可靠性和井下工人的安全有重要意義。

1 短路保護的實現方法

根據煤礦供電系統所需功能以及一般短路保護的缺點，確定了電網實施電流差縱保護系統，此保護不需要上下級之間的配合，不存在動作電流整定值的問題，而且能滿足動作的速斷性和選擇性。

1.1 電流差縱保護

系統要實現選擇性跳閘，如圖1所示，當2點發生故障時，2點所在的干路電流會增大，而支路的電流幾乎為零，2點斷路器應該無延時跳閘。當1點發生故障時，故障電流流過2點，為避免發生越級跳閘現象，采用0.1 s的延時，1點故障排除后系統恢復正常，2點不會跳閘。當母線3點發生故障時，2點斷路器應該無延時跳閘，但也延時0.1 s，是個隱患。所以我們采用電流向量差來區別1點和3點的短路故障，即△I=I0-I1-I2-I3。電流差動保護判據是基于基爾霍夫定律的一種判據，以母線作為結點流入結點的電流和流出結點的電流是相等的。因此當1點故障時△I=0，當3故障時△I≠0而且△I≈I0。

由于下井電纜線路屬于單向供電，所以正常電流和短路電流都是自上而下流動，可以從幅值的角度對縱差保護動作特性進行分析。如圖2所示，|I0|分別為1、2短路點電流幅值，其中k=|I0|/|I0|，下面論述第一象限四個分區的含義：

A表示K>>2，即|I0|很大，|I2|卻很小，說明圖中3點母線上發生短路，此時干路的斷路器應該無延時地斷開。B表示12，這是正常運行狀態。D表示|I0|<|I2|，E區表示|I0|、|I0|都極小，這兩種情況都是不可能出現的，所以視作空白區域。

綜上所述，正常情況下利用根據具體系統參數整定的K值和電流幅值即可實現沒有延時的縱向短路保護選擇性。但是考慮到極端情況下，支路電流在正常運行情況下接近干路電流，那就進入了B區工作狀態，這種情況下需要對保護進行延時0.1 s的處理，使保護不會因為此支路短路而發生越級跳閘現象。

1.2 全電網短路保護系統

系統在實現電流差縱保護的基礎上，應對礦井供電線路全電網進行智能監控。如圖3所示，要實現以太網絡對遠距離供電線路的監控作用，保護系統設置為：保護裝置內利用縱差保護原理對配電處進行短路保護；同時將智能保護器內電網監測數據利用以太網傳送給系統分機再傳送給主機，主機在接受各個分機數據的同時計算機主機內利用軟件確保主機顯示為統一時刻的電網電流。這樣，當保護裝置在一定時間內無動作，經過主機簡單的邏輯判斷，既可實現選擇性短路保護的作用。

2 全電網短路保護系統的硬件實現方法

整個短路保護系統需要監控的支路很多，需要系統對數據處理有較強的能力，且動作時間短，故選用DSP（數字信號處理器）作為分機數據處理的核心。并將數據通過工業以太網絡上傳至控制主機，最終實現全電網短路實時保護。

2.1 分機數據處理器

系統輸入信號是電網中被監測的母線相電流、支路相電流，輸入信號開關內部智能保護器送入DSP芯片CPU中，對其進行數字信號的處理、運算，并對當前狀態進行判斷等操作，通過RS-485接口將數據傳送給遠程顯示面板，通過安裝以太網模塊可以實現與以太網連接，實現人機對話，可方便查找和排除故障。

2.2 工業以太網絡設計

工業以太網是基于國際標準IEEE 802.3的開放式網絡，網絡規模可達1024站，距離可達1.5 km（電氣網絡）或200 km（光纖網絡），其傳輸速率高，占用總線時間極短。

為了將DSP接入以太網，計算機應安裝以太網網卡，DSP應配備以太網模塊CP-243-1或互聯網模塊CP-243-1 IT。可以用以太網向導和因特網向導配置對應的連接模塊。使用以太網時，在編程軟件中應配置TCP/IP，在“通信”對話框中，應為網絡中的每個以太網/互聯網模塊進行指定遠程IP地址。通過工業以太網和SETP 7 Micro/WIN，可以實現分機系統遠程編程，組態和診斷。

3 結語

根據井下供電電網現狀，該文提出了一種基于以太網絡的選擇性短路保護系統，此系統不僅解決了煤礦電網短路危害，增強了電網供電的可靠性與安全性，避免了因電網短路造成礦井大面積停電現象，同時提高了煤礦自動化程度，實現了高壓電站無人值守的目的。是對工礦企業供電保護的新探索，將工業以太網應用于礦井供電系統中是礦井供電監控新的思路，需要實際應用來驗證其可靠性和實用性。

參考文獻

[1] 張凱.基于防爆工業以太網的煤礦安全多元素信息監管系統[J].中州煤炭，2009（2）.

[2] 史麗萍.基于CAN網通信的選擇性短路保護的研究[J].電力系統保護與控制，2011（8）.

[2] 黃紹平.低壓配電系統短路保護選擇性配合[J].電氣開關，1996（2）.

摘 要：該文根據我國煤礦高壓電網短路保護的現狀，提出一種基于以太網的選擇性短路保護系統，在井下控制開關原有的智能保護器中增加了通信接口模塊，并實現聯機集中控制，最終實現短路保護的目的。

關鍵詞：煤礦 高壓電網 工業以太網 選擇性 短路保護

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0051-02

隨著我國煤礦自動化程度越來越高，供電系統越來越復雜，在井下這種特殊環境中，維護供電安全及穩定成為工礦企業運轉過程中的重點。根據《煤礦安全規程》規定，井下由采區變電所、移動變電站或配電點引出的饋電線上應裝設短路保護裝置。因此煤礦供電系統的短路保護必須靈敏可靠，并且為了防止發生短路故障時出現越級跳閘，井下短路保護還須具有選擇性。基于以太網的礦井高壓選擇性短路保護系統是針對目前煤礦井下高壓供電系統（6 kV或10 kV）因配電線路長導致的無法實現可靠的短路保護進而發生越級跳閘、單相接地等故障而設計的保護方案，其對礦井供電的可靠性和井下工人的安全有重要意義。

1 短路保護的實現方法

根據煤礦供電系統所需功能以及一般短路保護的缺點，確定了電網實施電流差縱保護系統，此保護不需要上下級之間的配合，不存在動作電流整定值的問題，而且能滿足動作的速斷性和選擇性。

1.1 電流差縱保護

系統要實現選擇性跳閘，如圖1所示，當2點發生故障時，2點所在的干路電流會增大，而支路的電流幾乎為零，2點斷路器應該無延時跳閘。當1點發生故障時，故障電流流過2點，為避免發生越級跳閘現象，采用0.1 s的延時，1點故障排除后系統恢復正常，2點不會跳閘。當母線3點發生故障時，2點斷路器應該無延時跳閘，但也延時0.1 s，是個隱患。所以我們采用電流向量差來區別1點和3點的短路故障，即△I=I0-I1-I2-I3。電流差動保護判據是基于基爾霍夫定律的一種判據，以母線作為結點流入結點的電流和流出結點的電流是相等的。因此當1點故障時△I=0，當3故障時△I≠0而且△I≈I0。

由于下井電纜線路屬于單向供電，所以正常電流和短路電流都是自上而下流動，可以從幅值的角度對縱差保護動作特性進行分析。如圖2所示，|I0|分別為1、2短路點電流幅值，其中k=|I0|/|I0|，下面論述第一象限四個分區的含義：

A表示K>>2，即|I0|很大，|I2|卻很小，說明圖中3點母線上發生短路，此時干路的斷路器應該無延時地斷開。B表示12，這是正常運行狀態。D表示|I0|<|I2|，E區表示|I0|、|I0|都極小，這兩種情況都是不可能出現的，所以視作空白區域。

綜上所述，正常情況下利用根據具體系統參數整定的K值和電流幅值即可實現沒有延時的縱向短路保護選擇性。但是考慮到極端情況下，支路電流在正常運行情況下接近干路電流，那就進入了B區工作狀態，這種情況下需要對保護進行延時0.1 s的處理，使保護不會因為此支路短路而發生越級跳閘現象。

1.2 全電網短路保護系統

系統在實現電流差縱保護的基礎上，應對礦井供電線路全電網進行智能監控。如圖3所示，要實現以太網絡對遠距離供電線路的監控作用，保護系統設置為：保護裝置內利用縱差保護原理對配電處進行短路保護；同時將智能保護器內電網監測數據利用以太網傳送給系統分機再傳送給主機，主機在接受各個分機數據的同時計算機主機內利用軟件確保主機顯示為統一時刻的電網電流。這樣，當保護裝置在一定時間內無動作，經過主機簡單的邏輯判斷，既可實現選擇性短路保護的作用。

2 全電網短路保護系統的硬件實現方法

整個短路保護系統需要監控的支路很多，需要系統對數據處理有較強的能力，且動作時間短，故選用DSP（數字信號處理器）作為分機數據處理的核心。并將數據通過工業以太網絡上傳至控制主機，最終實現全電網短路實時保護。

2.1 分機數據處理器

系統輸入信號是電網中被監測的母線相電流、支路相電流，輸入信號開關內部智能保護器送入DSP芯片CPU中，對其進行數字信號的處理、運算，并對當前狀態進行判斷等操作，通過RS-485接口將數據傳送給遠程顯示面板，通過安裝以太網模塊可以實現與以太網連接，實現人機對話，可方便查找和排除故障。

2.2 工業以太網絡設計

工業以太網是基于國際標準IEEE 802.3的開放式網絡，網絡規模可達1024站，距離可達1.5 km（電氣網絡）或200 km（光纖網絡），其傳輸速率高，占用總線時間極短。

為了將DSP接入以太網，計算機應安裝以太網網卡，DSP應配備以太網模塊CP-243-1或互聯網模塊CP-243-1 IT。可以用以太網向導和因特網向導配置對應的連接模塊。使用以太網時，在編程軟件中應配置TCP/IP，在“通信”對話框中，應為網絡中的每個以太網/互聯網模塊進行指定遠程IP地址。通過工業以太網和SETP 7 Micro/WIN，可以實現分機系統遠程編程，組態和診斷。

3 結語

根據井下供電電網現狀，該文提出了一種基于以太網絡的選擇性短路保護系統，此系統不僅解決了煤礦電網短路危害，增強了電網供電的可靠性與安全性，避免了因電網短路造成礦井大面積停電現象，同時提高了煤礦自動化程度，實現了高壓電站無人值守的目的。是對工礦企業供電保護的新探索，將工業以太網應用于礦井供電系統中是礦井供電監控新的思路，需要實際應用來驗證其可靠性和實用性。

參考文獻

[1] 張凱.基于防爆工業以太網的煤礦安全多元素信息監管系統[J].中州煤炭，2009（2）.

[2] 史麗萍.基于CAN網通信的選擇性短路保護的研究[J].電力系統保護與控制，2011（8）.

[2] 黃紹平.低壓配電系統短路保護選擇性配合[J].電氣開關，1996（2）.