基于數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)的漏電選線方法

黃曼青 于成功 李 峰

南京磐能電力科技股份有限公司

為了提高礦井電網(wǎng)單相接地漏電選線的準確性，基于數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)，本文探討了基于信息融合技術(shù)的綜合選線方法，研究了綜合選線法在數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)的實現(xiàn)問題，結(jié)果表明：基于數(shù)字化防越級跳閘系統(tǒng)的利用信息融合技術(shù)的綜合選線法有效提高了漏電選線的準確性。

漏電是煤礦井下電網(wǎng)的主要故障形式之一，約占其總故障的70%左右，漏電保護是煤礦井下供電保護中的重點。設置選擇完善的選擇性漏電保護，采取切實可行、實施有效的漏電保護措施，可以縮短漏電的停電范圍、減少電網(wǎng)觸電以及造成的危害，大大提高井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

漏電是煤礦井下電網(wǎng)的主要故障形式之一，約占其總故障的70%左右，漏電保護是煤礦井下供電保護中的重點。設置選擇完善的選擇性漏電保護，采取切實可行、實施有效的漏電保護措施，可以縮短漏電的停電范圍、減少電網(wǎng)觸電以及造成的危害，大大提高井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

理論和實踐表明，沒有一種漏電選線方法能保證對所有的故障類型都有效，每種漏電選線方法都有其各自的使用范圍和局限性。當一個故障特征具備該漏電選線方法的適用條件時，該選線方法一定可做出正確的判斷；當適用條件不滿足時，該選線方法的結(jié)果可能正確或不正確。因此僅依靠一種選線方法不能充分的做出正確的判斷。在這樣現(xiàn)實狀況下，利用信息融合技術(shù)綜合利用現(xiàn)有各種原理，充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢，相互補充的選線方法成為選線裝置的發(fā)展趨勢。在地面6kV～66kV 中低壓配電系統(tǒng)中，當發(fā)生小電流接地故障時，利用信息融合技術(shù)的綜合選線法已較為成熟的運用。而在礦井供電系統(tǒng)中，井下中央變電所供電系統(tǒng)為同電壓等級多級層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當發(fā)生漏電故障時，整個電網(wǎng)都會有故障特征，這與地面中低壓配電系統(tǒng)同電壓等級單層級結(jié)構(gòu)有所不同，則利用信息融合技術(shù)的綜合選線法的運用也會有所不同，目前，有關礦井電網(wǎng)綜合選線法的研究與應用尚處于起步階段。

基于以上背景，南京磐能電力科技股份有限公司在深入研究基于信息融合技術(shù)的綜合選線法的基礎上，應用當代計算機測控技術(shù)的新理念和新方法，開發(fā)了一種基于DMP5000 煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護系統(tǒng)平臺的可通信的、具有智能快速選擇性的漏電保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速的漏電保護，確保了礦井的安全經(jīng)濟運行和礦井工作人員的安全。

1 基于信息融合技術(shù)的綜合選線方法介紹

現(xiàn)有選擇性漏電保護系統(tǒng)按照選線時利用信號方式的不同可分為被動式選線和主動式選線。被動式選線主要利用漏電接地故障時產(chǎn)生的電壓、電流信號信息進行選線。其中基于故障穩(wěn)態(tài)信息的選線方法有：零序電流群體比幅比相法、零序有功電流分量法、五次諧波法、零序?qū)Ъ{法等；基于故障暫態(tài)信息的選線方法有：首半波法、基于小波變換的暫態(tài)零序電流比較法等；同時利用故障穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信息的選線方法有能量法等。主動式選線方法需向電網(wǎng)附加注入信號，目前常用的主動式選線方法主要包括信號注入法、殘流增量法和消弧線圈并聯(lián)中值電阻法等幾種。由于硬件條件和理論研究的限制，基于暫態(tài)理論的選線方法基本都處于理論研究和軟件仿真階段，實際應用中多為基于故障穩(wěn)穩(wěn)態(tài)量的選線方法。

信息融合技術(shù)是對多源信息的獲取、傳輸與處理的基本方法，是關于如何協(xié)同利用多源信息，以獲得對同一事物或目標更客觀、更本質(zhì)的綜合信息處理技術(shù)。在信息處理過程中信息融合技術(shù)的基本功能包括：相關、估計和識別。融合信息有三種基本融合類型，即數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。常用的人工智能信息融合理論有：粗糙集理論、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、證據(jù)理論等。在信息融合中最主要的前提條件是確定各選線方法的適用范圍（即有效域），其中模糊集理論、證據(jù)理論等理論在選線方法的融合中使用的各種選線方法的有效域只是簡單利用專家經(jīng)驗給定的，缺乏嚴密的分析推導過程。而粗糙集理論則能夠離散化處理故障樣本集中的電壓電流信信號，挖掘數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)知識，采用決策表，確定各選線方法的有效性，最終決策出發(fā)生故障的線路。

綜合選線法的指導思想為：1）建立復合判據(jù)以全面反映故障特征。復合判據(jù)選取實際中應用較多較為成熟且適用于各種接地系統(tǒng)的數(shù)種選線判據(jù)，包括利用穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信息等；2）當?shù)V井電網(wǎng)發(fā)生單相漏電故障以后，采取原始故障信息，根據(jù)選線判據(jù)所選取的選線原理從原始故障數(shù)據(jù)中提取相應的故障特征量；3）根據(jù)故障特征量綜合分析，給出綜合判據(jù)。整個過程不需要先驗知識和工作人員的干預，只需采集到原始故障數(shù)據(jù)就可給出選線結(jié)果。

為了能夠全面反映漏電故障特征，基于上述綜合選線法的指導思想，基于DMP5000 數(shù)字式變電站系統(tǒng)平臺的漏電保護系統(tǒng)保護方案選取零序穩(wěn)態(tài)基波比幅比相法、零序五次諧波法、零序有功電流分量法、零序?qū)Ъ{法和能量法，運用粗糙集理論融合各選線方法決策構(gòu)成綜合判據(jù)。

為了全面反映故障特征，基于上述指導思想，基于DMP5000 數(shù)字式變電站系統(tǒng)平臺的漏電保護系統(tǒng)保護方案選取零序穩(wěn)態(tài)基波比幅比相法、零序五次諧波法、零序有功電流分量法、零序?qū)Ъ{法和能量法，運用粗糙集理論融合各選線方法決策構(gòu)成綜合判據(jù)。

2 DMP5000 煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護系統(tǒng)平臺的介紹

DMP5000 煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護系統(tǒng)采用分層采集、集中控制的架構(gòu)體系，實現(xiàn)煤礦井下供電系統(tǒng)中各供電設備間信息互享和互操作，網(wǎng)絡架構(gòu)由過程層、間隔層和站控層3 個層次構(gòu)成，如圖1 所示。過程層與間隔層之間采用高速光纖通訊，站控層采用百兆/千兆自適應的工業(yè)光纖以太網(wǎng)接入，通過高速光纖通訊網(wǎng)絡，能將精確到納秒級同步采樣的井下各開關的電壓電流開關量等數(shù)據(jù)實時上送至保護主機，即所有電壓、電流的采集和一次設備的操作就地實現(xiàn)，數(shù)據(jù)在礦用隔爆型光傳輸接口匯總并在網(wǎng)絡上實時發(fā)布，全系統(tǒng)保護信息共享，因此解決了井下出線多，線路復雜，保護不能整體配合的問題。系統(tǒng)配置一個全局同步裝置——GPS 時鐘服務器，由數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)同步控制，同時采用獨創(chuàng)的鏈路補償技術(shù)，保證數(shù)據(jù)同步傳輸不受傳輸距離的影響，所以所有礦用智能保護器采集到的運行數(shù)據(jù)采樣時刻完全一致。系統(tǒng)采樣速率為12800 點/秒，滿足了保護、控制和測量儀表對數(shù)據(jù)采樣速率要求。

3 綜合選線法的實現(xiàn)

由上文介紹可以發(fā)現(xiàn)，基于粗糙集理論的綜合選線法是最為有效，且適用于中性點不接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)預調(diào)式（或隨調(diào)式）消弧線圈接地系統(tǒng)，綜合選線的步驟為：

1）采集原始故障數(shù)據(jù)。當發(fā)生漏電故障后，由過程層設備礦用智能保護器實時采集每條出線的零序電流和零序電壓，由于系統(tǒng)配置全局GPS 同步時鐘服務器，故能保證礦用智能保護器采集到的運行數(shù)據(jù)采樣時刻完全一致，能準確地還原發(fā)生漏電故障以后的故障特征。

2）提取故障特征量。礦用智能保護器采集實時故障特征以后經(jīng)過高速光纖傳輸?shù)介g隔層保護主機，在保護主機中根據(jù)選線判據(jù)從采集到的原始信號中提取基波分量、五次諧波分量、有功分量、導納分量和能量分量。

3）計算故障測度。根據(jù)每個判據(jù)的特征量定量，判斷故障選線的可靠性，即是計算故障測度，再通過融合決策模塊，決策出故障線路。在間隔層保護主機中根據(jù)原始信號中提取基波分量、五次諧波分量、有功分量、導納分量和能量分量計算各選線方法的故障測度。

4）利用粗糙集理論將故障特征的故障測度融合，實現(xiàn)故障選線。將故障測度通過工業(yè)以太網(wǎng)上送到站控層的保護主機，由保護主機根據(jù)粗糙集理論的融合選線算法實現(xiàn)故障選線。

基于粗糙集理論的融合選下系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

站控層的保護主機根據(jù)粗糙集理論的融合選線算法實現(xiàn)故障選線，其中基于粗糙集理論的融合選線算法步驟為：

1）將故障測度作為原始數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)劃分為訓練樣本和測試樣本。

2）將每種故障特征的故障測度轉(zhuǎn)化成故障選線信息系統(tǒng)的屬性。

3）構(gòu)建決策表。決策表由條件屬性和決策屬性根據(jù)故障特征數(shù)據(jù)分布的特點按照等頻率劃分的方法離散化構(gòu)建的。

圖2 融合選線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 基于粗糙集的融合選線過程框圖

4）根據(jù)相容性原理對決策表檢查，刪除不相容和重復的部分。

5）根據(jù)決策表，進行簡化，構(gòu)造選線決策規(guī)則。并可利用工業(yè)運行數(shù)據(jù)，驗證決策模型的正確性。

基于粗糙集理論的融合選線算法過程如圖3 所示。

由于全站數(shù)據(jù)共享，保護、監(jiān)控、計量一體化，滿足基于粗糙集理論的融合選線算法對系統(tǒng)硬件和軟件的要求，解決了目前單一選擇性選線方法都有一定的適用范圍及局限性的缺點，真正實現(xiàn)了礦井供電系統(tǒng)快速的漏電選擇性保護，確保了礦井的安全經(jīng)濟運行和礦井工作人員的安全。基于DMP5000 煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護系統(tǒng)的漏電保護系統(tǒng)裝置的小批量產(chǎn)品曾在多家礦井投入工業(yè)試驗與應用，得到用戶的廣泛認可與好評。

4 結(jié)語

結(jié)合DMP5000 煤礦井下供電數(shù)字化防越級跳閘保護系統(tǒng)的特點，針對目前單一選擇性選線方法都有一定的適用范圍及局限性的問題，南京磐能電力科技股份有限公司開發(fā)了一套基于該保護系統(tǒng)平臺的可通信的、具有智能快速選擇性的漏電保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)保護原理簡單、自適應性強，不僅可以用于中性點不接地系統(tǒng)、同時也可以用于中性點經(jīng)預調(diào)式（或隨調(diào)式）消弧線圈接地系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了快速的漏電選擇性保護，確保了礦井的安全經(jīng)濟運行和礦井工作人員的安全。