基于網(wǎng)絡(luò)分析的煤礦井下供電防越級(jí)跳閘系統(tǒng)研究

【摘""要】越級(jí)跳閘會(huì)對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重后果。本文從全局角度出發(fā)，建立以光纖為通信介質(zhì)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，系統(tǒng)包括主站監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控分站兩級(jí)組網(wǎng)，同時(shí)提出了采用遞歸搜索網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位隔離。案例分析結(jié)果表明，該防越級(jí)跳閘系統(tǒng)能夠保證對(duì)供電系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，提出的遞歸算法相比于其他方法更加快速和有效。

【關(guān)鍵詞】煤礦井下""越級(jí)跳閘""網(wǎng)絡(luò)分析""供電系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】TD611""""""【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A"""""""""【文章編號(hào)】1674-4810（2015）31-0106-03

煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行狀態(tài)直接影響著煤礦的生產(chǎn)和安全。煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，工作環(huán)境惡劣，容易發(fā)生短路事故。由于井下高壓供電系統(tǒng)線路短、多級(jí)變電所級(jí)聯(lián)，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)常規(guī)繼電保護(hù)裝置不能通過(guò)整定值和時(shí)間級(jí)差的方式有選擇地跳開(kāi)故障點(diǎn)開(kāi)關(guān)，出現(xiàn)越級(jí)跳閘問(wèn)題，威脅礦井安全。因此，解決煤礦井下供電系統(tǒng)短路引起的越級(jí)跳閘問(wèn)題，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)礦井供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘問(wèn)題進(jìn)行了廣泛深入的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面。（1）基于電力監(jiān)控系統(tǒng)的方案。這種系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、通信分站和綜合保護(hù)裝置組成。監(jiān)控主機(jī)對(duì)供電系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)故障信息采集，利用通信系統(tǒng)匯集，并進(jìn)行邏輯比較和綜合判斷。這種方案通信系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為監(jiān)控中心和通信分站之間采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)，第二級(jí)為通信分站與各綜合保護(hù)裝置采用RS485總線網(wǎng)絡(luò)。基于電力監(jiān)控系統(tǒng)的方案從短路發(fā)生到控制斷路器跳閘所需時(shí)間較長(zhǎng)。（2）基于CAN總線方案。該防越級(jí)跳閘方案的基礎(chǔ)是構(gòu)建一個(gè)專用CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)綜合保護(hù)裝置通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接，通過(guò)各個(gè)綜合保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)交換快速判斷故障位置，確定需要啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的裝置所在的位置?；贑AN總線方案需跟隨供電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式變化相應(yīng)地判斷規(guī)則，控制較為復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)用中存在很多問(wèn)題，甚至?xí)黾釉郊?jí)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。（3）基于獨(dú)立監(jiān)控分站的方案。該方案中每段線路的綜合保護(hù)裝置采用電氣信號(hào)與獨(dú)立監(jiān)控分站并聯(lián)聯(lián)絡(luò)，各綜合保護(hù)裝置檢測(cè)短路故障，并將故障信號(hào)匯總到獨(dú)立監(jiān)控分站，監(jiān)控分站根據(jù)接收的電平信號(hào)數(shù)量的多少和相應(yīng)的事先約定的編號(hào)進(jìn)行邏輯分析判斷，可確定應(yīng)該由哪級(jí)跳閘，然后向該級(jí)發(fā)出跳閘指令。該方案存在抗干擾能力差，對(duì)監(jiān)控分站的依賴性強(qiáng)，系統(tǒng)整體可靠性不高的缺點(diǎn)。（4）基于分布式分站方案。該方案與基于獨(dú)立監(jiān)控分站的方案通信方式相同，只是增加了各級(jí)獨(dú)立分站的部署，此方案各級(jí)獨(dú)立分站相互獨(dú)立，其中某一分站發(fā)生故障不會(huì)使整個(gè)越級(jí)跳閘系統(tǒng)癱瘓，具有相對(duì)高的可靠性，但同樣存在各級(jí)分站間連線復(fù)雜，傳輸信號(hào)抗干擾能力差、遠(yuǎn)距離傳輸衰減嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

上述方法主要側(cè)重于井下防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的整體框架構(gòu)建，而對(duì)于短路故障點(diǎn)的快速搜索定位和隔離的方法涉及較少。本文研究的內(nèi)容是建立以光纖為通信介質(zhì)的井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊涂焖龠f歸算法，迅速定位短路故障點(diǎn)并加以隔離，有效防止越級(jí)跳閘事故的發(fā)生。

一"煤礦井下防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.防越級(jí)跳閘系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下高壓供電線路的實(shí)際情況和防越級(jí)跳閘的要求，建立以光纖為介質(zhì)的高速通信網(wǎng)絡(luò)，為井下高壓供電系統(tǒng)的每臺(tái)高爆開(kāi)關(guān)提供可靠、全時(shí)、動(dòng)態(tài)、高速的信息通道，形成全局防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)，提高高壓供電線路的可靠性和保障故障隔離動(dòng)作時(shí)間的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)功能全面性。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)保護(hù)的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)即“四遙”和防誤操作功能，為采區(qū)變電所的“無(wú)人值守”創(chuàng)造了條件。（2）系統(tǒng)組網(wǎng)安全性。系統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)、礦用隔爆型光傳輸接口和保護(hù)主機(jī)均采用備份配置，一套系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響另一套系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。（3）系統(tǒng)先進(jìn)性。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零時(shí)限速斷保護(hù)，徹底解決煤礦井下短路故障越級(jí)跳閘問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多備份

煤礦井下保護(hù)，井下電度計(jì)量由地面裝置集中實(shí)現(xiàn)，將光纖通信和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)引入井下保護(hù)的系統(tǒng)。

2.監(jiān)控分站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力監(jiān)控分站作為監(jiān)控中心和綜合保護(hù)裝置的連接系統(tǒng)，起到將綜合保護(hù)裝置的測(cè)量信息（遙測(cè)、遙信的數(shù)據(jù)）上傳至監(jiān)控中心，同時(shí)將監(jiān)控中心的指令（遙控、遙調(diào)）發(fā)送給相應(yīng)的綜合保護(hù)裝置的作用。監(jiān)控分站具有如下功能：（1）每個(gè)監(jiān)控分站至少能掛接32個(gè)綜合保護(hù)裝置，通過(guò)光纖與它們通信;（2）接收所掛接的綜合保護(hù)裝置的采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將結(jié)果上傳到監(jiān)控中心，同時(shí)就地通過(guò)液晶屏顯示;（3）接收監(jiān)控主機(jī)的控制指令（遙控指令），同時(shí)將指令傳送給相應(yīng)的綜合保護(hù)裝置執(zhí)行，并把執(zhí)行結(jié)果傳回分站;（4）能在線顯示出現(xiàn)故障的電力設(shè)備的位置及原因，并報(bào)警;（5）系統(tǒng)具有多種通信接口，能適應(yīng)各種通信方式;（6）采用全中文液晶顯示，能清楚地實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)的電流、電壓、零序電流、零序電壓、絕緣電阻、故障原因等;（7）具有超強(qiáng)的通信功能，在出現(xiàn)通信故障時(shí)，無(wú)須人工干預(yù)，系統(tǒng)能在極短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)，重新啟動(dòng)恢復(fù)通信。

二"網(wǎng)絡(luò)分析方法研究

由于煤礦井下級(jí)聯(lián)變電所和T接線路多，造成供電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，因此采用的電網(wǎng)絡(luò)分析方法不但要有準(zhǔn)確性而且要滿足故障隔離實(shí)時(shí)性的要求。網(wǎng)絡(luò)等值法和最小路法都需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值，而大多數(shù)的等值過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，尤其是對(duì)于較為復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)而言，等值過(guò)程更為繁雜。遞歸算法是一種直接或者間接地調(diào)用自身的算法。在計(jì)算機(jī)編程中，它往往使算法的描述簡(jiǎn)潔且易于理解，編程工作量也大大減少，同時(shí)其運(yùn)行快速的特點(diǎn)也滿足了短路故障隔離的實(shí)時(shí)性要求。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）無(wú)須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)等值，原理簡(jiǎn)單清晰，計(jì)算精度高，易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn);（2）當(dāng)需要分析某負(fù)荷點(diǎn)附近的故障情況時(shí)，無(wú)須分析所有元件運(yùn)行情況，可以有針對(duì)性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，大大減少計(jì)算量;（3）在分析過(guò)程中無(wú)須形成網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣或特殊的鏈表關(guān)系，直接采用最基本的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表和支路數(shù)據(jù)表對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)接口方便;（4）網(wǎng)絡(luò)分析采用遞歸算法，可大大減少編程工作量，提高程序執(zhí)行效率，達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

遞歸算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示，其中A為供電節(jié)點(diǎn)，B、C、D為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，D為所求負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，以D節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，搜索到支路1，節(jié)點(diǎn)表加1，然后以另一節(jié)點(diǎn)B遞歸搜索，搜索到支路0，節(jié)點(diǎn)表再加1，再以另一節(jié)點(diǎn)C遞歸搜索，無(wú)支路，返回上級(jí)遞歸，繼續(xù)以B節(jié)點(diǎn)搜索，搜索到支路2，另一節(jié)點(diǎn)A為供電節(jié)點(diǎn)，則搜索完成標(biāo)示設(shè)為真，遞歸返回。

三"算例驗(yàn)證

設(shè)系統(tǒng)供電模式為單電源輻射式供電系統(tǒng)，母線為二分段接線，如圖4所示。其中配電變壓器高壓等級(jí)為10kV，低壓等級(jí)為0.4kV，每條母線帶有4組負(fù)荷，同時(shí)安裝有圖1所示的全局防越級(jí)跳閘系統(tǒng)作為通信和監(jiān)控系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

在計(jì)算過(guò)程中假設(shè)負(fù)荷點(diǎn)L4、L6和L7處發(fā)生了短路故障，采用本文提出的分析方法均能快速對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位并斷開(kāi)負(fù)荷所屬高壓側(cè)斷路器，沒(méi)有因?yàn)槎搪范l(fā)生越級(jí)跳閘的情況，保證了非故障點(diǎn)的正常工作，說(shuō)明了該網(wǎng)絡(luò)分析方法的有效性。

在使用相同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)情況下對(duì)上述案例進(jìn)行計(jì)算分析，采用本方法比網(wǎng)絡(luò)等值法的計(jì)算速度大約快5%，比最小路法快3%，因?yàn)楸舅憷W(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所以差別并不是很大，如果采用實(shí)際煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)，本方法的計(jì)算速度優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。

四"結(jié)論

煤礦井下防越級(jí)跳閘對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用，通過(guò)本文的研究可以得到如下結(jié)論：（1）建立的采用光纖通信的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)能夠保障數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，使得主站監(jiān)控系統(tǒng)能夠迅速判斷隔離故障點(diǎn);（2）監(jiān)控分站作為連接主站監(jiān)控中心和綜合保護(hù)裝置的中間環(huán)節(jié)，起到重要的橋梁作用;（3）快速全局分析的遞歸算法為準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)、防止越級(jí)跳閘提供了技術(shù)支持。

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕、汪二款〕