礦用智能型電網防越級保護系統的設計

趙彩霞+劉為國

【摘 要】煤礦供電系統的可靠運行是煤礦安全生產的保障，但是，煤礦特殊的供電環境，使得越級跳閘問題普遍存在。一旦發生故障，極易引發大面積停電，影響煤礦采煤進度，更為嚴重的是引起瓦斯積聚，威脅礦工的生命安全。針對以上問題，提出了一種基于GOOSE的防越級跳閘保護方案，該方案利用面向通用對象的變電站事件（GOOSE）傳送閉鎖信號，使得礦井供電系統上下級保護測控裝置可靠配合，有效的解決了短路保護的選擇性問題，避免了越級跳閘事故的發生。

【關鍵詞】越級跳閘；IEC61850；GOOSE；煤礦供電

0 引言

隨著煤炭開采范圍的擴大，煤礦供電系統的變電所級數越來越多。而各級變電所之間大多采用垂直短距離供電模式，這種模式使得供電線路短、阻抗小，一旦發生故障，上下級會因短路電流值相差極小，出現多級開關同時檢測到過電流信號、同時跳閘，引發井下大面積停電，嚴重影響礦井的生產和安全。

目前，針對防越級跳閘保護已經提出很多種技術方案。為了保障礦井供電系統的可靠性，本文提出了一種基于GOOSE的防越級跳閘保護方案。

1 基于GOOSE的防越級跳閘保護系統硬件設計

GOOSE是IEC 61850標準中用于滿足變電站自動化系統快速報文需求的機制，為了保證通信的實時性和可靠性，GOOSE 服務以高速P2P（peer-to-peer）通信為基礎，采用無連接傳輸模式，取代了傳統智能電子設備 （IED）間電纜連接的通信模式。

為了提高通訊性能，該系統采用分層分布的結構，包括地面監控層，網絡傳輸層，井下現場設備層。從地面到井下，各級變電所之間采用光纖以太環網組網，應用IEC61850標準的通信協議。在井下設備層，各級保護控制器之間采用GOOSE報文直接通訊，保證了信息傳輸的快速性、實時性和可靠性。

基于GOOSE閉鎖原理的防越級跳閘保護系統的控制器主要包括中央處理單元、交流采樣單元、絕緣監視保護單元、開關量輸入、輸出單元、人機接口單元、通訊單元等。硬件原理框圖如圖1所示。

1.1 中央處理器單元

該系統采用STM32F207芯片，是ST公司最新發布的一款32位ARM微控制器，集成了大量的外設接口。包括A/D轉換模塊、以太網控制器、串口控制器、實時時鐘、定時器等。

1.2 交流采樣單元

該系統的交流采樣單元中傳統電壓/電流互感器將二次側模擬信號傳送給合并單元，進行A/D轉換，進而傳送給保護測控裝置。

1.3 絕緣監視保護單元

該系統的絕緣監視保護單元是基于附加直流檢測電源的方式，來實現絕緣在線監視保護，其原理主要是通過檢測取樣電阻兩端電壓大小判斷是否處于故障狀態。用測量的取樣電阻兩端電壓值與無故障情況下取樣電阻的電壓值比較，如果大于正常值，說明發生短路故障；如果小于正常值，說明發生斷線故障。

1.4 開關量輸入、輸出單元

該系統的開關量輸入單元可用來采集實時的開關量狀態以及手動操作的輸入狀態等。開關量輸出單元通過光電隔離模塊與外電路連接，提高抗干擾能力，輸出開關量經過功率放大后，驅動出口繼電器。

1.5 人機接口單元

該系統的人機接口單元通過串口與中央處理器連接，由LCD、LED和紅外遙控器組成。

1.6 通訊單元

該系統的通訊單元主要利用處理器芯片集成的以太網控制器，來實現GOOSE配置、GOOSE收發。GOOSE收發模塊主要完成多播屏蔽功能設置、接收并解析GOOSE報文、控制并發送GOOSE報文的任務。利用GOOSE保護接收解析部分來監視通訊線路的完整性，如果長時間收不到心跳報文就會立即發出告警信號，有效提高了通訊的可靠性。

2 基于GOOSE的防越級跳閘保護系統軟件設計

該系統實時檢測電流信號的大小，根據檢測的電流值判斷是否發生短路故障。如果經過分析比較檢測到故障電流，則延時T1，延時到后，檢測是否收到下級發送的GOOSE閉鎖信號，如果沒有，說明是區內故障，保護控制器立即指示保護動作，并且向上級發送解除閉鎖的GOOSE報文；如果檢測到下級發送的GOOSE閉鎖信號，則說明是區外故障，再延時T2，檢測是否還有GOOSE閉鎖信號，如果有，保護控制器指示保護動作，并向上級發送解除閉鎖的GOOSE報文；如果沒有，程序結束。如圖2所示，為基于GOOSE的防越級跳閘保護系統軟件流程圖。

3 結語

本文分析了煤礦井下越級跳閘現象發生的原因，比較了當前提出的應對方案，介紹了GOOSE報文傳送信號的特點以及GOOSE技術在繼電保護領域傳輸二進制布爾型數據的優越性，設計出了基于GOOSE的防越級跳閘保護系統。并詳細介紹了系統的組成部分、依據原理、實現方式，可以有效解決傳統三段式電流保護不能滿足煤礦礦井短路保護的選擇性的問題，避免了越級跳閘，減少了安全隱患，一定程度上保障了煤礦的生產任務和礦工的人身安全。

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[責任編輯：楊玉潔]