基于煤礦智能變電站防越級故障區段識別矩陣算法研究

邢建平，楊 光，孫瑞玲，宋云海，張文波

（國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

基于煤礦智能變電站防越級故障區段識別矩陣算法研究

邢建平，楊 光，孫瑞玲，宋云海，張文波

（國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

隨著智能變電站在煤炭系統中的試驗推廣，其所具有的網絡化數據共享特征，給解決越級跳閘問題提供了新方法。在確定煤礦智能變電站結構、系統對時、GOOSE通信技術原理及防越級跳閘流程的基礎上，重點研究用于故障線路識別的故障區段識別矩陣算法，實現了故障區段的定位與隔離，對提高煤礦供電系統的穩定性有重要意義。

煤礦電網；防越級；智能變電站；矩陣算法

Abstract:With the promotion of intelligent substation test in coal mine system，the characteristic of network data sharing provides a new approach to solve the over-grade trip problem.Based on the understanding of the structure of intelligent substation，the synchronization technology，GOOSE communication technology and the process of implementation anti-grade tripping，this paper focuses on fault segment identification matrix algorithm for fault line identification，aiming at realizing the identification and isolation of fault segment.This matrix algorithm could determine the fault segment effectively，so as to improve the stability of coal mine power system.

Key words:coalmine grid；anti-grade；intelligent substation；matrix algorithm

0 引言

我國煤礦井下電網成輻射狀結構，由大量6 kV或10 kV電壓等級長度較短的電纜多級串聯供電。實際運行中，由于井下負荷多集中在綜采工作面上，而綜采工作面條件存在不夠完善、環境惡劣、電纜保護不當容易受損等情況，易出現越級跳閘問題，供電線路整定方法不合理、系統運行方式差異大、保護裝置選擇不當等原因均會造成越級跳閘。傳統變電站所用的傳統設備往往只能采集本間隔內的數據，且無法實現整站設備的數據互通。隨著智能變電站在煤炭系統中的試驗推廣，其所具有的網絡化數據共享特征，給解決越級問題提供了新思路［1］。

1 煤礦智能變電站系統架構

智能變電站與數字變電站類似，一般分為三層兩網，如圖1所示。通過以太網通信，各層設備能夠訪問彼此的數據，并進行互操作。該系統滿足智能變電站的技術要求，站控層采用以太網通信，提供了MMS、GOOSE通信網絡接口，在集控中心，不僅能接入防越級主機，還可接入各種廠家的智能設備，只要其支持MMS、GOOSE通信網絡、滿足IEC61850標準即可［2-5］。

2 煤礦智能變電站關鍵技術

系統同步技術。煤礦電網自動化系統采用GPS時鐘設備作為主時鐘，其他設備根據主時鐘信號進行自身時鐘校正。對時方式采用網絡對時（SNTP／NTP或1588）與秒脈沖對時（IRIG-B碼）均可。通過光纖以太網路共享的各個開關礦用智能保護裝置上傳的采樣值有相同的采樣時刻，處理數據會更加方便。

GOOSE技術。本文描述的基于煤礦智能變電站區域集控的防越級跳閘系統主要采用GOOSE進行開關量、閉鎖命令、允許命令的傳遞。通過GOOSE通信，智能變電站的設備能夠大范圍地進行數據交換，而且能夠靈活配置。GOOSE主要用于傳輸開關的狀態信息、跳閘命令等開關量。

GOOSE報文發送機制如圖2所示，正常情況下，變電站設備每隔T0（一般為5 000 ms）發送一次GOOSE報文。當有開關狀態發生故障時，GOOSE報文中的數據會發生變化，立刻減小間隔時間到T1（一般為2 ms）時間發送第二、三幀報文，然后間隔T2（4 ms）發送第四幀，間隔 T3（8 ms）發送第五幀，后續報文發送間隔依次累加，直到GOOSE報文恢復T0（一般為5 000 ms）的時間間隔。為了保證數據傳輸的快速可靠性，GOOSE報文采用快速重發機制：當用GOOSE報文傳輸的數據集發生變化后，發送端裝置會自動縮短報文發送間隔 （從5 000 ms時間間隔降低到2 ms時間間隔），快速重發GOOSE報文。

圖2 GOOSE報文發送時間間隔

3 防越級跳閘的實現

當井下線路某處出現短路故障時，本級及以上線路的開關保護裝置均采集到大電流值，判斷出短路故障，立即通過GOOSE以太網絡向集控中心防越級主機發送故障信息，并都設置t1（一般設為100 ms）長的延時時間等待防越級主機發送立即跳閘允許信號，否則t1時間后立即發跳閘命令使開關跳閘。集控中心的防越級主機接收到各開關保護裝置上傳的故障信息，通過運算防越級故障區段識別矩陣算法，判斷出發生短路故障的線路，并通過GOOSE網絡向其開關保護裝置發送立即跳閘允許信號，使開關立即跳閘，切除故障；向其他檢測到故障的開關保護裝置發送立即跳閘禁止信號，防止越級跳閘。井下與地面各級線路開關的保護裝置能夠自主完成線路故障的判斷，并接收防越級主機下發的立即跳閘允許信號或禁止信號，判斷是否立即跳閘［6］。保護裝置的動作邏輯如圖3所示。

圖3 保護裝置的動作邏輯

當有線路發生短路故障時，防越級Ⅰ段投入，開關的保護裝置檢測到電流值大于Ⅰ段的整定值時：若t1（100 ms）延時時間內收到防越級主機下發的立即跳閘允許指令沒有收到立即跳閘禁止指令，說明故障發生在本級線路，立即使開關跳閘，切除故障；若在t1時間內沒有收到防越級主機下發的立即跳閘允許指令而收到立即跳閘禁止指令，說明故障沒有發生在本級線路，此時不發出跳閘命令，防止越級跳閘的發生；若在t1時間內沒有收到防越級主機下發的立即跳閘允許指令也沒有收到立即跳閘禁止指令，說明與防越級主機通信中斷，經過t1（100 ms）時間后，發出跳閘命令，跳開開關；若在t1時間內即收到防越級主機下發的立即跳閘允許指令，又收到立即跳閘禁止指令，說明防越級主機通信有誤，此時分兩種情況分析：1）若是發生故障的上級或上幾級線路開關的保護裝置通信有誤，而發生故障的線路開關保護裝置通信正常，則發生故障的線路開關保護裝置能立即切除故障，亦防止了其他開關越級跳閘；2）若發生故障的線路開關保護裝置通信有誤，而發生故障的上級或上幾級線路開關的保護裝置通信正常，則依靠后備保護Ⅱ段，有t2（一般設為200 ms）延時，切除故障。

當有線路發生短路故障，而發生故障的線路開關據動，則依靠上級甚至是上幾級線路開關的保護裝置后備Ⅱ段保護切除故障。

當線路正常工作，沒有故障發生時，若開關保護裝置與防越級主機通信有誤，收到下發的立即跳閘允許指令或立即跳閘禁止指令，此時因為檢測的電流值沒有超出整定值，防越級Ⅰ段和后備Ⅱ段保護均不啟動，因此不會有開關跳閘。可見防越級主機的立即跳閘允許指令和立即跳閘禁止指令只是輔助保護測控裝置完成防越級跳閘功能，不會影響保護裝置對故障的識別判斷。

4 防越級故障區段識別矩陣算法

本文設計的防越級跳閘系統，主要是根據防越級主機運算故障區段識別矩陣算法來判斷出發生故障的區段，進而與開關保護裝置通信，僅使發生故障的線路開關跳閘，防止其他開關越級跳閘。防越級故障區段識別矩陣算法是整個系統的關鍵核心。防越級主機首先根據煤礦智能變電站供電系統實際的網絡結構，根據實際運行狀態生成狀態描述矩陣D；當有故障發生時，通過收集各線路開關的保護裝置上傳的故障信息，生成故障信息矩陣F；矩陣D與F相加得到故障識別矩陣J，通過對矩陣J分析判斷，就能得到發生故障的線路區段［7-8］。

把某煤礦供電網絡抽象成圖4所示的簡化圖，說明防越級主機如何運算故障區段識別矩陣算法，進行故障區段識別。

圖4 某煤礦電網網絡簡化圖

4.1 狀態描述矩陣D

對開關進行編號，若煤礦電網絡中存在N個開關，則構造的狀態描述矩陣D為N行N列。矩陣D的元素dij取值規則

若開關i、j之間直接由供電線路相連，不經過其他開關且正常供電時有電流由開關i流向開關j，即正常供電時若切斷開關i，開關j失掉電源供電，而正常供電時斷開開關j，開關i依然有電源供電，則令矩陣D中元素得到dij為1，而元素dji置為0，其余元素均置0。依據上述規則，圖4煤礦電網的狀態描述矩陣D為

4.2 故障信息矩陣F

當K1、K2處線路均發生短路故障時（復雜情況下），開關QF1～QF5、QF7的保護裝置的防越級I段保護均會啟動，并通過GOOSE網絡把故障信息上傳給集控中心防越級主機，防越級主機據此生成故障信息矩陣D。矩陣D也為N行N列，若收到編號為i的開關保護器上報故障信息，則把元素fii置1，其他元素均置0。圖1所示煤礦電網的故障矩陣F為

4.3 故障識別矩陣J

矩陣D與F相加得到識別矩陣J為

根據故障識別矩陣J，通過式（4）就能識別出發生故障的線路

根據表1對應的故障信號判斷，只要向使式（4）成立的第i個開關的保護裝置下發立即跳閘允許指令，而向其他上報故障信息的開關保護裝置下發立即跳閘禁止指令，即可起到越級跳閘的功能。而基于智能變電站的技術是該算法能夠有效實現的前提。

結合圖4所示線路及故障識別矩陣J及表1判斷依據，可以確定K1、K2處發生短路故障。雖然開關 QF1～QF5、QF7保護裝置均上傳故障信息，但QF1～QF3、QF5均不滿足等式，故認為故障發生在以上開關的下級或是下幾級線路，故向以上開關的保護裝置下發立即跳閘允禁止指令，防止越級跳閘；而對于開關QF4、QF7

滿足條件，故認為故障發生在開關QF4、QF7本級線路，向本線路的保護裝置下發立即跳閘允許指令，使其立即跳閘，切除故障。

4.4 矩陣算法的容錯性

根據GOOSE技術的分析可知，通信的快速可靠性能夠很好保障，假使在極端情況下，GOOSE通信異常或保護裝置發生故障，無法正確地上傳故障信息時，考慮矩陣算法的容錯性，進行容錯處理。

若本級開關的保護裝置沒有上報故障信息，而下級有不少于1個的開關保護裝置上報故障信息，上級也有不少于1個的開關保護保護裝置上報故障信息，則認為本級開關保護裝置出現故障或通信中斷使故障信息沒能上傳，而在故障矩陣F中相關元素補上1。

若有開關保護裝置上傳故障信息，而其上級開關和下級開關保護裝置均未上傳故障信息，則有可能存在開關保護裝置誤傳故障信息的情形，不過結合圖3的防越級實現流程中保護裝置的動作邏輯可知，即使保護裝置誤傳故障信息，防越級主機運算故障區段識別矩陣算法后，向保護裝置下發立即跳閘允許指令，但因保護裝置未檢測到故障電流不會啟動防越級I段保護，因此不會發出跳閘命令。

5 結語

闡述了煤礦智能變電站的結構、系統對時技術、GOOSE通信傳輸機制，確定防越級跳閘的具體工作流程，在此基礎上提出故障區段識別矩陣算法，實現了故障區段的定位與隔離。基于智能電網架構的數字化變電站模式，全礦保護信息共享，電磁兼容性強，能夠實現地面井下數字一體化。該基于智能變電站的防越級跳閘設計方案采用了時代發展的新技術，能有效解決越級難題，提高煤礦生產用電的安全可靠性，符合社會發展趨勢。

［1］張根現，馬星河，張傳書，等.井下高壓電網防越級跳閘系統研究［J］.煤礦機電，2009，26（2）：56-58.

［2］李永亮，葛維春，王芝茗.IEC61850通訊標準中的編碼規范ASN.1［J］.電力系統保護與控制，2008，36（22）：66-71.

［3］袁榮湘，陳德樹，馬天皓，等.采樣值電流差動保護原理的研究［J］.電力自動化設備，2000，20（1）：1-3.

［4］李文江，宋莉，張文超，等.基于光纖數字通信的煤礦供電防越級跳閘保護設備應用研究［J］.電子技術應用，2011，37（4）：26-28，32.

［5］史麗萍，溫樹峰，黃延慶.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，2011，39（8）：139-142.

［6］葛耀中，杜兆強，劉浩芳.自適應速斷保護的動作性能分析［J］.電力系統自動化 2001，25（18）：28－32，36.

［7］劉健，倪建立，杜宇．配電網故障區段判斷和隔離的統一矩陣算法［J］．電力系統自動化，1999，23（1）：31-33．

［8］羅梅，楊洪耕.配電網故障定位的一種改進通用矩陣算法［J］.電力系統保護與控制，2012，40（5）：64-68.

Fault Segment Identification Matrix Algorithmon Anti-Grade Tripping Based on Intelligent Substation Centralized Control in Coal Mine Power System

XING Jianping，YANG Guang，SUN Ruiling，SONG Yunhai，ZHANG Wenbo
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

TM77

A

1007－9904（2017）09－0031－04

2017-03-17

邢建平（1990），男，主要研究方向為配電網運維與電能質量檢測與分析。