礦井供電系統防越級跳閘技術的應用研究

陳青旺

摘 要：正益礦針對井下供電系統越級跳閘現象，基于GOOSE通訊系統對越級跳閘系統的硬件以及軟件進行了設計，實踐證明，優化后的越級跳閘系統下，保護設備對礦井的跳閘故障起到良好的保護作用，且適當延長下級裝置的閉鎖時間可以有效提高GOOSE通訊的穩定性，對防越級跳閘功能有一定的積極作用。

關鍵詞：供電系統;防越級跳閘技術;GOOSE通訊

0 前言

供電系統是礦井正常生產的保障，對礦井正常運行以及工作人員的生命安全有重要意義。針對供電系統中短路故障以及漏電保護等跳閘現象，不少學者提出將高壓防爆開關控制下的智能綜合保護器采集、處理、輸出等冗余環節作為后備保護，該方法稱為電流速斷保護改造方案;對于因漏電故障發生的誤跳閘現象，則可對總饋電開關和分支饋電開關分別采取保護措施[1]。礦井實際應用表明，改造方案結合以太網的實時性仿真運用，提高了網絡的穩定性、可靠性和實時性，可有效地防止越級跳閘事故發生，確保礦井井下供電系統安全運行。本文在已有研究的基礎上，正益礦針對井下供電系統越級跳閘故障，基于GOOSE通訊系統通過對系統硬件以及軟件的設計，成功解決了越級跳閘現象，應用效果良好。

1 基于GOOSE通訊的井下防越級跳閘系統總體方案

基于GOOSE通訊的井下防越級跳閘的原理如下：通過GOOSE通訊信號將供電系統的各級保護聯系起來，當供電系統中的任意一級保護系統發生故障后，GOOSE信號迅速發出，系統迅速閉鎖信號同時閉鎖上一級保護系統，保證故障部分在最小范圍內。當系統短路器發生故障后，系統迅速完成跳閘動作，對于分支較多的供電網絡實現區域保護，可以有效解決時間差問題，使得供電系統實現時間的高度配合。

1.1 基于GOOSE 通訊的井下防越級跳閘系統硬件設計

礦井供電系統是礦井正常運行、安全生產的重要保證。供電系統的綜合保護裝置必須能實現實時檢測、測量供電系統，同時實現控制和保護的功能，此外，因為保護裝置還具有防越級跳閘功能，因此系統還需具有存儲大量數據，進行高速運算和及時通訊的能力。

本文采用雙處理器協同工作的方式，滿足國家標準的同時，實現了大存儲的特點，保證了系統的安全性、穩定性和可擴展性?；贕OOSE通訊的井下防越級跳閘系統硬件架構圖中，主處理器主要負責數據的采集和處理，并進行故障類型的判別;協處理器主要負責數據的傳送、對時以及故障錄波存儲的功能。井下防越級跳閘系統硬件架構圖如圖1所示，從圖中可以看出，功能模塊主要包括開關控制模塊、看門狗模塊、電源模塊、數據采集模塊、通信模塊、擴展存儲模塊以及時鐘模塊等。

系統中雙處理器協同工作是核心，主處理器具有以下特點：選用ADI公司生產的ADSP-21065L芯片具有很強的運算能力，在雙處理器工作狀況下，雙端口的存儲器Bank0和Bank1。

實現了數據的快速處理和共享，在單周期內允許處理器內核和控制器的獨立訪問。SDRAM接口不僅實現了數據的快速傳遞而且雙倍的時鐘頻率加快了數據交換，完美實現了無縫連接。ADSP-21065L芯片改變了傳統ADSP-21065L芯片3.3V供電現狀，將供電電壓提高至5V，利用電平轉化實現與外圍芯片的匹配，數據進行輸入輸出的同時可以有效隔斷與總線的聯系。

協處理器采用飛思卡爾公司設計的MCF54415芯片，具有以下特點：在高速數據處理的同時具有低能耗，低成本的特點;可以實現多個UART串聯運行，豐富功能的同時節省了存儲空間。

1.2 基于GOOSE通訊的井下防越級跳閘系統軟件設計

供電系統的處理器軟件結構由中斷服務和主程序構成。中斷服務主要功能是通過定時周期的檢測判斷故障類型并進行保護實施。主程序主要負責實時檢測系統各功能。在VxWorks操作系統上，對協處理器軟件進行設計，該軟件系統可以實現和第三方軟件相連接的特點，便于任務的運行、中斷和內存的管理。本系統軟件包括以下內容：文件任務系統、實時處理任務、人機接口任務、文件存儲功能、通訊任務等。

在進行供電系統防越級跳閘技術的研究上，必須保證系統檢測的實時性，其中邏輯判斷以及越級跳閘信息的發送必須保證在中斷服務程序完成之前，信息的存儲和發送在主程序中進行。礦井功能系統防越級跳閘技術的實施過程具體如下：①電路發生故障如短路故障時，系統中的保護裝置自動檢測到故障信息，閉鎖元件收到故障信息時自動啟動，同時上級保護裝置受到閉鎖故障信息;②當下級保護裝置第一時間收到故障信息后，閉鎖保護裝置立即跳閘，直到保護裝置的鎖定時間完成，如果未能在第一時間收到故障信息，保護裝置則會立即跳閘以保護整個系統的安全性;③在保護動作完成后，保護裝置進行故障電路判別行為，如果切斷斷路器將會導致電路中電流的消失，保護裝置發送故障信息至正向節點，如果故障信息一直存在于電路中，則故障信息上傳至上級保護裝置;④如果故障問題解決，保護返回;⑤系統進行保護時間鎖定，在規定時間內故障如果解決，保護返回，如果在規定時間內故障未能解決，保護裝置通過跳閘保護系統的安全性[2]。

2 調試與應用

本系統在正益礦進行了現場調試和應用，該礦實際跳閘次數達到50次，其中越級跳閘次數達到20次，嚴重影響礦井的正常運行。經過實際考察，對礦井供電系統進行改進，改進部分包括礦井變電站、中央變電站，采區變電所以及工作面變電站。在進行電路系統的改進過程，必須保證系統接地系統完善，只有系統接地沒有問題，保護裝置才可以準確的實現故障的診斷和判別。供電系統設備的穩定運行依靠于設備良好的接地，對于電流較小的設備而言，接地不靈將會導致設備運行受到干擾，因此進行故障判別是出現問題，長時間的運行中，設備極易發生死機現象。

本文試驗的調試共用了66臺防越級跳閘保護設備，在長時間的運行過程中，短路故障發生一次，越級跳閘故障發生一次，究其原因，在供電系統發生故障時，并非防越級跳閘設備硬件以及軟件的問題，而是GOOSE通信不穩定造成的，在現場進行通信網絡的檢查，重新進行通信接口和交換機的設置，排除了故障[3]。

因為礦井現場工作環境的惡劣性，GOOSE通信進場出現數據接收傳動不穩定的現象，因此導致故障診斷不準確，可采用以下方法提高GOOSE通信的可靠性：當GOOSE數據集發生變化時，必須及時進行GOOSE報文發送;每隔一定時間進行GOOSE 重發，保障通信的穩定性。

為了進一步提高GOOSE通信的穩定性，當供電系統發生故障時，延長下級閉鎖裝置的閉鎖時間，現場試驗證明，此方法對防越級跳閘功能有一定的積極作用。

3 結論

為保證井下供電系統的安全，正益礦基于GOOSE通訊，對井下防越級跳閘系統硬件以及軟件進行了優化設計，通過現場應用，發現該防越級跳閘技術有良好的實際效果，在現場應用中，對GOOSE通信進行了進一步優化，適應井下惡劣條件的同時，對防越級跳閘功能有一定的積極作用。

參考文獻：

[1]呂延森.礦井供電系統防越級跳閘技術應用研究[J].煤炭科學技術，2017，45（S1）：162-165.

[2]閆帥.礦井供電系統防越級跳閘技術的研究及應用[J].能源與節能，2019（05）：131-132.

[3]王光生，韓剛，蔡圣茂.南屯礦井供電系統防越級跳閘技術的研究及應用[J].礦井機電，2018（09）：12-13.