煤礦高壓變電所二次保護故障排查技術

王建盛，賀瑞峰

（山西省河曲縣晉神沙坪煤業有限公司，山西 沂州 036500）

0 引 言

隨著井下大型供電設施和用電設備的不斷技術升級，礦井各級變電站對供電質量要求也越來越高，為了確保變電所的供電、用電安全可靠，穩定運行，通過設計優化，在建設過程中增加了多級保護裝置，包括對供電線路、變壓器、故障錄波系統、母線保護等的保護，尤其是在引入智能化控制技術進行供電管理之后，對于設備檢修維護和故障排查處理，也變得更加困難，需要進一步考慮二次保護對電網網絡架構的實際影響。因此，在煤礦變電站滿足生產用電負荷要求和供電安全的前提下，如何實現快捷、準確、靈敏地查找故障點，完成自動化監測和控制，對監控信息進行智能采集管理，值得深入探究和思考。

1 變電站多級架構組織分析

煤礦變電站內的所有二次設備均是相對于一級設備而言，以實現監測監控、測量、控制調節和保護接地等的輔助設備為主，即未直接參與生產用電的設備總稱。作為供電系統的安全基礎，是維護供電網絡系統運行是否正常的核心單元，但基于供電站內二次設備的配置相對分散獨立，缺乏高程度的信息共享，且可視化程度也較低，一旦發生突發故障，不能及時解決查找故障點，排除隱患，嚴重影響供電網絡運行的穩定性和高效性，因此，需要深入剖析變電站內多級架構的結構情況[1]，通信架構拓撲圖如圖1所示。

圖1 通信架構拓撲圖Fig.1 Topology of communication architecture

圖1中反映出，在二次保護系統中新增加了取樣采集的環節，由于新的合并單元出現，加上出口端設置的智能終端，導致整個系統在運行中動作時間相比平時延長了7～10 ms，這也降低了指令傳遞過程的速動性和網絡運行可靠性的有效時間，最終導致整個電網運行的動作延時。

此外，供電網絡的信息環主要采用首尾相連、各節點相互對等的以千兆光纖為基礎的以太網作為信號傳輸媒介，兼具傳輸、轉發及過濾等功能。由于千兆光纖的傳輸速率快，傳輸時間多為12 us，單頻傳送信息多，最大字符幀長1 524字節，工作期間各條路徑相對獨立，當N-1路徑出現故障時，其他設備仍然能夠保持正常通信，具有良好的系統穩定性。

由于在縱向垂直結構上對二次保護實現了網絡簡化，同時減少橫向網絡間的交叉互聯，極大地降低在工作中對于交換機的過度依賴性，與此同時，通過對保護裝置的數量優化削減，系統單元的合并，以及智能終端設備的技術升級，利用整體性能的提高，從而帶動整個二次設備保護裝置的速動性效率提升，而且，將系統功能進行小型模塊化的集成化管理，也將進一步優化供電網絡系統結構[2]。二次系統通信圖如圖2所示。

圖2 二次系統通信Fig.2 Communication diagram of secondary system

2 二次系統故障診斷分析

2.1 故障診斷結構類型分析

通過對二次保護系統的常見故障進行總結分析，歸納主要類型為對工作數據的錯誤處理，對工作指令的誤判，執行邏輯的傳輸錯誤，以及一系列指令導致的保護裝置誤動作或拒動等故障，當合并單元采集信息出現誤差，或是數據傳輸出現誤差時，也會造成二次保護的誤動作等[3]。通過對全年供電網絡中主要二次保護裝置發生事故的故障率、誤動率，以及拒動率等進行統計分析，按照在標準條件的24 h內各種保護元件自行修復率為藍本，以計算公式：1/（24/8 760）=365次/年，二次保護裝置自修復率統計表見表1。

表1 二次保護裝置自修復率統計Table 1 Self-repair rate statistics of secondary protection device

2.2 繼電保護裝備在線狀態監測

一般情況下，煤礦變電站的二次保護裝置是否運行正常，主要依靠輔助裝置兩側端口延伸出的兩個固定接電位，同一時段內分別采集到的信號值進行比較，若信號接收數值相等，則說明保護運行正常；若信號出現誤差，則說明保護裝置失效，處于不穩定狀態。

此外，保護裝置在運行過程中由于采集、接收、傳輸、反饋信息的過程是連續不斷的，且信息量通常較大，不可能對每一組數據進行輔助裝置的單一對比，既不科學，也不現實，因此，在實際操作中需要將保護裝置采集數據與計算機終端主機相連，確保足量數據信息的存儲滿足需要，再由主機進行大數據比對分析，一旦確定數據信息的不匹配，將發出故障信號，確認二次保護的指令動作，從而完成數據信息的實時傳輸和連續性。

2.3 二次回路實時監測

利用礦用電纜實現變電站的二次回路的閉合接線，以及利用光纖對其回路實現在線監測，可通過與交換機共享的實時數據將二次回路接電過程中的故障率降到最低，實現自動保護。

2.4 離線狀態故障診斷

由于監測終端與外接設備和二次保護裝置之間的信息傳輸是通過無線網絡實現信息數據互傳分析的，當傳輸網絡出現異常，診斷系統會通過監測到的網絡信號的強弱自行判斷是否發生離線故障，從而確定網絡運行的有效性[4]。

3 故障定位排查技術

二次系統的故障分析主要由SCD文件完成對物理端口和虛擬回路的工作信息在線采集，將故障節點分為設備、光纖、板卡、端口等環節，并利用上述拓普網絡圖即時搜索到各回路之間節點上的故障異常信號，經過分類舉證的方法及時反映各個鏈路狀態，從而實現對物理節點的快速排查，通過數據算法模型可直觀分析表達。，故障點分類舉證表見表2。

表2 故障點分類舉證表Table 2 Fault point classification proof table

4 結 語

通過對煤礦高壓變電站內二次保護裝置運行原理，系統架構的詳細分析，闡述故障快速診斷技術的研究成果，通過通信架構拓撲圖的描述，說明了供電網絡信號傳輸過程存在的弊端和系統誤動作風險概率，分析了在不同故障模式下，對變電站內二次保護裝置起到影響作用的相關元件動作參數，配合故障定位排查技術的應用，快速準確查找供電系統故障源，確保系統穩定可靠運行，具有十分重要的實用價值。