煤礦供電差動(dòng)保護(hù)方式研究

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如果對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)的線路進(jìn)行適當(dāng)?shù)貐^(qū)域劃分，各區(qū)域配置差動(dòng)保護(hù)，各線路保護(hù)裝置通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸線路信息至上層信息處理中心，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，就可以準(zhǔn)確地選擇出故障區(qū)域，再采用系統(tǒng)中心控制逐級(jí)閉鎖的方式，就可以在切除故障區(qū)域的同時(shí)，防止越級(jí)跳閘的發(fā)生。

煤礦供電系統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)的特點(diǎn)

由于煤礦井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境等與地面供電線路的不同，使得此時(shí)在實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)上具有自身的特點(diǎn)，主要如下:首先，不平衡電流的影響增大，主要由以下幾個(gè)方面造成:①煤礦井下供電系統(tǒng)基本全部采用井下電纜構(gòu)建，系統(tǒng)的對(duì)地電容增大，系統(tǒng)故障或者系統(tǒng)空載時(shí)，區(qū)域內(nèi)部有較大容性電流，容易造成保護(hù)的誤動(dòng);②由于煤礦井下供電系統(tǒng)多以負(fù)荷為中心，饋出線復(fù)雜，且多為網(wǎng)狀分支線路，增加了線路區(qū)域，在穩(wěn)態(tài)情況下，大大增加了互感器特性不一致引起的非故障區(qū)域誤選擇;③井下用電設(shè)備多為大功率電機(jī)和移動(dòng)變壓器，且容量在不斷增大，電壓等級(jí)也在逐步提高，大型電機(jī)在重載或者內(nèi)部不平衡故障、大容量變壓器在外部故障切除或者空載時(shí)，都會(huì)造成很大的不平衡電流，影響差動(dòng)保護(hù)的正常判斷。其次，全網(wǎng)數(shù)據(jù)的同步性問題。由于系統(tǒng)是在IEC61850基礎(chǔ)上構(gòu)建的，并且為了滿足不同區(qū)域均可配置差動(dòng)保護(hù)的要求，全系統(tǒng)必需采取同步采樣，減少數(shù)據(jù)不同步造成的不平衡電流的影響。但是煤礦井下供電線路多為串聯(lián)的網(wǎng)狀分支，且同級(jí)線路長(zhǎng)短不一，長(zhǎng)的線路可有幾公里，短的僅為幾十米，在采用IEC61850模型構(gòu)建通訊系統(tǒng)時(shí)，即使是采樣保持了同步性，但傳輸和保護(hù)主機(jī)處理時(shí)也不能完全保持全網(wǎng)區(qū)域的同步處理，特別是在底端采樣頻率高、網(wǎng)絡(luò)通訊擁堵時(shí)，這種問題更加明顯。

煤礦供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的幾點(diǎn)方法

針對(duì)以上出現(xiàn)的問題，結(jié)合系統(tǒng)自身特點(diǎn)，參考地面差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)對(duì)策［4－5］:首先，針對(duì)系統(tǒng)的容性電流，特別是各區(qū)域的零序差動(dòng)電流，硬件上定時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電容電流，進(jìn)行實(shí)際的補(bǔ)償，軟件上進(jìn)行監(jiān)控補(bǔ)償，保證各區(qū)域不平衡電流在要求的數(shù)值范圍以下;針對(duì)穿越電流造成的誤動(dòng)作，系統(tǒng)可選用工頻變化量的比率差動(dòng)或變比率差動(dòng)，適當(dāng)?shù)靥岣卟顒?dòng)保護(hù)的靈敏性;同時(shí)，在特殊情況下，系統(tǒng)可設(shè)置保護(hù)啟動(dòng)門檻和延時(shí)，以躲過不平衡電流的影響。針對(duì)系統(tǒng)同步性，可全網(wǎng)采用GPS同步采樣控制，保證底層采樣的同步;另外，系統(tǒng)在配置時(shí)考慮到差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作范圍，系統(tǒng)線路實(shí)際供電區(qū)域、主次關(guān)系，系統(tǒng)線路長(zhǎng)短等，重新劃分系統(tǒng)區(qū)域，避免線路過短對(duì)系統(tǒng)線路參數(shù)造成的不平衡;同時(shí)，各區(qū)域首末端采樣信息進(jìn)行綁定上傳，系統(tǒng)保護(hù)主機(jī)對(duì)各區(qū)域獨(dú)立運(yùn)算，減小了全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸不同步對(duì)保護(hù)造成的影響;同時(shí)，系統(tǒng)可設(shè)置2套獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，以增加系統(tǒng)的安全性。

基于IEC61850的系統(tǒng)模型

1煤礦數(shù)字供電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IEC61850是關(guān)于數(shù)字化變電站通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，主要完成對(duì)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的系統(tǒng)分層、功能描述和對(duì)象建模。在邏輯結(jié)構(gòu)上，IEC61850通訊協(xié)議把數(shù)字化變電站分為過程層、間隔層和站控層，各層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊連接［6］，其基本結(jié)構(gòu)如圖1。結(jié)合煤礦井下供電線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)煤礦繼電保護(hù)硬件基礎(chǔ)，以高壓防爆開關(guān)為過程層保護(hù)終端，完成傳感器和執(zhí)行器的功能;以同采區(qū)或就近保護(hù)終端組成合并單元，完成信息的收集和傳輸，同時(shí)完成同步時(shí)鐘的控制;系統(tǒng)保護(hù)主機(jī)完成信息的處理和故障區(qū)域判斷，同時(shí)可完成與地面控制中心的通訊。

2模塊功能簡(jiǎn)介

在傳統(tǒng)的煤礦供電保護(hù)系統(tǒng)中，高壓防爆開關(guān)保護(hù)作為主要保護(hù)平臺(tái)，它能夠?qū)﹄娎|、變壓器等重要線路和器件進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。在基于IEC61850通訊架構(gòu)下的煤礦數(shù)字供電保護(hù)系統(tǒng)中，高壓防爆開關(guān)及保護(hù)終端作為系統(tǒng)重要組成部分，分別作為過程層執(zhí)行模塊(執(zhí)行器)和采樣模塊(傳感器)。保護(hù)終端安裝于防爆箱內(nèi)，正常工作時(shí)，接收合并單元發(fā)送的采樣時(shí)鐘，實(shí)時(shí)采集電纜線路必要信息，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通訊方式把采樣信息傳輸?shù)胶喜卧?當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，智能保護(hù)終端接收合并單元發(fā)送的跳閘或閉鎖命令，驅(qū)動(dòng)高壓防爆開關(guān)完成相關(guān)操作;另外，在采樣時(shí)鐘發(fā)生中斷時(shí)，保護(hù)終端可自動(dòng)選擇本地時(shí)鐘進(jìn)行信息采樣，閉鎖信息上傳，自行計(jì)算采樣信息，獨(dú)立完成高壓防爆開關(guān)的保護(hù)功能，其流程圖如圖2(a)。保護(hù)終端通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與信息合并單元連接，采用全光纖物理通道，帶寬足夠滿足多臺(tái)保護(hù)終端同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用通道優(yōu)先級(jí)設(shè)置，對(duì)故障操作信息、故障區(qū)域采樣信息等在物理結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)先傳送，保證故障時(shí)動(dòng)作的速度;信息合并單元根據(jù)系統(tǒng)配置，可自動(dòng)關(guān)聯(lián)差動(dòng)兩端信息，完成信息的自動(dòng)整包，并可對(duì)差動(dòng)信息的有效性進(jìn)行初步的判斷，可單獨(dú)進(jìn)行差動(dòng)信息包的發(fā)送，無(wú)需系統(tǒng)一進(jìn)行;另一方面，信息合并單元與采樣時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)(GPS服務(wù)器)相連，得到系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)鐘信號(hào)，再由合并單元控制所連接的保護(hù)終端進(jìn)行采樣，從而保證系統(tǒng)采樣的同步性;當(dāng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)以某一合并單元為基礎(chǔ)進(jìn)入互同步，其流程圖如圖2(b)。系統(tǒng)保護(hù)主機(jī)位于間隔層，是系統(tǒng)重要組成部分，主要完成底層采樣數(shù)據(jù)分析，故障區(qū)域判斷，故障決策及地面相關(guān)信息交互的任務(wù)。硬件上，系統(tǒng)保護(hù)主機(jī)采用多CPU并行處理技術(shù)，采用獨(dú)特算法可獨(dú)立完成40路以上線路綜合分析;優(yōu)化的前置信息包解析模塊能快速的得到有效信息，縮短了IEC61850通信鏈路轉(zhuǎn)化的時(shí)間。軟件上，系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析底層采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)零序電壓增加到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)故障模式，增加處理速度，實(shí)時(shí)監(jiān)控每條線路信息，判斷出故障區(qū)域，然后啟動(dòng)故障決策邏輯，切除故障區(qū)域，其相關(guān)流程圖如圖2(c)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以陽(yáng)煤集團(tuán)二礦617供電回路(6kV)為基礎(chǔ)進(jìn)行漏電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所構(gòu)建的煤礦數(shù)字電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)在發(fā)生漏電故障時(shí)的性能。實(shí)驗(yàn)針對(duì)八零九一四配電室“軌道巷及照明”線路進(jìn)行人為接地，即在8226高開負(fù)荷側(cè)通過高壓保險(xiǎn)絲形成一個(gè)接地點(diǎn)(B相)，對(duì)開關(guān)進(jìn)行合閘操作以形成單相接地漏電故障，實(shí)驗(yàn)依次進(jìn)行3次。在3次試驗(yàn)中，新型煤礦數(shù)字電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)都在合閘瞬間準(zhǔn)確選出8226高壓開關(guān)，并準(zhǔn)確切除該故障區(qū)域，故障瞬間B相電壓降為0V(＜2V)，同時(shí)產(chǎn)生零序電壓，零序電流，大小、相位與理論分析基本一致，在很短的時(shí)間內(nèi)(＜20ms)，系統(tǒng)發(fā)出命令跳開8226高壓開關(guān)，其他開關(guān)處于閉鎖狀態(tài)，防止了越級(jí)跳閘的發(fā)生。（本文作者：胡祝龍、程天華 單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院）