基于煤礦數(shù)字化集成保護(hù)的防越級(jí)系統(tǒng)研究

李德臣

北京昊華能源股份有限公司紅慶梁煤礦

引言

煤礦電網(wǎng)線路短，系統(tǒng)運(yùn)行方式差異大，常常造成短路越級(jí)跳閘[1-2]。礦井工作環(huán)境的惡劣，礦井電網(wǎng)以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式為主，且下井線路經(jīng)過(guò)多級(jí)變電所，導(dǎo)致礦井電網(wǎng)接地（漏電）保護(hù)無(wú)選擇性跳閘成為普遍現(xiàn)象。目前，廣泛使用的傳統(tǒng)型繼電保護(hù)裝置，不能解決煤礦越級(jí)跳閘問(wèn)題，常導(dǎo)致大面積停電甚至造成局部瓦斯超限，影響安全的嚴(yán)重后果。隨著煤礦數(shù)字化自動(dòng)化的發(fā)展，數(shù)字光纖通信網(wǎng)絡(luò)逐步應(yīng)用在煤礦井下，本文提出了一種新的基于煤礦數(shù)字化集成保護(hù)的放越級(jí)系統(tǒng)，能夠解決煤礦電網(wǎng)存在的各種越級(jí)跳閘問(wèn)題。

1 基于煤礦數(shù)字化集成保護(hù)的防越級(jí)系統(tǒng)

數(shù)字化變電站采用高速以太網(wǎng)通信傳輸個(gè)設(shè)備發(fā)送或接受的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字化信息，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的信息共享和互操作[3-4]，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制、測(cè)量監(jiān)視、信息管理等自動(dòng)化功能。

本系統(tǒng)中數(shù)字式變電站均基于IEC61850架構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)智能電子裝置IED間信息互享和互操作。煤礦數(shù)字變電站采用分層采集、集中控制的體系架構(gòu)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，采用以太網(wǎng)通信技術(shù)，將模擬量的采集計(jì)算、開(kāi)關(guān)量邏輯判斷分層實(shí)現(xiàn)。各一次電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)就地采集，按協(xié)議規(guī)定的報(bào)文格式打包，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)送往集成保護(hù)測(cè)控裝置；保護(hù)測(cè)控裝置安綜合全站信息實(shí)現(xiàn)測(cè)控保護(hù)、自動(dòng)裝置功能，并進(jìn)行功能模塊化設(shè)置，如設(shè)置線路三段式電流保護(hù)模塊、線路差動(dòng)保護(hù)模塊、母線保護(hù)模塊等。各功能相對(duì)獨(dú)立、分時(shí)運(yùn)行，在使用時(shí)僅需要進(jìn)行軟件配置，既能保證保護(hù)的快速性、選擇性、可靠性、安全性，又能保證計(jì)量的高精度。

煤礦數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)由過(guò)程層、間隔層、站控層3個(gè)層次構(gòu)成，架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦數(shù)字化供電系統(tǒng)

間隔層設(shè)備主要為合并保護(hù)器，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：接收來(lái)自電子互感器的電流、電壓數(shù)字量，合并后通過(guò)光纖通道上送至交換服務(wù)器，并實(shí)現(xiàn)電子互感器的激光功能；對(duì)于采用小信號(hào)輸出的電子互感器或傳統(tǒng)互感器，合并單元實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化采集，通過(guò)光纖通道上送至交換服務(wù)器；接收交換服務(wù)器編碼下發(fā)的同步采樣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全站的模擬量同步采樣；實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量采集并上送至交換服務(wù)器；實(shí)現(xiàn)和數(shù)字電表的通訊，提供計(jì)量電流、電壓數(shù)據(jù)；可配備操作板，接收集成保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)交換服務(wù)器下發(fā)的跳閘命令實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口。為進(jìn)一步提高保護(hù)功能的可靠性，合并單元在和交換服務(wù)器的通訊中斷后，可以提供三段式過(guò)流保護(hù)功能。

間隔層的主要設(shè)備為集成保護(hù)測(cè)控裝置，其通過(guò)以太網(wǎng)與服務(wù)器接收全站模擬量采樣數(shù)據(jù)和開(kāi)入量，并可根據(jù)要求靈活配置保護(hù)測(cè)控、自動(dòng)裝置軟件模塊，單臺(tái)即能實(shí)現(xiàn)全站的所有保護(hù)測(cè)控、自動(dòng)裝置功能。站控層設(shè)有GPS時(shí)鐘，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)，工程師主機(jī)等。

2 防越級(jí)跳閘原理

1）采用光纖差動(dòng)保護(hù)解決饋線故障導(dǎo)致的“越級(jí)跳閘”

基于數(shù)字化變電站系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在保護(hù)主機(jī)內(nèi)全站數(shù)據(jù)共享，將線路的主保護(hù)三段式式電流保護(hù)升級(jí)為線路差動(dòng)保護(hù)，保護(hù)配置示意圖如圖2所示。由于采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信，且保護(hù)功能軟件模塊化，因此可進(jìn)行母線差動(dòng)保護(hù)的擴(kuò)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)線路差動(dòng)保護(hù)的不足。由于差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作區(qū)是由CT位置確定，與保護(hù)定值無(wú)關(guān)[5]。當(dāng)采區(qū)變電站任一出線故障，光纖差動(dòng)保護(hù)無(wú)差動(dòng)電流時(shí)，光纖差動(dòng)保護(hù)能可靠不誤動(dòng)；均由饋出線高爆速斷保護(hù)動(dòng)作切除故障，確保不出現(xiàn)“越級(jí)跳閘”。

2）定值和時(shí)限均可整定的失壓保護(hù)解決失壓保護(hù)導(dǎo)致的“越級(jí)跳閘”

設(shè)置低壓保護(hù)的定值和時(shí)限均可整定，重要的饋出線路設(shè)置較長(zhǎng)的失壓保護(hù)延時(shí)，以躲開(kāi)故障時(shí)引起的母線電壓降低，那些不重要的線路可設(shè)置較短的失壓保護(hù)延時(shí)，這樣可以保證重要饋線的供電，避免越級(jí)跳閘。

3）全站數(shù)據(jù)共享解決漏電保護(hù)無(wú)選擇性

采用光纖以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)信息共享，解決了傳統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)中保護(hù)原理切換困難、漏電保護(hù)支路零序電流判據(jù)不充分、抗干擾能力差的問(wèn)題?；谌玖阈螂妷?，零序電流的綜合處理，徹底解決單支路漏電保護(hù)橫向選擇準(zhǔn)確性和可靠性、選擇性問(wèn)題。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

在一次間隔就地設(shè)置合并保護(hù)器，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)激光功能和與電子式互感器的通訊，并將合并后的數(shù)據(jù)按IEC61850規(guī)定的協(xié)議通過(guò)光纖口上送到交換服務(wù)器。同時(shí)在110kV及以下變電站把傳統(tǒng)式的電壓、電流互感器更換為電子式電壓、電流互感器，也可在傳統(tǒng)的斷路器、主變、電壓、電流互感器等間隔就地設(shè)置具有相關(guān)接口的合并保護(hù)器裝置，實(shí)施測(cè)控。同時(shí)保留針對(duì)10kV配電系統(tǒng)采用滿足IEC60444-7、IEC60444-8標(biāo)準(zhǔn)的低功率電子式互感器的接口。

每個(gè)合并保護(hù)器裝置配置兩個(gè)獨(dú)立的光纖網(wǎng)，通過(guò)光纖傳輸至交換服務(wù)器，交換服務(wù)器將匯總后的全站數(shù)據(jù)信息，送至集成保護(hù)測(cè)控裝置及電能計(jì)量裝置，從而實(shí)現(xiàn)全站保護(hù)、測(cè)量、控控及電能計(jì)量等功能。

本系統(tǒng)完全區(qū)別于現(xiàn)有的數(shù)字化變電站：全站的各種保護(hù)功能、自動(dòng)控制功能集成在集成保護(hù)測(cè)控裝置上實(shí)現(xiàn)，將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)、GPS同步網(wǎng)三網(wǎng)合一，集成在同一對(duì)光纖通道（雙重化）上實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)不僅集成了變電站所有的傳統(tǒng)保護(hù)、測(cè)控功能，而且可實(shí)現(xiàn)各種高端保護(hù)（如廣域保護(hù)、線路縱差保護(hù)、母線保護(hù)以及各種啟動(dòng)條件等）完善原有的繼電保護(hù)方案，并且功能可自由配置，從而達(dá)到各種功能的無(wú)縫連接。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)各電氣設(shè)備間的信息共享和互操作，保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量功能相對(duì)獨(dú)立，分時(shí)運(yùn)行。既能保證保護(hù)功能的快速性、選擇性、可靠性，又保證了測(cè)量、計(jì)量的精度要求。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，保護(hù)配置采用雙重化，有效降低了因保護(hù)裝置故障引起保護(hù)拒動(dòng)的可能性。集成保護(hù)測(cè)控裝置綜合了供電系統(tǒng)所有間隔對(duì)象的故障數(shù)據(jù)，對(duì)故障進(jìn)行快速定位，可靠切除故障。

數(shù)字化變電站系統(tǒng)采用光纖通訊網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，徹底解決了二次接線復(fù)雜，易受干擾，電纜長(zhǎng)的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)煤礦電網(wǎng)存在的越級(jí)跳閘問(wèn)題，本文提出了基于煤礦數(shù)字化集成保護(hù)的防越級(jí)系統(tǒng)，在煤礦數(shù)字化變電站中，通過(guò)采用光纖差動(dòng)保護(hù)、定值和時(shí)限均可整定的失壓保護(hù)與全站信息共享技術(shù)解決了短路越級(jí)、漏電保護(hù)無(wú)選擇等越級(jí)跳閘問(wèn)題。并在文章最后介紹了系統(tǒng)特點(diǎn)。

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