基于網(wǎng)絡分析的煤礦井下供電防越級跳閘系統(tǒng)研究

【摘""要】越級跳閘會對煤礦井下安全生產(chǎn)帶來嚴重后果。本文從全局角度出發(fā)，建立以光纖為通信介質(zhì)的防越級跳閘系統(tǒng)，系統(tǒng)包括主站監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控分站兩級組網(wǎng)，同時提出了采用遞歸搜索網(wǎng)絡分析方法對故障點進行定位隔離。案例分析結(jié)果表明，該防越級跳閘系統(tǒng)能夠保證對供電系統(tǒng)監(jiān)控的實時性，提出的遞歸算法相比于其他方法更加快速和有效。

【關(guān)鍵詞】煤礦井下""越級跳閘""網(wǎng)絡分析""供電系統(tǒng)

【中圖分類號】TD611""""""【文獻標識碼】A"""""""""【文章編號】1674-4810（2015）31-0106-03

煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性和運行狀態(tài)直接影響著煤礦的生產(chǎn)和安全。煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，工作環(huán)境惡劣，容易發(fā)生短路事故。由于井下高壓供電系統(tǒng)線路短、多級變電所級聯(lián)，當發(fā)生短路故障時常規(guī)繼電保護裝置不能通過整定值和時間級差的方式有選擇地跳開故障點開關(guān)，出現(xiàn)越級跳閘問題，威脅礦井安全。因此，解決煤礦井下供電系統(tǒng)短路引起的越級跳閘問題，對煤礦安全生產(chǎn)意義重大。

目前，國內(nèi)外對礦井供電系統(tǒng)越級跳閘問題進行了廣泛深入的研究，主要集中在以下幾個方面。（1）基于電力監(jiān)控系統(tǒng)的方案。這種系統(tǒng)由監(jiān)控主機、通信分站和綜合保護裝置組成。監(jiān)控主機對供電系統(tǒng)各節(jié)點故障信息采集，利用通信系統(tǒng)匯集，并進行邏輯比較和綜合判斷。這種方案通信系統(tǒng)采用兩級結(jié)構(gòu)，第一級為監(jiān)控中心和通信分站之間采用CAN總線網(wǎng)絡，第二級為通信分站與各綜合保護裝置采用RS485總線網(wǎng)絡?；陔娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)的方案從短路發(fā)生到控制斷路器跳閘所需時間較長。（2）基于CAN總線方案。該防越級跳閘方案的基礎是構(gòu)建一個專用CAN總線通信網(wǎng)絡，各個綜合保護裝置通過CAN總線進行連接，通過各個綜合保護裝置之間的數(shù)據(jù)交換快速判斷故障位置，確定需要啟動保護動作的裝置所在的位置?；贑AN總線方案需跟隨供電系統(tǒng)不同運行方式變化相應地判斷規(guī)則，控制較為復雜，實際運用中存在很多問題，甚至會增加越級跳閘的風險。（3）基于獨立監(jiān)控分站的方案。該方案中每段線路的綜合保護裝置采用電氣信號與獨立監(jiān)控分站并聯(lián)聯(lián)絡，各綜合保護裝置檢測短路故障，并將故障信號匯總到獨立監(jiān)控分站，監(jiān)控分站根據(jù)接收的電平信號數(shù)量的多少和相應的事先約定的編號進行邏輯分析判斷，可確定應該由哪級跳閘，然后向該級發(fā)出跳閘指令。該方案存在抗干擾能力差，對監(jiān)控分站的依賴性強，系統(tǒng)整體可靠性不高的缺點。（4）基于分布式分站方案。該方案與基于獨立監(jiān)控分站的方案通信方式相同，只是增加了各級獨立分站的部署，此方案各級獨立分站相互獨立，其中某一分站發(fā)生故障不會使整個越級跳閘系統(tǒng)癱瘓，具有相對高的可靠性，但同樣存在各級分站間連線復雜，傳輸信號抗干擾能力差、遠距離傳輸衰減嚴重等缺點。

上述方法主要側(cè)重于井下防越級跳閘系統(tǒng)的整體框架構(gòu)建，而對于短路故障點的快速搜索定位和隔離的方法涉及較少。本文研究的內(nèi)容是建立以光纖為通信介質(zhì)的井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲分析和快速遞歸算法，迅速定位短路故障點并加以隔離，有效防止越級跳閘事故的發(fā)生。

一"煤礦井下防越級跳閘系統(tǒng)設計

1.防越級跳閘系統(tǒng)整體設計

根據(jù)煤礦井下高壓供電線路的實際情況和防越級跳閘的要求，建立以光纖為介質(zhì)的高速通信網(wǎng)絡，為井下高壓供電系統(tǒng)的每臺高爆開關(guān)提供可靠、全時、動態(tài)、高速的信息通道，形成全局防越級跳閘保護系統(tǒng)，提高高壓供電線路的可靠性和保障故障隔離動作時間的實時性。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

該系統(tǒng)具有如下特點：（1）系統(tǒng)功能全面性。系統(tǒng)在實現(xiàn)保護的同時還可以實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)即“四遙”和防誤操作功能，為采區(qū)變電所的“無人值守”創(chuàng)造了條件。（2）系統(tǒng)組網(wǎng)安全性。系統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡、礦用隔爆型光傳輸接口和保護主機均采用備份配置，一套系統(tǒng)發(fā)生故障時不會影響另一套系統(tǒng)的可靠運行。（3）系統(tǒng)先進性。該設計實現(xiàn)零時限速斷保護，徹底解決煤礦井下短路故障越級跳閘問題，實現(xiàn)多備份

煤礦井下保護，井下電度計量由地面裝置集中實現(xiàn)，將光纖通信和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)引入井下保護的系統(tǒng)。

2.監(jiān)控分站系統(tǒng)設計

電力監(jiān)控分站作為監(jiān)控中心和綜合保護裝置的連接系統(tǒng)，起到將綜合保護裝置的測量信息（遙測、遙信的數(shù)據(jù)）上傳至監(jiān)控中心，同時將監(jiān)控中心的指令（遙控、遙調(diào)）發(fā)送給相應的綜合保護裝置的作用。監(jiān)控分站具有如下功能：（1）每個監(jiān)控分站至少能掛接32個綜合保護裝置，通過光纖與它們通信;（2）接收所掛接的綜合保護裝置的采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將結(jié)果上傳到監(jiān)控中心，同時就地通過液晶屏顯示;（3）接收監(jiān)控主機的控制指令（遙控指令），同時將指令傳送給相應的綜合保護裝置執(zhí)行，并把執(zhí)行結(jié)果傳回分站;（4）能在線顯示出現(xiàn)故障的電力設備的位置及原因，并報警;（5）系統(tǒng)具有多種通信接口，能適應各種通信方式;（6）采用全中文液晶顯示，能清楚地實時顯示電網(wǎng)的電流、電壓、零序電流、零序電壓、絕緣電阻、故障原因等;（7）具有超強的通信功能，在出現(xiàn)通信故障時，無須人工干預，系統(tǒng)能在極短的時間內(nèi)自動檢測，重新啟動恢復通信。

二"網(wǎng)絡分析方法研究

由于煤礦井下級聯(lián)變電所和T接線路多，造成供電網(wǎng)絡復雜，因此采用的電網(wǎng)絡分析方法不但要有準確性而且要滿足故障隔離實時性的要求。網(wǎng)絡等值法和最小路法都需對網(wǎng)絡進行等值，而大多數(shù)的等值過程通過計算機實現(xiàn)比較復雜，尤其是對于較為復雜的供電網(wǎng)絡而言，等值過程更為繁雜。遞歸算法是一種直接或者間接地調(diào)用自身的算法。在計算機編程中，它往往使算法的描述簡潔且易于理解，編程工作量也大大減少，同時其運行快速的特點也滿足了短路故障隔離的實時性要求。該方法的優(yōu)點在于：（1）無須進行網(wǎng)絡等值，原理簡單清晰，計算精度高，易于在計算機上實現(xiàn);（2）當需要分析某負荷點附近的故障情況時，無須分析所有元件運行情況，可以有針對性地對網(wǎng)絡進行分析，大大減少計算量;（3）在分析過程中無須形成網(wǎng)絡的鄰接矩陣或特殊的鏈表關(guān)系，直接采用最基本的節(jié)點數(shù)據(jù)表和支路數(shù)據(jù)表對網(wǎng)絡進行搜索，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)接口方便;（4）網(wǎng)絡分析采用遞歸算法，可大大減少編程工作量，提高程序執(zhí)行效率，達到系統(tǒng)實時性的要求。

遞歸算法實現(xiàn)過程如圖2所示，其中A為供電節(jié)點，B、C、D為負荷節(jié)點，D為所求負荷節(jié)點，以D節(jié)點作為根節(jié)點，搜索到支路1，節(jié)點表加1，然后以另一節(jié)點B遞歸搜索，搜索到支路0，節(jié)點表再加1，再以另一節(jié)點C遞歸搜索，無支路，返回上級遞歸，繼續(xù)以B節(jié)點搜索，搜索到支路2，另一節(jié)點A為供電節(jié)點，則搜索完成標示設為真，遞歸返回。

三"算例驗證

設系統(tǒng)供電模式為單電源輻射式供電系統(tǒng)，母線為二分段接線，如圖4所示。其中配電變壓器高壓等級為10kV，低壓等級為0.4kV，每條母線帶有4組負荷，同時安裝有圖1所示的全局防越級跳閘系統(tǒng)作為通信和監(jiān)控系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的實時傳輸。

在計算過程中假設負荷點L4、L6和L7處發(fā)生了短路故障，采用本文提出的分析方法均能快速對故障點進行定位并斷開負荷所屬高壓側(cè)斷路器，沒有因為短路而發(fā)生越級跳閘的情況，保證了非故障點的正常工作，說明了該網(wǎng)絡分析方法的有效性。

在使用相同計算機系統(tǒng)情況下對上述案例進行計算分析，采用本方法比網(wǎng)絡等值法的計算速度大約快5%，比最小路法快3%，因為本算例網(wǎng)絡比較簡單，所以差別并不是很大，如果采用實際煤礦井下供電網(wǎng)絡，本方法的計算速度優(yōu)勢將會更加明顯。

四"結(jié)論

煤礦井下防越級跳閘對煤礦的安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用，通過本文的研究可以得到如下結(jié)論：（1）建立的采用光纖通信的防越級跳閘系統(tǒng)能夠保障數(shù)據(jù)通信的實時性，使得主站監(jiān)控系統(tǒng)能夠迅速判斷隔離故障點;（2）監(jiān)控分站作為連接主站監(jiān)控中心和綜合保護裝置的中間環(huán)節(jié)，起到重要的橋梁作用;（3）快速全局分析的遞歸算法為準確定位故障點、防止越級跳閘提供了技術(shù)支持。

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〔責任編輯：龐遠燕、汪二款〕