礦用智能型電網(wǎng)防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙彩霞+劉為國(guó)

【摘 要】煤礦供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是煤礦安全生產(chǎn)的保障，但是，煤礦特殊的供電環(huán)境，使得越級(jí)跳閘問(wèn)題普遍存在。一旦發(fā)生故障，極易引發(fā)大面積停電，影響煤礦采煤進(jìn)度，更為嚴(yán)重的是引起瓦斯積聚，威脅礦工的生命安全。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于GOOSE的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案，該方案利用面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）傳送閉鎖信號(hào)，使得礦井供電系統(tǒng)上下級(jí)保護(hù)測(cè)控裝置可靠配合，有效的解決了短路保護(hù)的選擇性問(wèn)題，避免了越級(jí)跳閘事故的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】越級(jí)跳閘；IEC61850；GOOSE；煤礦供電

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，煤礦供電系統(tǒng)的變電所級(jí)數(shù)越來(lái)越多。而各級(jí)變電所之間大多采用垂直短距離供電模式，這種模式使得供電線路短、阻抗小，一旦發(fā)生故障，上下級(jí)會(huì)因短路電流值相差極小，出現(xiàn)多級(jí)開(kāi)關(guān)同時(shí)檢測(cè)到過(guò)電流信號(hào)、同時(shí)跳閘，引發(fā)井下大面積停電，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)和安全。

目前，針對(duì)防越級(jí)跳閘保護(hù)已經(jīng)提出很多種技術(shù)方案。為了保障礦井供電系統(tǒng)的可靠性，本文提出了一種基于GOOSE的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案。

1 基于GOOSE的防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

GOOSE是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中用于滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)快速報(bào)文需求的機(jī)制，為了保證通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，GOOSE 服務(wù)以高速P2P（peer-to-peer）通信為基礎(chǔ)，采用無(wú)連接傳輸模式，取代了傳統(tǒng)智能電子設(shè)備 （IED）間電纜連接的通信模式。

為了提高通訊性能，該系統(tǒng)采用分層分布的結(jié)構(gòu)，包括地面監(jiān)控層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層，井下現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。從地面到井下，各級(jí)變電所之間采用光纖以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。在井下設(shè)備層，各級(jí)保護(hù)控制器之間采用GOOSE報(bào)文直接通訊，保證了信息傳輸?shù)目焖傩?、?shí)時(shí)性和可靠性。

基于GOOSE閉鎖原理的防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)的控制器主要包括中央處理單元、交流采樣單元、絕緣監(jiān)視保護(hù)單元、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出單元、人機(jī)接口單元、通訊單元等。硬件原理框圖如圖1所示。

1.1 中央處理器單元

該系統(tǒng)采用STM32F207芯片，是ST公司最新發(fā)布的一款32位ARM微控制器，集成了大量的外設(shè)接口。包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)控制器、串口控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)器等。

1.2 交流采樣單元

該系統(tǒng)的交流采樣單元中傳統(tǒng)電壓/電流互感器將二次側(cè)模擬信號(hào)傳送給合并單元，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而傳送給保護(hù)測(cè)控裝置。

1.3 絕緣監(jiān)視保護(hù)單元

該系統(tǒng)的絕緣監(jiān)視保護(hù)單元是基于附加直流檢測(cè)電源的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣在線監(jiān)視保護(hù)，其原理主要是通過(guò)檢測(cè)取樣電阻兩端電壓大小判斷是否處于故障狀態(tài)。用測(cè)量的取樣電阻兩端電壓值與無(wú)故障情況下取樣電阻的電壓值比較，如果大于正常值，說(shuō)明發(fā)生短路故障；如果小于正常值，說(shuō)明發(fā)生斷線故障。

1.4 開(kāi)關(guān)量輸入、輸出單元

該系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入單元可用來(lái)采集實(shí)時(shí)的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)以及手動(dòng)操作的輸入狀態(tài)等。開(kāi)關(guān)量輸出單元通過(guò)光電隔離模塊與外電路連接，提高抗干擾能力，輸出開(kāi)關(guān)量經(jīng)過(guò)功率放大后，驅(qū)動(dòng)出口繼電器。

1.5 人機(jī)接口單元

該系統(tǒng)的人機(jī)接口單元通過(guò)串口與中央處理器連接，由LCD、LED和紅外遙控器組成。

1.6 通訊單元

該系統(tǒng)的通訊單元主要利用處理器芯片集成的以太網(wǎng)控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)GOOSE配置、GOOSE收發(fā)。GOOSE收發(fā)模塊主要完成多播屏蔽功能設(shè)置、接收并解析GOOSE報(bào)文、控制并發(fā)送GOOSE報(bào)文的任務(wù)。利用GOOSE保護(hù)接收解析部分來(lái)監(jiān)視通訊線路的完整性，如果長(zhǎng)時(shí)間收不到心跳報(bào)文就會(huì)立即發(fā)出告警信號(hào)，有效提高了通訊的可靠性。

2 基于GOOSE的防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電流信號(hào)的大小，根據(jù)檢測(cè)的電流值判斷是否發(fā)生短路故障。如果經(jīng)過(guò)分析比較檢測(cè)到故障電流，則延時(shí)T1，延時(shí)到后，檢測(cè)是否收到下級(jí)發(fā)送的GOOSE閉鎖信號(hào)，如果沒(méi)有，說(shuō)明是區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)控制器立即指示保護(hù)動(dòng)作，并且向上級(jí)發(fā)送解除閉鎖的GOOSE報(bào)文；如果檢測(cè)到下級(jí)發(fā)送的GOOSE閉鎖信號(hào)，則說(shuō)明是區(qū)外故障，再延時(shí)T2，檢測(cè)是否還有GOOSE閉鎖信號(hào)，如果有，保護(hù)控制器指示保護(hù)動(dòng)作，并向上級(jí)發(fā)送解除閉鎖的GOOSE報(bào)文；如果沒(méi)有，程序結(jié)束。如圖2所示，為基于GOOSE的防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)軟件流程圖。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了煤礦井下越級(jí)跳閘現(xiàn)象發(fā)生的原因，比較了當(dāng)前提出的應(yīng)對(duì)方案，介紹了GOOSE報(bào)文傳送信號(hào)的特點(diǎn)以及GOOSE技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域傳輸二進(jìn)制布爾型數(shù)據(jù)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)出了基于GOOSE的防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)。并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成部分、依據(jù)原理、實(shí)現(xiàn)方式，可以有效解決傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)不能滿足煤礦礦井短路保護(hù)的選擇性的問(wèn)題，避免了越級(jí)跳閘，減少了安全隱患，一定程度上保障了煤礦的生產(chǎn)任務(wù)和礦工的人身安全。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]