基于GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用*

張彬彬

(西山煤電集團有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053)

0 引 言

煤炭資源作為我國重要的化石能源，其在我國能源消耗中占比超過6成，在我國一次能源消耗中占據(jù)7成以上的比重，因此煤炭資源將長期處于絕對領(lǐng)導(dǎo)地位。礦井供電系統(tǒng)作為礦井生產(chǎn)重要的保障系統(tǒng)，其穩(wěn)定運行對于礦井生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義，供電系統(tǒng)供電不穩(wěn)定造成煤礦停電，對礦井開采有較大的影響，同時由于停電造成機械設(shè)備的急停，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命，因此礦井供電的穩(wěn)定性研究十分重要。

礦井供電系統(tǒng)越級跳閘主要是指電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)由保護整定優(yōu)先跳閘的斷路器來切除故障，但因故由其他斷路器跳閘來切除故障。越級跳閘事故是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要故障，越級跳閘使采掘工作面大幅度停工，嚴(yán)重影響礦井開采生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。筆者基于前人對防越級跳閘系統(tǒng)的研究，通過對防越級跳閘技術(shù)進行分析應(yīng)用，得出礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘設(shè)計方案，旨在為后續(xù)礦井供電系統(tǒng)設(shè)計及供電穩(wěn)定性提供相關(guān)有意義的參考[1]。

1 越級跳閘原因

1.1 供電系統(tǒng)失穩(wěn)

供電系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象會造成系統(tǒng)發(fā)生越級跳閘事故，在供電系統(tǒng)中，由于用電設(shè)備功率逐步加大，且礦井工況環(huán)境較為惡劣，使礦井供電系統(tǒng)常常會由于井下大功率機電設(shè)備數(shù)量較多,引起礦井供電系統(tǒng)失穩(wěn)情況，如欠壓、失壓三相不平衡等，失穩(wěn)會造成保護裝置的聯(lián)鎖控制開關(guān)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致分線路出現(xiàn)短路問題，使保護裝置開關(guān)無法正常工作，發(fā)生供電系統(tǒng)越級跳閘事故。

1.2 礦井開關(guān)配置問題

隨著礦井生產(chǎn)能力日益加大，井下機械設(shè)備功率及數(shù)量不斷增加，造成礦井設(shè)備供電系統(tǒng)電負(fù)荷不斷加大，由于井下供電系統(tǒng)高壓隔爆裝置未能按照設(shè)計要求進行合理布置，部分高壓開關(guān)更新不及時等，使得系統(tǒng)中開關(guān)發(fā)生故障的幾率增大，供電質(zhì)量及供電安全有所降低，此時會造成供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路，而高壓隔爆開關(guān)的響應(yīng)速度慢于支路其他開關(guān)，出現(xiàn)越級跳閘事故。

1.3 電路速斷方式落后

在礦井供電系統(tǒng)中保護電路的上下級保護差為0.5 s，在實際工作過程中為了保證故障線路檢查速度，會采用0時差上下級速斷保護方式，通過采用此方法可提升電流的導(dǎo)電能力，但對導(dǎo)電材料性能要求有所增加，礦井在提升上下級速斷時間的同時未提升導(dǎo)電材料性能，所以此時會造成越級跳閘事故。

1.4 整定方法不當(dāng)

我國大部分煤礦進行井下短路保護整定計算，計算時采用最大負(fù)荷電流的方法，此時計算值會小于短路電流整定計算數(shù)值，所以供電系統(tǒng)一旦發(fā)生短路，此時沿線會立刻發(fā)出保護命令 ，從而發(fā)生越級跳閘事故。

1.5 漏電保護裝置不合理

礦井高壓供電網(wǎng)中必須對單相接地電容進行相應(yīng)限制，同時保證電流不高于20 A，但在礦井實際生產(chǎn)過程中，由于供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，使工作過程中的電氣干擾和高次諧波對系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，此時會造成系統(tǒng)漏電保護系統(tǒng)功能性有所降低，從而造成越級跳閘現(xiàn)象。

2 防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

在防越級跳閘系統(tǒng)構(gòu)造中，GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛。GOOSE 系統(tǒng)是以IEC61850為主要服務(wù)模式，P2P (Peer-to-Peer)為基礎(chǔ)通信，創(chuàng)造了快速、高效的通信措施，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)娜魏瓮ㄐ啪芤詮V播方式傳送到以太網(wǎng)，操作人員可以獲得需要的信息。系統(tǒng)采用分層分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分為間隔層、網(wǎng)絡(luò)層、管理層，防越級跳閘系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防越級跳閘系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在間隔時間內(nèi)對小型終端-體化保護，在變電站之間的間隔期內(nèi)得到地面下運行臺站的保護，這些分臺站連接著GOOSE變壓器和GOOS交換機，從而提供了一個光纖通信網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)，通信部門和地面下電力監(jiān)測的分臺站通過光纖網(wǎng)絡(luò)，該地區(qū)通信和地面能源控制部，通過網(wǎng)絡(luò)將信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)接泄饫w電纜的地方控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由有線和無線通信、礦用隔爆電力監(jiān)測的分電站和移動控制中心管理。

2.2 處理器選擇

對防越級跳閘系統(tǒng)的處理器進行選型，選用powerPC+FGPGA模塊，powerPC處理器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)取樣、數(shù)據(jù)處理、地面故障解決、時間管理、人機交互、故障頻率存儲等功能；而 FPGA 能夠完成模擬量的采樣和處理。主處理器選用MPC8313E芯片，處理器的工作頻率可以達(dá)到333 MHz,具有高度集成性，同時能夠支持外部設(shè)備連接，能夠大幅度簡化設(shè)計，提高開放效率，具有十分優(yōu)越的應(yīng)用效果。FPGA主要用于模擬量采樣及處理，選用Spartan-6 FPGA系列的XC6SLX9處理器。其在總成本方面、性價比、功耗平衡方面具有較強的優(yōu)越性[2]。

2.3 電源選擇

系統(tǒng)電源選擇PT (AC 1 100 V)，其中三相電壓分兩個軌道，分別在電磁分離后取樣，通過A/D 轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號，后發(fā)送于FPGA，此時另一軌道為系統(tǒng)全部的方面進行能量補給，補給電壓為24 V、12 V、5 V、3.3 V。

2.4 交換機選擇

系統(tǒng)的A/D交換機作為交換模型的核心，內(nèi)部使用MAX125芯片。MAX125芯片是具有高速度8通道的交換裝置，是防越級跳閘系統(tǒng)典型通信渠道，設(shè)備內(nèi)部配備了雙極±5伏電源，在工作取樣范圍內(nèi)。誤差為0.008 %，信號轉(zhuǎn)換速度為3 μg。同時MAX125芯片平行數(shù)據(jù)接口與大部分16位/32位處理器和數(shù)字信號處理器兼容，無需等待轉(zhuǎn)化時間。

2.5 模塊設(shè)定

開關(guān)量輸入輸出模主要是為用于交換輸入信號(風(fēng)、瓦)。同時為了有效保障交換信號可靠性，在中央處理交換流量采用防止技術(shù)，通過采用TL 2521接口電路的無源光學(xué)輸入通道(PC)和光柵(PC)以及CPU端口和干預(yù)信號塊之間的電絕緣。

2.6 通訊模塊設(shè)計

防越級跳閘系統(tǒng)的通訊模塊采用以太網(wǎng)通信結(jié)合RS485/232完成，其中以太網(wǎng)的工作任務(wù)主要是對發(fā)送、接收信息，同時能夠補充主要站點的交換信息，RS485/232主要用于交換主機連接及服務(wù)輸入端口。以太網(wǎng)的通信基礎(chǔ)芯片選用LXT971A，其能夠自適應(yīng)傳輸接收信號，同時以太網(wǎng)實現(xiàn)信號的快速對等，當(dāng)以太網(wǎng)發(fā)出信號時，此時通過相加過濾器進行信號傳送，電路信號轉(zhuǎn)換為兼容電平面，系統(tǒng)接收到信號時，對信號進行級別轉(zhuǎn)換，再通過交叉電路將其轉(zhuǎn)換成能所需電平的電磁感應(yīng)信號。通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

人機交互模塊是人與設(shè)備互動模塊，顯示器選擇為LCD 128*64的顯示屏幕。顯示器通過非加密鍵盤及低信號掃描進行操作，后通過設(shè)計的軟件進行判斷鍵值，從而得到相應(yīng)的鍵調(diào)節(jié)步驟。顯示器可以顯示文字及圖形信號、同時顯示編輯程序，具有較好的優(yōu)越性。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)應(yīng)用界面圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)示意圖

所設(shè)計的防越級跳閘系統(tǒng)應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)接地會對接地故障的判別進行干擾，同時保護裝置能夠準(zhǔn)確判斷、定位，但設(shè)備須良好接地。所以設(shè)備接地對設(shè)備可靠運行至關(guān)重要。同時在小電流接地選線會干擾影響接地故障識別，產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重會造成死機[3]。

系統(tǒng)運行6個月中，統(tǒng)計發(fā)生4次短路故障。其中越級跳閘1次，剩余均正常動作，越級跳閘是由于通信導(dǎo)致問題出現(xiàn)，根據(jù)事件記錄，發(fā)現(xiàn)GOOSE通信存在不穩(wěn)定情況，從而引發(fā)越級跳閘。所以后續(xù)對通信網(wǎng)絡(luò)、通信接口等進行設(shè)置，有效消除通信不穩(wěn)定的情況，避免越級故障再次發(fā)生。

4 結(jié) 語

對礦井越級跳閘產(chǎn)生的原因進行分析，給出了供電系統(tǒng)失穩(wěn)、開關(guān)不合理、電路速斷方式落后、整定方法不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致越級跳閘事故發(fā)生的原因，并基于GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了防越級跳閘系統(tǒng)，分別對系統(tǒng)處理器、電壓模塊、輸入輸出模塊、通訊網(wǎng)絡(luò)、人機界面等硬件選型進行分析，給出了整套防越級跳閘系統(tǒng)，并通過應(yīng)用找出越級跳閘系統(tǒng)存在的問題并進行整修，為解決供電系統(tǒng)越級跳閘事故做出參考。