防越級跳閘及供電監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

劉建強

（陜西華電榆橫煤電有限責任公司小紀汗煤礦，陜西 榆林 719000）

小紀汗煤礦隸屬陜西華電榆橫煤電有限責任公司，為榆橫礦區(qū)第一個千萬噸級現(xiàn)代化礦井。該礦首采2號、4-2號煤層，為低瓦斯礦井。由于礦井雙回路供電系統(tǒng)存在線路長、分級多及阻抗小等問題，且沿用傳統(tǒng)繼電保護，當線路出現(xiàn)短路故障時，引起多級開關同時動作，導致越級跳閘事故的發(fā)生，影響非故障區(qū)域設備的正常供電及排水、通風系統(tǒng)的正常運行[1-3]。為提高礦井供電系統(tǒng)的自動化、信息化及智能化，實現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠運行，杜絕“越級跳閘”事故的發(fā)生，小紀汗煤礦研發(fā)集供電監(jiān)控與防越級跳閘于一體的電力保護系統(tǒng)，對保證礦井供電安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 防越級跳閘系統(tǒng)原理

礦井配電網(wǎng)絡系統(tǒng)設計采用多級保護裝置，如下級配電系統(tǒng)發(fā)生故障，則會觸發(fā)本級配電系統(tǒng)的保護裝置，當確定配電系統(tǒng)電流定值達到本級動作定值時，立即向上級配電系統(tǒng)發(fā)出閉鎖保護信號，上級保護接到信號后，閉鎖本級速斷保護；如下級出現(xiàn)開關跳閘，閉鎖信號自動消失，上級保護利用30～900 ms（可整定）對閉鎖信號進行判斷，確定無閉鎖信號后自行解除，實現(xiàn)即使在下級開關出現(xiàn)拒動，上級保護也能在最小延遲的情況下動作。

防越級跳閘系統(tǒng)工作原理如圖1所示。根據(jù)圖1，如采區(qū)變電所配電網(wǎng)絡D2點出現(xiàn)短路，所在線路的DL-D1保護啟動，并將信息傳送至采區(qū)變電所通信服務器，服務器通過保護通信將故障位置等信息傳送至進線保護DL-D0，DL-D0通過保護通信逐級將信息傳送至DL-C1、DL-C0及DL-B1等上級保護。采區(qū)變電所進線保護DL-D0處理故障后出口跳閘，而上級保護DL-D0保持后備狀態(tài)且與DL-D1保持通信，當DL-D1跳閘成功，則DL-D0及其上級保護全部釋放返回；如DL-D1未能成功跳閘，出現(xiàn)開關拒動等情況，則上級DL-D0進入出口跳閘程序，并向上級DL-C1保護傳送故障信息，防止出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象。

圖1 防越級跳閘系統(tǒng)工作原理

2 電力監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結構

電力監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示，該系統(tǒng)由監(jiān)控通信網(wǎng)絡、設備層及控制層組成。

圖2 電力監(jiān)控系統(tǒng)結構

2.2 電力監(jiān)控中心

（1）監(jiān)控中心架構

監(jiān)控中心位于監(jiān)控系統(tǒng)的控制層，主要由兩臺數(shù)據(jù)服務器、兩臺電力監(jiān)控操作站及一套GPS對時裝置組成。

（2）設備用途

數(shù)據(jù)服務器采用雙機熱備用工作方式，安裝一套實時數(shù)據(jù)庫軟件用于實時數(shù)據(jù)、信息的存儲及處理。另安裝一套商用軟件用于歷史數(shù)據(jù)、信息的存儲及處理；監(jiān)控操作站用于操作監(jiān)控系統(tǒng)軟件；GPS對時裝置實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡時間與實時同步。

（3）擴展應用

基于現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)配置，根據(jù)應用需求，可擴展安裝廣播通信系統(tǒng)、Web服務及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡

電力監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡呈多種拓撲結構，可接入獨立組網(wǎng)、以太網(wǎng)等方式，此次采用獨立組網(wǎng)方式。通訊網(wǎng)絡設置如圖2所示，電力監(jiān)控中心安裝一臺核心交換機，核心交換機下設兩個網(wǎng)絡交換機，分別安裝在板橋風機變電所、西彭風機變電所。兩網(wǎng)絡交換機下設各監(jiān)控分站，安裝在各采區(qū)變電所。監(jiān)控分站采用CanBus現(xiàn)場總線收集保護裝置信息、系統(tǒng)數(shù)據(jù)及監(jiān)控信息，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口接入兩變電所安裝的網(wǎng)絡交換機，然后接入核心交換機，形成通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能及特點

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)具備遙調(diào)、遙控等功能，實現(xiàn)井下各級變電所無人值守。具有聯(lián)動閉鎖、預置、編組及單臺等多種遙控操作方式，對井下供電回路各級開關編排成組、遠控操作，同時可設置應急操作預案，當系統(tǒng)出現(xiàn)停風時，則立即切斷該系統(tǒng)的動力電源，實現(xiàn)風電閉鎖。

（2）電力監(jiān)控操作站主機提供集控操作、供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)曲線圖、故障預報預警及遙控閉鎖等功能，現(xiàn)場人員利用操作站查詢數(shù)據(jù)記錄、評估系統(tǒng)狀況、發(fā)現(xiàn)及處理事故。同時，為降低安全風險，現(xiàn)場人員可選擇是否啟動遙控操作。

（3）統(tǒng)計操作、次數(shù)、運行及分類報表，自動生成下限值、上限值、累計值并進行分類匯總，顯示不同時段的各類圖表、數(shù)據(jù)及曲線，同時具備機電管理的各項功能。當井下電器保護裝置出現(xiàn)故障、定值變更等情況，地面監(jiān)控系統(tǒng)能及時報警。

（4）通過編程使送電流程程序化、規(guī)范化。通過對監(jiān)控系統(tǒng)進行編程，管控井下變電所開關恢復送電的順序，且根據(jù)具體情況可作修改及調(diào)整。

3.2 電力監(jiān)控系統(tǒng)運行特點

井下通訊網(wǎng)絡利用光纖進行點對點傳送，通過采區(qū)變電所交換機傳導數(shù)據(jù)及信息[4-5]，即交換機接收集成保護測控裝置信息后下發(fā)開關的分、合閘命令，控制開關的合閘及分閘；各智能終端傳送的數(shù)據(jù)通過核心交換機合并整理后，通過高速光纖傳送至地面電力監(jiān)控操作站，地面集成保護測控裝置接收相關數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)運算，之后通過核心交換機將結果反饋至智能終端，用以下發(fā)控制命令，實現(xiàn)保護跳閘。

電力監(jiān)控系統(tǒng)可在高壓線路不停電的情況下，通過操作臺鍵盤及鼠標調(diào)整保護定值；其他供電線路均可通過管理設備實現(xiàn)后臺運行。監(jiān)控系統(tǒng)可顯示各饋電線路母線的電壓、無功功率、有功功率、功率因數(shù)和各刀閘、高壓開關的狀態(tài)，且利用監(jiān)控系統(tǒng)遙控各高壓開關分、合閘。

4 應用效果

小紀汗煤礦供電系統(tǒng)自2021年2月采用該防越級跳閘及供電監(jiān)控系統(tǒng)后，礦井供電系統(tǒng)停電時間較2020年同期減少90%，未出現(xiàn)一起越級跳閘及相關事故；對井下電氣設備實現(xiàn)實時監(jiān)測、操作，減少故障處理時間及故障次數(shù)，保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠；實現(xiàn)井下各級變電所無人值守，每班減少人工投入21個，每工工資210元，則每年可節(jié)省勞務費約160萬。

5 結論

1）小紀汗煤礦通過應用防越級跳閘系統(tǒng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)下級與上級保護裝置聯(lián)動，通過判斷閉鎖信號動作或閉鎖上級電流速斷保護，切實達到防越級跳閘目的；2021年礦井停電時間較2020年同期減少90%，同時未出現(xiàn)一起大面積停電及人為誤操作引起的電氣設備故障，杜絕越級跳閘現(xiàn)象。

2）小紀汗煤礦通過應用供電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對供電線路及電氣設備參數(shù)實時監(jiān)測、操作，大幅度提高發(fā)現(xiàn)及處理故障的效率，改善供電系統(tǒng)的運行性能，同時每年節(jié)省人工費約160萬。

3）小紀汗煤礦成功運用防越級跳閘及供電監(jiān)控系統(tǒng)，可為其他沿用傳統(tǒng)繼電保護的礦井提供理論依據(jù)及實踐經(jīng)驗，具有一定的借鑒意義。