煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)及其應(yīng)用研究

董旭光

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司 供電分公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)重要地位，隨著人們生活水平的提升和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對煤炭資源的需求量日益增多，要求的煤炭開采效率也越來越高。煤礦供電系統(tǒng)是所有設(shè)備正常運行的重要基礎(chǔ)和前提，供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性直接影響煤礦的生產(chǎn)效率和安全。然而越大型的煤礦，供電系統(tǒng)越龐雜，存在很多分支，不可避免地會出現(xiàn)各類故障問題，尤其是出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，波及影響范圍會非常大，嚴重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)。本文以晉北煤業(yè)為研究對象，基于GOOSE技術(shù)設(shè)計了該礦供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)，保障煤礦供電系統(tǒng)運行可靠性。

1 煤礦供電系統(tǒng)概況

晉北煤業(yè)供電系統(tǒng)如圖1所示。由圖可知，為了確保煤礦供電系統(tǒng)的可靠性，由兩路110 kV進線同時為煤礦進行供電，任何一路電源出現(xiàn)故障問題，另外一路電源能為煤礦正常供電。在礦區(qū)地面建設(shè)有110/10 kV變電所，對礦區(qū)所有負荷進行供電。除地面變電所以外，還設(shè)置有井下中央變電所和采區(qū)變電所。為了保證電路運行的安全性，供電系統(tǒng)設(shè)置了多級電路短路保護裝置，一旦供電系統(tǒng)中某個分支出現(xiàn)了故障問題，保護裝置可以對該線路進行切斷處理，確保其他供電電路正常工作。然而晉北煤業(yè)在工程實踐中經(jīng)常出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，對煤礦供電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成了一定的威脅。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)Fig.1 Coal mine power supply system

2 防越級跳閘技術(shù)方案及原理

2.1 防越級跳閘系統(tǒng)整體設(shè)計

基于GOOSE技術(shù)設(shè)計晉北煤業(yè)供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，防越級跳閘系統(tǒng)采用分層分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)整體上劃分成為3個層級，分別為管理層、網(wǎng)絡(luò)層和間隔層。間隔層主要是地面線路保護裝置以及井下綜合保護裝置，可以對煤礦供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息進行實時采集；網(wǎng)絡(luò)層主要是地面GOOSE交換機和井下隔爆GOOSE交換機，作用是快速收集保護裝置采集得到的數(shù)據(jù)信息；管理層主要包括監(jiān)控分站、通訊管理機以及調(diào)度中心等，作用是對采集數(shù)據(jù)進行快速分析處理，并對保護裝置進行控制，保證各保護裝置動作的精確性，防止出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象。

圖2 防越級跳閘系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of anti-override tripping system

2.2 GOOSE通訊故障定位原理

利用集中參數(shù)模型對礦井電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行等效處理，煤礦供電系統(tǒng)的等效模型如圖3所示。假設(shè)整個供電網(wǎng)絡(luò)有N條線路，當(dāng)?shù)趇條線路出現(xiàn)故障問題時，對應(yīng)線路接地，連續(xù)電流會出現(xiàn)降低現(xiàn)象，引發(fā)單相接地故障，圖中的等效模型可以視為等效連續(xù)網(wǎng)格。線路閉合后，等效電流可以等效成為中性點接地系統(tǒng)。出現(xiàn)線路故障問題后，在健全線上流過的電流會引發(fā)對地電壓，此時等效模型電路中連續(xù)電流總和即為供電線路中電容電流的總量。

圖3 煤礦供電系統(tǒng)等效模型Fig.3 Equivalent model of coal mine power supply system

由于礦井供電系統(tǒng)比較復(fù)雜，存在很多分支，對故障線路進行準確定位存在很大難度。如圖4所示為供電系統(tǒng)的示意圖，圖中HBrk表示具備GOOSE通訊功能的中轉(zhuǎn)站，也是系統(tǒng)上傳下達的信息聯(lián)絡(luò)點。假若K4點出現(xiàn)了故障問題，通過HBrk10和HBrk12能快速判斷線路中出現(xiàn)了故障問題，但難以準確定位故障問題。HBrk08和HBrk11基于故障判別信息能獲得對應(yīng)的故障代碼，實現(xiàn)電氣閉鎖。通過HBrk02可以實現(xiàn)線路故障K4的準確定位。實際應(yīng)用中，適當(dāng)增加閉鎖時間能確保系統(tǒng)更加準確地判斷故障位置。

圖4 供電系統(tǒng)示意Fig.4 Diagram of power supply system

3 保護裝置主要硬件設(shè)計

保護裝置為復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含有很多硬件設(shè)施，比如交流電源模塊、通信模塊、存儲拓展模塊、I/O接口模塊等。以下對重點模塊進行介紹。

3.1 處理器選型設(shè)計

本系統(tǒng)基于power PC+FGPGA方案對數(shù)據(jù)進行分析處理，其中前者為主處理器，負責(zé)數(shù)據(jù)采樣與處理、人機互動、算法設(shè)置、通信、故障解決等多方面的工作，后者主要是對模擬量信號進行分析與處理。

主處理器選用的芯片型號為MPC8313E，具有很高的集成度，支持多種應(yīng)用和外設(shè)設(shè)備，正常工作時的頻率可以達到333 MHz，芯片內(nèi)設(shè)置有2個物理存儲區(qū)，內(nèi)存大小可以達到1 GB，且能夠?qū)崿F(xiàn)獨立尋址，大大簡化系統(tǒng)程序設(shè)計，該芯片在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，效果良好。

FGPGA處理器選用的芯片型號為XC6SLX9，芯片總成本較低，運行穩(wěn)定可靠。芯片同時集成有DDR、DDR2、DDR3和LPDDR存儲區(qū)控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸速度最大可以達到800 Mb/s。RAM采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，擁有9 152個邏輯門，完全能滿足晉北煤業(yè)防越級跳閘系統(tǒng)的計算需求。

3.2 電源模塊

選用的電源模塊型號為PT（AC 1100V），三相電壓分為2個軌道，實現(xiàn)不同的功能。其中一個軌道的作用是對保護裝置中所有的硬件設(shè)施進行供電，不同硬件設(shè)施對供電電壓的要求存在差異，系統(tǒng)中共有3.3、5、12、24 V四種供電電壓，利用該模塊可以輸出上述4種電壓；另一個軌道的作用是實現(xiàn)模擬量信號的取樣工作，可以利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號，然后輸入到FGPGA處理器中。電源模塊具有儲電功能，一旦外部電源出現(xiàn)問題，可通過存儲的電能對其進行供電，保障系統(tǒng)的正常運行。

3.3 通信模塊

此次系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)以太網(wǎng)通信和RS485/232通信，前者主要設(shè)計負責(zé)站點之間數(shù)據(jù)信息的交互，后者主要負責(zé)交換主機連接和服務(wù)端輸入端的連接。工業(yè)以太網(wǎng)通信芯片選用的是LXT971A，具有最高100 MB/s的數(shù)據(jù)通信速度。RS485/232通信芯片的型號為TL16C554A，為了確保數(shù)據(jù)通信的安全和可靠，使用HCPLL06611對接口進行光電隔離，避免外部對數(shù)據(jù)傳輸過程造成干擾。

4 防越級跳閘技術(shù)應(yīng)用效果分析

將設(shè)計的防越級跳閘技術(shù)方案部署到晉北煤業(yè)供電系統(tǒng)工程實踐中，經(jīng)調(diào)試后正式投入使用，為了保證裝置接受GOOSE報文的可靠性，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后將等待下級裝置閉鎖信號時間設(shè)置為20 ms，在整個供電系統(tǒng)中共使用了120臺基于GOOSE技術(shù)的保護裝置。防越級跳閘系統(tǒng)在晉北煤業(yè)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用時間超過6個月，在此期間共出現(xiàn)4次短路故障問題，均沒有出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

以晉北煤業(yè)供電系統(tǒng)為對象，對越級跳閘現(xiàn)象進行研究，設(shè)計了防越級跳閘系統(tǒng)，并將其部署到工程實踐中。實踐表明，設(shè)計的防越級跳閘系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，應(yīng)用6個月內(nèi)沒有出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，驗證了防越級跳閘技術(shù)的有效性，為供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行奠定了堅實的基礎(chǔ)，為煤礦創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和安全效益。