摘要：煤矿供电安全是十分重要的，由于煤矿供电网络特殊结构，导致电网参数难整定，容易发生越级跳闸的问题。本文通过粗糙集理论故障识别技术和GOOSE防越级跳闸技术的研究，并结合高速同步采样技术和煤矿防爆技术，设计了煤矿井下电网防越级跳闸故障智能识别及防治系统，实现煤矿供电网络的防越级跳闸安全保护功能。该系统为煤矿越级跳闸问题提供了一种解决方案，为提高煤矿供电安全水平具有重要意义。
关键词：煤矿；井下电网；越级跳闸；故障识别；防治技术
1 引言
供电安全是煤矿安全生产的重要保障，煤矿作业环境很差，极易造成电缆绝缘破坏，从而导致相间短路和漏电事故的发生。煤矿供电电网具有其自身的特点，各级线路很短且分支多，导致保护整定值很难设定。当短路故障发生时，下级和上级之间的短路电流差别很小，导致上级保护装置误动作，造成越级跳闸事故的发生。随着电力电子技术、光纤通讯技术和电力监测技术的发展，数字化变电站技术已趋于成熟，在地面电力系统防越级跳闸方面已经取得成功运用。但由于煤矿井下供电网络与井上存在较大差异，无法直接将地面数字化变电站技术直接移植到井下，因此研究该技术应用于煤矿井下解决电网越级跳闸问题是十分必要的。
2 煤矿井下电网产生越级跳闸的主要原因
（1）煤矿井下用电设备比较集中,多为短距离供电，电缆产生的阻抗较小，造成供电线路的首末端的电流差较小,当线路中发生短路时，产生很大的短路电流，使得首末端的短路电流均达到电流速断保护条件。由于电力部门对保护时延有要求，不能单靠增加各级时延解决该问题，造成短路保护整定困难。（2）随着井下大功率设备不断增多，在没有相应保护措施的情况下，同时启动可能会造成瞬时的电压波动，如果电压在瞬间波动超过安全的范围，由于开关内的电压保护是瞬时的，必然会启动保护开关，直接引起大面积的越级跳闸；（3）煤矿用电高峰时，井下一些大功率、冲击性和非线性负荷的投入使用，不仅导致了电网功率因数降低、无功功率的快速变化、电压和电流波形畸变和大量谐波产生，电网中浪涌和谐波的干扰会直接影响矿井保护设备的工作状态，导致误动和精度下降等问题。
3 数字化变电站关键技术
3.1 光纤纵差保护技术
目前，煤矿井下监控系统大都采用电缆传输，电缆具有价格低、维护方便的特点。但是在电力监控系统中保护跳闸、闭锁等报文信息传输要求不能超过2ms，这就对煤矿监控通讯网络提出了很高的要求。光纤信息传输以其距离远、速率高、带宽大、抗干扰强等特点得到广泛的应用。将光纤通讯技术应用于煤矿电力监控系统中是十分必要的。光纤纵差保护就是基于光纤通讯技术发展而来的，该技术是通过对输电线路两端电流信息进行比较从而实现故障的准确判断。通过对线路两端电网电流的快速检测比较，若线路两端的向量和为0，则可判断该线路无故障。反之则可判断该线路故障，从而实现线路故障的准确判断和切除。
3.2 GOOSE报文传输机制
GOOSE报文是IEC61850里规定的一种标准通讯机制，用于快速实时信号的传输。电网正常工作时，节点以比较长的固定时间T0间隔发送报文信息，当电力监测系统某节点检测到线路故障时，节点立即停止固定间隔报文发送，并打包跳闸和闭锁指令GOOSE报文信息，以间隔很短的T1时间连续两次发送该指令信息，然后逐渐加大时间间隔T2，直到事件状态稳定，再恢复到固定时间T0间隔发送。GOOSE通讯的实时性一方面是由于其传输服务在应用层至表示层经编码后,不经网络层和传输层，直接映射到底层数据链路层和物理层；另一方面必须采用光纤网络通讯技术，以保证信息传输的实时性。
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3.3 同步采样技术
光纤纵差保护要进行线路两端电流信息的对比，需要精确快速同步采样才能保证数据判断的准确性，如果不同步，将导致错误数据判断造成开关误动。系统采用GPS时间同步技术，利用GPS时间同步服务器实现节点采集时间的同步。时间同步服务器获取卫星GPS标准时间，然后间隔固定时间将数据发送给各个节点设备，实现各个节点设备间隔校时，为了保证各个节点设备动作的准确性，必须要固定间隔一定时间要重复进行校时工作，从而确保各个设备时间的准确。
4 监控系统设计及应用
煤矿井下电网防越级跳闸故障识别及防治系统，主要由上位机监控软件、KJ186-F电力监控分站、KJ186-G矿用隔爆兼本安型隔离器、KJJ21矿用本安型网络交换机、KDW660/21B(A)矿用隔爆兼本安型直流稳压电源和智能综合保护器等设备组成。系统结构图如图2所示。系统采用粗糙集理论技术，实现电网就地故障诊断识别和选线控制。采用FPGA高速同步采样技术，保证了信号采集的实时性，能够捕捉故障暂态信号。采用GOOSE通信技术，实现防越级跳闸功能。采用组态软件架构设计上位机监控系统，具有丰富的接口，支持各种数据库和第三方平台软件。系统实现漏电、过流、失压、电缆绝缘下降故障和越级跳闸等电网故障的智能识别和故障预警。将智能综合保护器安装在高爆开关内，作为系统结构的末端，各保护器用网线经隔离器连接到监控分站，保护器起到本安和非本安隔离的作用，监控分站通过网络交换机连接到通信网络上，上位机监控软件实现各监控分站的统一管理。系统安装运行后，若同样在采区变电所某支路发生短路故障，该支路智能综合保护器将及时检测到短路电流信息，然后迅速实现本地故障支路的切断，时间可以达到几个毫秒，大大小于速断保护几十个毫秒的时间，不会使故障扩大化，也避免了长时间大电流对电气设备的损伤。另外，向监控分站发送GOOSE命令信息，监控主机控制其它支路的保护器也同时进行故障判断，通过判断可以区分出不是本支路的电气故障，从而闭锁保护器的断路操作，避免误断路的发生。
5 保护系统设计
数字变电站技术应用于煤矿防越级跳闸保护需要解决各节点保护同步采样问题、多分支供电线路纵差电流逻辑分析判断问题、需要解决通讯网络报文大量传输准确度的问题等。本文设计保护系统设备主要由电子互感器、智能断路器、光纤纵差保护器和监控主机等组成。监控主机用于管理各个节点保护器，保护器用于管理电子互感器和智能断路器设备。各个设备之间都通过光纤连接成光纤通讯网络，为了保障光纤通讯的可靠性，设计成光纤冗余环网结构，增加了网络通讯的可靠性。系统在线路两端装设型号规格相同的电子互感器和智能断路器，分别通过光纤接到光纤纵差保护器上。系统正常工作时，保护器通过光纤传输监控信息；当系统发生故障时，故障相邻位置的保护器将检测到故障电流信息发送到监控主机，主机控制保护器进行故障判断和选线。线路两端的电流分别为iA和iB，通过保护器计算iA和iB的向量和，若向量和为0，则本段线路工作正常，保护器控制智能断路器不动作，反之则控制断路器切除故障线路。
6 结束语
煤矿供电安全是十分重要的，由于煤矿供电网络特殊结构，各级间距离短，同级分支多，这样的结构与地面供电网络存在很大的差别，存在参数难整定，容易发生越级跳闸的情况。本文首先分析煤矿电网基本情况和越级跳闸产生的原因，然后通过粗糙集理论故障识别技术和GOOSE防越级跳闸技术的研究和应用，设计了煤矿井下电网防越级跳闸故障智能识别及防治系统。系统为煤矿越级跳闸问题提供了一种解决方案，为提高煤矿供电安全水平具有重要意义。
参考文献
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论文作者:吴含军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/6
标签：煤矿论文; 故障论文; 电网论文; 井下论文; 光纤论文; 技术论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第16期论文;