基于煤矿数字化集成保护的防越级系统研究

李德臣

北京昊华能源股份有限公司红庆梁煤矿

引言

煤矿电网线路短，系统运行方式差异大，常常造成短路越级跳闸[1-2]。矿井工作环境的恶劣，矿井电网以中性点经消弧线圈接地运行方式为主，且下井线路经过多级变电所，导致矿井电网接地（漏电）保护无选择性跳闸成为普遍现象。目前，广泛使用的传统型继电保护装置，不能解决煤矿越级跳闸问题，常导致大面积停电甚至造成局部瓦斯超限，影响安全的严重后果。随着煤矿数字化自动化的发展，数字光纤通信网络逐步应用在煤矿井下，本文提出了一种新的基于煤矿数字化集成保护的放越级系统，能够解决煤矿电网存在的各种越级跳闸问题。

1 基于煤矿数字化集成保护的防越级系统

数字化变电站采用高速以太网通信传输个设备发送或接受的标准化数字化信息，实现各设备的信息共享和互操作[3-4]，并根据网络数据，实现保护控制、测量监视、信息管理等自动化功能。

本系统中数字式变电站均基于IEC61850架构，能实现变电站内智能电子装置IED间信息互享和互操作。煤矿数字变电站采用分层采集、集中控制的体系架构，基于IEC61850标准，采用以太网通信技术，将模拟量的采集计算、开关量逻辑判断分层实现。各一次电气设备的开关量、模拟量数据就地采集，按协议规定的报文格式打包，通过光纤网络送往集成保护测控装置；保护测控装置安综合全站信息实现测控保护、自动装置功能，并进行功能模块化设置，如设置线路三段式电流保护模块、线路差动保护模块、母线保护模块等。各功能相对独立、分时运行，在使用时仅需要进行软件配置，既能保证保护的快速性、选择性、可靠性、安全性，又能保证计量的高精度。

煤矿数字化变电站自动化系统由过程层、间隔层、站控层3个层次构成，架构如图1所示。

图1 煤矿数字化供电系统

间隔层设备主要为合并保护器，主要实现以下功能：接收来自电子互感器的电流、电压数字量，合并后通过光纤通道上送至交换服务器，并实现电子互感器的激光功能；对于采用小信号输出的电子互感器或传统互感器，合并单元实现模拟量的数字化采集，通过光纤通道上送至交换服务器；接收交换服务器编码下发的同步采样信号，实现全站的模拟量同步采样；实现开关量采集并上送至交换服务器；实现和数字电表的通讯，提供计量电流、电压数据；可配备操作板，接收集成保护测控装置通过交换服务器下发的跳闸命令实现保护出口。为进一步提高保护功能的可靠性，合并单元在和交换服务器的通讯中断后，可以提供三段式过流保护功能。

间隔层的主要设备为集成保护测控装置，其通过以太网与服务器接收全站模拟量采样数据和开入量，并可根据要求灵活配置保护测控、自动装置软件模块，单台即能实现全站的所有保护测控、自动装置功能。站控层设有GPS时钟，当地监控主机，工程师主机等。

2 防越级跳闸原理

1）采用光纤差动保护解决馈线故障导致的“越级跳闸”

基于数字化变电站系统的点对点光纤通讯网络，实现在保护主机内全站数据共享，将线路的主保护三段式式电流保护升级为线路差动保护，保护配置示意图如图2所示。由于采用光纤网络通信，且保护功能软件模块化，因此可进行母线差动保护的扩展，弥补了传统线路差动保护的不足。由于差动保护的动作区是由CT位置确定，与保护定值无关[5]。当采区变电站任一出线故障，光纤差动保护无差动电流时，光纤差动保护能可靠不误动；均由馈出线高爆速断保护动作切除故障，确保不出现“越级跳闸”。

2）定值和时限均可整定的失压保护解决失压保护导致的“越级跳闸”

设置低压保护的定值和时限均可整定，重要的馈出线路设置较长的失压保护延时，以躲开故障时引起的母线电压降低，那些不重要的线路可设置较短的失压保护延时，这样可以保证重要馈线的供电，避免越级跳闸。

3）全站数据共享解决漏电保护无选择性

采用光纤以太网通信，实现了全站数据信息共享，解决了传统漏电保护系统中保护原理切换困难、漏电保护支路零序电流判据不充分、抗干扰能力差的问题。基于全站零序电压，零序电流的综合处理，彻底解决单支路漏电保护横向选择准确性和可靠性、选择性问题。

3 系统特点

在一次间隔就地设置合并保护器，通过光纤网络实现激光功能和与电子式互感器的通讯，并将合并后的数据按IEC61850规定的协议通过光纤口上送到交换服务器。同时在110kV及以下变电站把传统式的电压、电流互感器更换为电子式电压、电流互感器，也可在传统的断路器、主变、电压、电流互感器等间隔就地设置具有相关接口的合并保护器装置，实施测控。同时保留针对10kV配电系统采用满足IEC60444-7、IEC60444-8标准的低功率电子式互感器的接口。

每个合并保护器装置配置两个独立的光纤网，通过光纤传输至交换服务器，交换服务器将汇总后的全站数据信息，送至集成保护测控装置及电能计量装置，从而实现全站保护、测量、控控及电能计量等功能。

本系统完全区别于现有的数字化变电站：全站的各种保护功能、自动控制功能集成在集成保护测控装置上实现，将IEC61850标准的GOOSE网、SV网、GPS同步网三网合一，集成在同一对光纤通道（双重化）上实现。本系统不仅集成了变电站所有的传统保护、测控功能，而且可实现各种高端保护（如广域保护、线路纵差保护、母线保护以及各种启动条件等）完善原有的继电保护方案，并且功能可自由配置，从而达到各种功能的无缝连接。同时，实现了变电站内各电气设备间的信息共享和互操作，保护、测控、计量功能相对独立，分时运行。既能保证保护功能的快速性、选择性、可靠性，又保证了测量、计量的精度要求。

为了提高系统的可靠性，保护配置采用双重化，有效降低了因保护装置故障引起保护拒动的可能性。集成保护测控装置综合了供电系统所有间隔对象的故障数据，对故障进行快速定位，可靠切除故障。

数字化变电站系统采用光纤通讯网进行数据传输，彻底解决了二次接线复杂，易受干扰，电缆长的问题。

4 结语

针对煤矿电网存在的越级跳闸问题，本文提出了基于煤矿数字化集成保护的防越级系统，在煤矿数字化变电站中，通过采用光纤差动保护、定值和时限均可整定的失压保护与全站信息共享技术解决了短路越级、漏电保护无选择等越级跳闸问题。并在文章最后介绍了系统特点。

[1]彭国文，唐文海. 6kV煤矿配电系统保护防越级跳闸解决方案[J]. 煤矿机械，2011，11：211-213.

[2]孟惠霞，胡满红. 煤矿井下短路越级跳闸的故障分析[J]. 煤矿机械，2009，(02)：223-224.

[3]王海吉，王书强，刘海波，魏树立，杨秀英. 基于IEC61850标准开发数字变电站可编程的IED[J].继电器，2008，03：37-41.

[4]王灿，吴菲菲. IEC61850数字变电站综合自动化系统[J]. 华中电力，2011，01：6-10.

[5]卢喜山，张祖涛，李卫涛. 煤矿供电系统基于纵联差动保护原理的防越级跳闸技术研究[J].煤矿机械，2011，(04)：71-73.