基于数字化防越级跳闸系统的漏电选线方法

黄曼青 于成功 李 峰

南京磐能电力科技股份有限公司

为了提高矿井电网单相接地漏电选线的准确性，基于数字化防越级跳闸系统，本文探讨了基于信息融合技术的综合选线方法，研究了综合选线法在数字化防越级跳闸系统的实现问题，结果表明：基于数字化防越级跳闸系统的利用信息融合技术的综合选线法有效提高了漏电选线的准确性。

漏电是煤矿井下电网的主要故障形式之一，约占其总故障的70%左右，漏电保护是煤矿井下供电保护中的重点。设置选择完善的选择性漏电保护，采取切实可行、实施有效的漏电保护措施，可以缩短漏电的停电范围、减少电网触电以及造成的危害，大大提高井下供电系统的安全性和可靠性。

漏电是煤矿井下电网的主要故障形式之一，约占其总故障的70%左右，漏电保护是煤矿井下供电保护中的重点。设置选择完善的选择性漏电保护，采取切实可行、实施有效的漏电保护措施，可以缩短漏电的停电范围、减少电网触电以及造成的危害，大大提高井下供电系统的安全性和可靠性。

理论和实践表明，没有一种漏电选线方法能保证对所有的故障类型都有效，每种漏电选线方法都有其各自的使用范围和局限性。当一个故障特征具备该漏电选线方法的适用条件时，该选线方法一定可做出正确的判断；当适用条件不满足时，该选线方法的结果可能正确或不正确。因此仅依靠一种选线方法不能充分的做出正确的判断。在这样现实状况下，利用信息融合技术综合利用现有各种原理，充分发挥其各自优势，相互补充的选线方法成为选线装置的发展趋势。在地面6kV～66kV 中低压配电系统中，当发生小电流接地故障时，利用信息融合技术的综合选线法已较为成熟的运用。而在矿井供电系统中，井下中央变电所供电系统为同电压等级多级层的网状结构，当发生漏电故障时，整个电网都会有故障特征，这与地面中低压配电系统同电压等级单层级结构有所不同，则利用信息融合技术的综合选线法的运用也会有所不同，目前，有关矿井电网综合选线法的研究与应用尚处于起步阶段。

基于以上背景，南京磐能电力科技股份有限公司在深入研究基于信息融合技术的综合选线法的基础上，应用当代计算机测控技术的新理念和新方法，开发了一种基于DMP5000 煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统平台的可通信的、具有智能快速选择性的漏电保护系统，实现了快速的漏电保护，确保了矿井的安全经济运行和矿井工作人员的安全。

1 基于信息融合技术的综合选线方法介绍

现有选择性漏电保护系统按照选线时利用信号方式的不同可分为被动式选线和主动式选线。被动式选线主要利用漏电接地故障时产生的电压、电流信号信息进行选线。其中基于故障稳态信息的选线方法有：零序电流群体比幅比相法、零序有功电流分量法、五次谐波法、零序导纳法等；基于故障暂态信息的选线方法有：首半波法、基于小波变换的暂态零序电流比较法等；同时利用故障稳态和暂态信息的选线方法有能量法等。主动式选线方法需向电网附加注入信号，目前常用的主动式选线方法主要包括信号注入法、残流增量法和消弧线圈并联中值电阻法等几种。由于硬件条件和理论研究的限制，基于暂态理论的选线方法基本都处于理论研究和软件仿真阶段，实际应用中多为基于故障稳稳态量的选线方法。

信息融合技术是对多源信息的获取、传输与处理的基本方法，是关于如何协同利用多源信息，以获得对同一事物或目标更客观、更本质的综合信息处理技术。在信息处理过程中信息融合技术的基本功能包括：相关、估计和识别。融合信息有三种基本融合类型，即数据层融合、特征层融合和决策层融合。常用的人工智能信息融合理论有：粗糙集理论、模糊集理论、人工神经网络、证据理论等。在信息融合中最主要的前提条件是确定各选线方法的适用范围（即有效域），其中模糊集理论、证据理论等理论在选线方法的融合中使用的各种选线方法的有效域只是简单利用专家经验给定的，缺乏严密的分析推导过程。而粗糙集理论则能够离散化处理故障样本集中的电压电流信信号，挖掘数据和发现知识，采用决策表，确定各选线方法的有效性，最终决策出发生故障的线路。

综合选线法的指导思想为：1）建立复合判据以全面反映故障特征。复合判据选取实际中应用较多较为成熟且适用于各种接地系统的数种选线判据，包括利用稳态和暂态信息等；2）当矿井电网发生单相漏电故障以后，采取原始故障信息，根据选线判据所选取的选线原理从原始故障数据中提取相应的故障特征量；3）根据故障特征量综合分析，给出综合判据。整个过程不需要先验知识和工作人员的干预，只需采集到原始故障数据就可给出选线结果。

为了能够全面反映漏电故障特征，基于上述综合选线法的指导思想，基于DMP5000 数字式变电站系统平台的漏电保护系统保护方案选取零序稳态基波比幅比相法、零序五次谐波法、零序有功电流分量法、零序导纳法和能量法，运用粗糙集理论融合各选线方法决策构成综合判据。

为了全面反映故障特征，基于上述指导思想，基于DMP5000 数字式变电站系统平台的漏电保护系统保护方案选取零序稳态基波比幅比相法、零序五次谐波法、零序有功电流分量法、零序导纳法和能量法，运用粗糙集理论融合各选线方法决策构成综合判据。

2 DMP5000 煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统平台的介绍

DMP5000 煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统采用分层采集、集中控制的架构体系，实现煤矿井下供电系统中各供电设备间信息互享和互操作，网络架构由过程层、间隔层和站控层3 个层次构成，如图1 所示。过程层与间隔层之间采用高速光纤通讯，站控层采用百兆/千兆自适应的工业光纤以太网接入，通过高速光纤通讯网络，能将精确到纳秒级同步采样的井下各开关的电压电流开关量等数据实时上送至保护主机，即所有电压、电流的采集和一次设备的操作就地实现，数据在矿用隔爆型光传输接口汇总并在网络上实时发布，全系统保护信息共享，因此解决了井下出线多，线路复杂，保护不能整体配合的问题。系统配置一个全局同步装置——GPS 时钟服务器，由数据传输网络实现同步控制，同时采用独创的链路补偿技术，保证数据同步传输不受传输距离的影响，所以所有矿用智能保护器采集到的运行数据采样时刻完全一致。系统采样速率为12800 点/秒，满足了保护、控制和测量仪表对数据采样速率要求。

3 综合选线法的实现

由上文介绍可以发现，基于粗糙集理论的综合选线法是最为有效，且适用于中性点不接地系统、中性点经预调式（或随调式）消弧线圈接地系统，综合选线的步骤为：

1）采集原始故障数据。当发生漏电故障后，由过程层设备矿用智能保护器实时采集每条出线的零序电流和零序电压，由于系统配置全局GPS 同步时钟服务器，故能保证矿用智能保护器采集到的运行数据采样时刻完全一致，能准确地还原发生漏电故障以后的故障特征。

2）提取故障特征量。矿用智能保护器采集实时故障特征以后经过高速光纤传输到间隔层保护主机，在保护主机中根据选线判据从采集到的原始信号中提取基波分量、五次谐波分量、有功分量、导纳分量和能量分量。

3）计算故障测度。根据每个判据的特征量定量，判断故障选线的可靠性，即是计算故障测度，再通过融合决策模块，决策出故障线路。在间隔层保护主机中根据原始信号中提取基波分量、五次谐波分量、有功分量、导纳分量和能量分量计算各选线方法的故障测度。

4）利用粗糙集理论将故障特征的故障测度融合，实现故障选线。将故障测度通过工业以太网上送到站控层的保护主机，由保护主机根据粗糙集理论的融合选线算法实现故障选线。

基于粗糙集理论的融合选下系统的框图如图2 所示。

站控层的保护主机根据粗糙集理论的融合选线算法实现故障选线，其中基于粗糙集理论的融合选线算法步骤为：

1）将故障测度作为原始数据，并将原始数据划分为训练样本和测试样本。

2）将每种故障特征的故障测度转化成故障选线信息系统的属性。

3）构建决策表。决策表由条件属性和决策属性根据故障特征数据分布的特点按照等频率划分的方法离散化构建的。

图2 融合选线系统结构框图

图3 基于粗糙集的融合选线过程框图

4）根据相容性原理对决策表检查，删除不相容和重复的部分。

5）根据决策表，进行简化，构造选线决策规则。并可利用工业运行数据，验证决策模型的正确性。

基于粗糙集理论的融合选线算法过程如图3 所示。

由于全站数据共享，保护、监控、计量一体化，满足基于粗糙集理论的融合选线算法对系统硬件和软件的要求，解决了目前单一选择性选线方法都有一定的适用范围及局限性的缺点，真正实现了矿井供电系统快速的漏电选择性保护，确保了矿井的安全经济运行和矿井工作人员的安全。基于DMP5000 煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统的漏电保护系统装置的小批量产品曾在多家矿井投入工业试验与应用，得到用户的广泛认可与好评。

4 结语

结合DMP5000 煤矿井下供电数字化防越级跳闸保护系统的特点，针对目前单一选择性选线方法都有一定的适用范围及局限性的问题，南京磐能电力科技股份有限公司开发了一套基于该保护系统平台的可通信的、具有智能快速选择性的漏电保护系统，该系统保护原理简单、自适应性强，不仅可以用于中性点不接地系统、同时也可以用于中性点经预调式（或随调式）消弧线圈接地系统，真正实现了快速的漏电选择性保护，确保了矿井的安全经济运行和矿井工作人员的安全。