基于交换式以太网的井下供电保护装置研究

卫 琦

（山西煤炭运销集团锦瑞煤业有限公司， 山西 吕梁 033000）

引言

煤矿井下电网系统长期处于高尘、高湿的恶劣环境中，且工作时系统负荷波动极大，而井下电网系统为确保对不同区域设备的供电，常采用由许多短电缆构成的多级供电网络结构，各回路的电阻较小，当下级电路在工作中发生短路故障时，瞬时产生的电流极大，远超上一级保护装置的保护电流的整定值，造成上一级的电路保护装置发生跳闸。在整个电网系统中下级电路的短路电流越大就会造成更大范围内系统的跳闸事故，使煤矿井下发生大范围的停电事故，严重威胁煤矿井下的安全生产[1]。现有的煤矿井下供电系统保护装置在实际应用中，往往只能满足选择性的保护要求，并不能满足保护速动性的要求，且投资成本高、改造困难，无法实现大范围的推广，因此迫切需要开发新一代的井下供电系统保护装置，满足对井下供电系统的保护要求。

1 基于交换式以太网的井下供电保护装置结构组成

新的基于交换式以太网的井下供电保护装置需在现有的综保装置的基础上增加一个具有以太网通信接口的联锁装置，然后将整个电网内所设置的联锁装置利用以太网交换机相互连接[2]，其整体结构如图1所示。

该保护装置应用了基于整定数值的防越级跳闸保护原理，根据各分支线路短路时线路内电流的最大数值分别设定该电路的速断保护电流整定值，确保当井下供电系统的某个分支电路发生短路故障时，分支电路内的异常电流将超过其上级电路的保护整定值。上级电路的综保装置通过交换式以太网络进行信息传递并启动速断保护。

图1 基于交换式以太网的井下供电保护装置结构示意图

当井下供电系统发生故障时，因设置有整定电流保护，因此位于短路点的下级电路的综保装置是无法监测到故障电流的，位于短路点之上的各上级电路的综保装置，均可监测到短路时的异常电流，并控制开始，进行速断电流保护，这时故障电路的各上级电路上的联锁保护装置开始对系统的速断保护动作进行约10 ms的闭锁延时保护，并且会利用交换式以太网络向各上级电路上的联锁保护装置发出一个延时保护的信号，上级的联锁保护装置每接收到从下级分支电路上发生的一个延时保护的信号就会再对该支路进行10 ms的保护延时。便于精确的安排各级保护装置的延时保护时间。在延时保护启动时若故障线路上的保护装置在预定的延时的时间并没有接到下级联锁装置发出的延时保护信号，则在预定的延迟保护时间结束后即可解除分支电路的闭锁保护信号，接着便由该级电路开始进行速断保护跳闸动作。

该方案的优点在于不同级别的联锁保护装置均能够在监测到故障信号后延时10 ms开启速断保护，同时向上级各保护装置也发生延时信号，从而使各级保护装置能够故障情况设置动作时限。按此方案，能够在最短的时间内确定故障发生的电路，避免其他电路发生错误动作保护，造成大面积的停电事故，同时能在下级电路的综保装置启动的情况下由上级电路实施保护，全面提高了供电系统的安全性和稳定性。

2 联锁保护装置的设计

作为井下供电保护装置的核心单元，连锁保护装置主要用于对系统的速断保护进行延时闭锁、完成线路内的延时保护信号的检测、向上级线路发送连锁保护信号等。各连锁保护装置均可看做是交换式以太网络的节点，各连锁保护装置可通过以太网进行信息的交流和传递，根据所接受到的连锁保护信号确定速断保护所需的延时闭锁的时间。系统的联锁保护装置采用了PLC作为核心处理器[3]，并且与交换式以太网络控制器构成标准通信接口。系统在工作时的跳闸信号和速断保护信号分别通过跳闸信号输出电路和速断保护监测电路进行信息的传递。

联锁保护装置主要包括单片机、跳闸电路、外围设备电路、以太网接口电路等，单片机主要用于对闭锁延迟信号进行分析并发出联锁信号同时利用跳闸电路实现对断路器延时跳闸的控制。联锁保护装置的整体结构如图2所示。

图2 联锁保护装置结构示意图

3 交换以太网信息传递实时性分析及仿真

本供电保护装置的核心在于要求故障线路的速断保护在启动的10 ms以内进行闭锁保护信号的传递，因此该系统所采用的交换式以太网在信息传输时的最大延迟是否超过10 ms便成了决定该系统可靠性的关键。因此采用了OPNET网络仿真软件[4]对该系统在工作时的网络延时情况进行了仿真分析。该系统的网络结构由联锁保护装置及网络线构成，其模型如图3所示。

将该系统的仿真测试时间设置为100 h，仿真分析结果如图4、图5所示。

由图4可知，网络在长时间的运行中，各信号的传输流量平稳，能够很好地满足该控制系统联锁信息的传递。图5为随机抽取的2个IP地址网络节点到其他节点的信息传递的延时后延时波动情况的平均数值，其最大延时约为1 ms，且其波动非常小，信号传输稳定性非常高。以上分析结果表明，在系统中同时存在超过50个网络节点同时进行传输数据的条件下，该交换以太网系统在信息传递延时性及信息传递平稳性方面均表现出来非常高的稳定性，能够很好的满足该井下供电保护装置的要求。

图3 以太网仿真模型

图4 以太网两个节点的收发数据流量变化

图5 以太网两个节点之间信息延时情况

4 结论

对交换式以太网在信息传递时的及时性和稳定性进行的仿真分析结果表明：基于交换式以太网的井下供电该保护装置在实现对井下供电系统的保护方面具有极高的可靠性，为煤矿井下的安全、有序生产提供了强有力的保障。