煤矿高压变电所二次保护故障排查技术

王建盛，贺瑞峰

（山西省河曲县晋神沙坪煤业有限公司，山西 沂州 036500）

0 引 言

随着井下大型供电设施和用电设备的不断技术升级，矿井各级变电站对供电质量要求也越来越高，为了确保变电所的供电、用电安全可靠，稳定运行，通过设计优化，在建设过程中增加了多级保护装置，包括对供电线路、变压器、故障录波系统、母线保护等的保护，尤其是在引入智能化控制技术进行供电管理之后，对于设备检修维护和故障排查处理，也变得更加困难，需要进一步考虑二次保护对电网网络架构的实际影响。因此，在煤矿变电站满足生产用电负荷要求和供电安全的前提下，如何实现快捷、准确、灵敏地查找故障点，完成自动化监测和控制，对监控信息进行智能采集管理，值得深入探究和思考。

1 变电站多级架构组织分析

煤矿变电站内的所有二次设备均是相对于一级设备而言，以实现监测监控、测量、控制调节和保护接地等的辅助设备为主，即未直接参与生产用电的设备总称。作为供电系统的安全基础，是维护供电网络系统运行是否正常的核心单元，但基于供电站内二次设备的配置相对分散独立，缺乏高程度的信息共享，且可视化程度也较低，一旦发生突发故障，不能及时解决查找故障点，排除隐患，严重影响供电网络运行的稳定性和高效性，因此，需要深入剖析变电站内多级架构的结构情况[1]，通信架构拓扑图如图1所示。

图1 通信架构拓扑图Fig.1 Topology of communication architecture

图1中反映出，在二次保护系统中新增加了取样采集的环节，由于新的合并单元出现，加上出口端设置的智能终端，导致整个系统在运行中动作时间相比平时延长了7～10 ms，这也降低了指令传递过程的速动性和网络运行可靠性的有效时间，最终导致整个电网运行的动作延时。

此外，供电网络的信息环主要采用首尾相连、各节点相互对等的以千兆光纤为基础的以太网作为信号传输媒介，兼具传输、转发及过滤等功能。由于千兆光纤的传输速率快，传输时间多为12 us，单频传送信息多，最大字符帧长1 524字节，工作期间各条路径相对独立，当N-1路径出现故障时，其他设备仍然能够保持正常通信，具有良好的系统稳定性。

由于在纵向垂直结构上对二次保护实现了网络简化，同时减少横向网络间的交叉互联，极大地降低在工作中对于交换机的过度依赖性，与此同时，通过对保护装置的数量优化削减，系统单元的合并，以及智能终端设备的技术升级，利用整体性能的提高，从而带动整个二次设备保护装置的速动性效率提升，而且，将系统功能进行小型模块化的集成化管理，也将进一步优化供电网络系统结构[2]。二次系统通信图如图2所示。

图2 二次系统通信Fig.2 Communication diagram of secondary system

2 二次系统故障诊断分析

2.1 故障诊断结构类型分析

通过对二次保护系统的常见故障进行总结分析，归纳主要类型为对工作数据的错误处理，对工作指令的误判，执行逻辑的传输错误，以及一系列指令导致的保护装置误动作或拒动等故障，当合并单元采集信息出现误差，或是数据传输出现误差时，也会造成二次保护的误动作等[3]。通过对全年供电网络中主要二次保护装置发生事故的故障率、误动率，以及拒动率等进行统计分析，按照在标准条件的24 h内各种保护元件自行修复率为蓝本，以计算公式：1/（24/8 760）=365次/年，二次保护装置自修复率统计表见表1。

表1 二次保护装置自修复率统计Table 1 Self-repair rate statistics of secondary protection device

2.2 继电保护装备在线状态监测

一般情况下，煤矿变电站的二次保护装置是否运行正常，主要依靠辅助装置两侧端口延伸出的两个固定接电位，同一时段内分别采集到的信号值进行比较，若信号接收数值相等，则说明保护运行正常；若信号出现误差，则说明保护装置失效，处于不稳定状态。

此外，保护装置在运行过程中由于采集、接收、传输、反馈信息的过程是连续不断的，且信息量通常较大，不可能对每一组数据进行辅助装置的单一对比，既不科学，也不现实，因此，在实际操作中需要将保护装置采集数据与计算机终端主机相连，确保足量数据信息的存储满足需要，再由主机进行大数据比对分析，一旦确定数据信息的不匹配，将发出故障信号，确认二次保护的指令动作，从而完成数据信息的实时传输和连续性。

2.3 二次回路实时监测

利用矿用电缆实现变电站的二次回路的闭合接线，以及利用光纤对其回路实现在线监测，可通过与交换机共享的实时数据将二次回路接电过程中的故障率降到最低，实现自动保护。

2.4 离线状态故障诊断

由于监测终端与外接设备和二次保护装置之间的信息传输是通过无线网络实现信息数据互传分析的，当传输网络出现异常，诊断系统会通过监测到的网络信号的强弱自行判断是否发生离线故障，从而确定网络运行的有效性[4]。

3 故障定位排查技术

二次系统的故障分析主要由SCD文件完成对物理端口和虚拟回路的工作信息在线采集，将故障节点分为设备、光纤、板卡、端口等环节，并利用上述拓普网络图即时搜索到各回路之间节点上的故障异常信号，经过分类举证的方法及时反映各个链路状态，从而实现对物理节点的快速排查，通过数据算法模型可直观分析表达。，故障点分类举证表见表2。

表2 故障点分类举证表Table 2 Fault point classification proof table

4 结 语

通过对煤矿高压变电站内二次保护装置运行原理，系统架构的详细分析，阐述故障快速诊断技术的研究成果，通过通信架构拓扑图的描述，说明了供电网络信号传输过程存在的弊端和系统误动作风险概率，分析了在不同故障模式下，对变电站内二次保护装置起到影响作用的相关元件动作参数，配合故障定位排查技术的应用，快速准确查找供电系统故障源，确保系统稳定可靠运行，具有十分重要的实用价值。