煤矿供电系统防越级跳闸技术及其应用研究

董旭光

（霍州煤电集团有限责任公司 供电分公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

煤炭资源在我国能源结构体系中占据重要地位，随着人们生活水平的提升和社会经济的快速发展，对煤炭资源的需求量日益增多，要求的煤炭开采效率也越来越高。煤矿供电系统是所有设备正常运行的重要基础和前提，供电系统运行的稳定性和可靠性直接影响煤矿的生产效率和安全。然而越大型的煤矿，供电系统越庞杂，存在很多分支，不可避免地会出现各类故障问题，尤其是出现越级跳闸现象，波及影响范围会非常大，严重影响煤矿的安全高效生产。本文以晋北煤业为研究对象，基于GOOSE技术设计了该矿供电系统防越级跳闸系统，保障煤矿供电系统运行可靠性。

1 煤矿供电系统概况

晋北煤业供电系统如图1所示。由图可知，为了确保煤矿供电系统的可靠性，由两路110 kV进线同时为煤矿进行供电，任何一路电源出现故障问题，另外一路电源能为煤矿正常供电。在矿区地面建设有110/10 kV变电所，对矿区所有负荷进行供电。除地面变电所以外，还设置有井下中央变电所和采区变电所。为了保证电路运行的安全性，供电系统设置了多级电路短路保护装置，一旦供电系统中某个分支出现了故障问题，保护装置可以对该线路进行切断处理，确保其他供电电路正常工作。然而晋北煤业在工程实践中经常出现越级跳闸现象，对煤矿供电系统的运行稳定性和可靠性构成了一定的威胁。

图1 煤矿供电系统Fig.1 Coal mine power supply system

2 防越级跳闸技术方案及原理

2.1 防越级跳闸系统整体设计

基于GOOSE技术设计晋北煤业供电系统防越级跳闸系统，整体结构如图2所示。

由图2可知，防越级跳闸系统采用分层分布式光纤环网结构设计，系统整体上划分成为3个层级，分别为管理层、网络层和间隔层。间隔层主要是地面线路保护装置以及井下综合保护装置，可以对煤矿供电系统的运行状态信息进行实时采集；网络层主要是地面GOOSE交换机和井下隔爆GOOSE交换机，作用是快速收集保护装置采集得到的数据信息；管理层主要包括监控分站、通讯管理机以及调度中心等，作用是对采集数据进行快速分析处理，并对保护装置进行控制，保证各保护装置动作的精确性，防止出现越级跳闸现象。

图2 防越级跳闸系统整体结构Fig.2 Overall structure of anti-override tripping system

2.2 GOOSE通讯故障定位原理

利用集中参数模型对矿井电力系统网络进行等效处理，煤矿供电系统的等效模型如图3所示。假设整个供电网络有N条线路，当第i条线路出现故障问题时，对应线路接地，连续电流会出现降低现象，引发单相接地故障，图中的等效模型可以视为等效连续网格。线路闭合后，等效电流可以等效成为中性点接地系统。出现线路故障问题后，在健全线上流过的电流会引发对地电压，此时等效模型电路中连续电流总和即为供电线路中电容电流的总量。

图3 煤矿供电系统等效模型Fig.3 Equivalent model of coal mine power supply system

由于矿井供电系统比较复杂，存在很多分支，对故障线路进行准确定位存在很大难度。如图4所示为供电系统的示意图，图中HBrk表示具备GOOSE通讯功能的中转站，也是系统上传下达的信息联络点。假若K4点出现了故障问题，通过HBrk10和HBrk12能快速判断线路中出现了故障问题，但难以准确定位故障问题。HBrk08和HBrk11基于故障判别信息能获得对应的故障代码，实现电气闭锁。通过HBrk02可以实现线路故障K4的准确定位。实际应用中，适当增加闭锁时间能确保系统更加准确地判断故障位置。

图4 供电系统示意Fig.4 Diagram of power supply system

3 保护装置主要硬件设计

保护装置为复杂的系统结构，内部包含有很多硬件设施，比如交流电源模块、通信模块、存储拓展模块、I/O接口模块等。以下对重点模块进行介绍。

3.1 处理器选型设计

本系统基于power PC+FGPGA方案对数据进行分析处理，其中前者为主处理器，负责数据采样与处理、人机互动、算法设置、通信、故障解决等多方面的工作，后者主要是对模拟量信号进行分析与处理。

主处理器选用的芯片型号为MPC8313E，具有很高的集成度，支持多种应用和外设设备，正常工作时的频率可以达到333 MHz，芯片内设置有2个物理存储区，内存大小可以达到1 GB，且能够实现独立寻址，大大简化系统程序设计，该芯片在工业领域应用广泛，效果良好。

FGPGA处理器选用的芯片型号为XC6SLX9，芯片总成本较低，运行稳定可靠。芯片同时集成有DDR、DDR2、DDR3和LPDDR存储区控制模块，数据传输速度最大可以达到800 Mb/s。RAM采用分布式结构设计，拥有9 152个逻辑门，完全能满足晋北煤业防越级跳闸系统的计算需求。

3.2 电源模块

选用的电源模块型号为PT（AC 1100V），三相电压分为2个轨道，实现不同的功能。其中一个轨道的作用是对保护装置中所有的硬件设施进行供电，不同硬件设施对供电电压的要求存在差异，系统中共有3.3、5、12、24 V四种供电电压，利用该模块可以输出上述4种电压；另一个轨道的作用是实现模拟量信号的取样工作，可以利用A/D转换模块将模拟量信号转换成为数字量信号，然后输入到FGPGA处理器中。电源模块具有储电功能，一旦外部电源出现问题，可通过存储的电能对其进行供电，保障系统的正常运行。

3.3 通信模块

此次系统设计工业以太网通信和RS485/232通信，前者主要设计负责站点之间数据信息的交互，后者主要负责交换主机连接和服务端输入端的连接。工业以太网通信芯片选用的是LXT971A，具有最高100 MB/s的数据通信速度。RS485/232通信芯片的型号为TL16C554A，为了确保数据通信的安全和可靠，使用HCPLL06611对接口进行光电隔离，避免外部对数据传输过程造成干扰。

4 防越级跳闸技术应用效果分析

将设计的防越级跳闸技术方案部署到晋北煤业供电系统工程实践中，经调试后正式投入使用，为了保证装置接受GOOSE报文的可靠性，经现场调试后将等待下级装置闭锁信号时间设置为20 ms，在整个供电系统中共使用了120台基于GOOSE技术的保护装置。防越级跳闸系统在晋北煤业供电系统中的应用时间超过6个月，在此期间共出现4次短路故障问题，均没有出现越级跳闸现象。

5 结 语

以晋北煤业供电系统为对象，对越级跳闸现象进行研究，设计了防越级跳闸系统，并将其部署到工程实践中。实践表明，设计的防越级跳闸系统应用效果良好，应用6个月内没有出现越级跳闸现象，验证了防越级跳闸技术的有效性，为供电系统的稳定可靠运行奠定了坚实的基础，为煤矿创造了良好的经济效益和安全效益。