基于分布式区域保护技术的煤矿变电所无人值守系统设计

张建锋

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

本设计采用分布式区域保护技术着重解决目前煤矿供电自动化系统存在的保护定值不能连续可调，上下级保护无法配合，造成越级跳闸情况的问题，实现变电所的无人值守。通过对发生越级跳闸的主要原因的研究分析，提出了一种煤矿井下变电所无人值守控制系统。该系统实现综合保护装置间故障信息极速传递，闭锁非故障线路开关，及时准确切断故障开关，实现防越级跳闸保护。同时，系统集测量、保护、控制、通讯、管理功能于一体，实现变电所“六遥”控制功能，协助调度运行人员进行电力系统的调整、指挥和操作，从而实现电网安全可靠运行，在减员增效基础上进一步减轻工作人员劳动强度，在安全生产的基础上提高矿井的自动化水平和运营管理水平。

1 发生越级跳闸的主要原因

按三段式保护理论，短路保护保护到线路全长的80%，带时延的过流保护作为后备保护保护到下级变电所的开关以下。而煤矿电网都是短线路，线路前端电路短路和线路末端短路，开关感受到的短路电流基本上一样，造成上下级变电所短路保护无法进行配合，这样，就造成下级变电所的线路短路，上下级短路保护都启动，造成越级跳闸的发生。对于这种情况，城市配电网的做法是第一级开关的速断保护不投入，而采用过流保护通过延时时间进行上下级过流保护的配合。而在煤矿，35 kV 变电站或110 kV 变电站由集团供电公司管理，而只有下级和下下级6/10 kV 变电所才由矿上管理，无法实现速断保护退出，而采用过流保护靠时间级差进行配合的办法。这也是造成越级跳闸的原因。

2 分布式区域保护原理

本设计采用分布式区域保护原理。分布式区域保护的基本思想为：使各级保护建立信号联系。当任何一级保护在检测到短路故障时，迅速发出闭锁信号，闭锁其上一级保护，以将故障锁定在最小跳闸范围内。当断路器失灵时，上级保护可快速动作，母线故障可实现快速跳闸。区域保护适用于分支较多的配电网，解决保护时间级差无法配合问题。

分布式区域保护采用突变量作为启动判据，动作灵敏。现以图1为例，对保护动作性能进行分析。

图1 分布式区域保护正常动作

假设出线1发生相间短路，记时刻t0=0。进线和出线保护均感知故障电流，突变量启动判据成立，发出区域保护信号，耗时5 ms，记t1=5 ms。区域保护联络信号传送到对侧耗时约10 ms，记t2=15 ms。进线保护在速断出口前，收到出线1的故障联络信号，关闭跳闸出口。由于出线1保护没有收到任何联络信号，在t3=35 ms 时刻速断保护出口，切除故障线路。故障切除后，撤除向进线发送的联络信号。

分布式区域保护还对出现较频繁的6/10 kV 断路器拒动情况进行了考虑。目前6/10 kV 真空断路器跳闸时间50～60 ms，考虑可靠切除短路电流等因素，动作于跳闸的保护，在发出跳闸命令110 ms 后如果故障电流仍未消失，则认为是断路器拒动，保护器主动撤除上送的联络信号。收到联络信号的保护，则启动一个285 ms（160+110+15）的联络信号自动解除计时，作为后备保护。如图2所示。

图2 断路器失灵分布式区域保护

3 分布式区域保护性能分析

采用网络化基因拓扑算法，利用开关间自主交换故障信息进行协商的形式，自主判断故障区段，实现全网零秒速断，以达到防越级跳闸的目的，系统具有级联纵差保护、母差保护、三段式过流保护和零延时智能后备保护等防越级跳闸保护功能，电力系统采用多点式部署级联纵差保护器，全方位构建电力参数专用网络的信息快速交互，精准确定电力故障发生的地址段，精准快速地对目标地址段的故障开关进行切断，以避免越级跳闸。

4 系统组成

煤矿变电所无人值守系统由远程监控、传输网络、现场控制三部分组成。远程监控部分主要由SCADA监控软件、云数据中心、监控客户端及配套外设组成；传输网络部分采用工业以太网+现场总线的方式实现；现场控制部分主要由多协议网关、高低压智能综合保护器等组成。整个系统采用分层分布式结构，分为间隔层、网络层、管理层。各配电室保护装置及智能仪表等为间隔层，负责全站数据采集、控制命令的执行、调节命令执行等；各配电室通讯管理屏及光纤环网、网络转接设备为网络层，负责全站信息的整合、传输以及上级命令的传达；调度中心各设备构成了管理层，主要负责信息的集总、分析，人机对话，各控制命令、调节命令的下发等。整个系统结构清晰、权责分明，可以安全、可靠完成供电监控系统的6遥任务，进而实现各个配电室的无人值守运行。系统架构如图3所示。

图3 变电所无人值守系统架构

变电所无人值守系统的现场控制层由电压电流互感器、矿用综合保护装置、矿用多协议网关等构成，承担全系统数字化采集、接收和执行控制指令；传输网络层由交换机组建的工业以太环网构成，实现地面调度监控中心与高低压综合保护装置实时通讯；远程监控层由调度中心、地面监控主机等构成，实现系统设备的远程监控及维护。

矿用多协议网关和开关智能综合保护单元间采用RS485通信，开关设备的电力参数由矿用多协议网关通过井下光纤环网交换机传输到地面煤矿供电监控系统后台。电力监控中心可对变电所设备实施远程控制，电力监控系统后台能够以OPC 方式，将数据传输到全矿井综合自动化平台，实现数据共享和网络发布。

5 系统设计

5.1 地面集控中心

主要由电力监控主机和系统软件组成，硬件包括：1台电力监控主机、1台电力监控备机、GPS 受时器、打印机、音响等设备；地面电力中心站采用国产化操作系统平台，用Visual Graph 进行设计，采集变电所监控开关数据，具备动态闭锁联动，透明化管控展示。监控中心站通过环网设备与多协议网关实现高低压开关数据的实施动态监控，并可以通过授权网络进行访问监控，配合移动终端实现电力监控信息的分级推送及分级管控，实现对煤矿电网监控及电力设备管控的全生命周期管理。

电力监控中心站对井下各变电所的开关进行远程监测、控制、遥测和遥调，并为煤矿智能化相关的系统或平台预留需要接入的数据点，通过系统的导航项目实时动态显示电力监控的运行参数、状态的画面、报警提示、视频联动弹窗及完整的无人化监控数据需求。总览图如图4所示。

图4 人机总览交互

5.2 现场设备配置

在变电所内部安装矿用隔爆兼本安型多协议网关，将变电所内高、低压开关的综合保护器以RS485方式接入矿用多协议网关。矿用隔爆兼本安型多协议网关对开关数据进行预处理将数据分级，通过工业以太环网上传到地面电力监控系统中心站。将变电所内部开关高压综合保护装置利用高速总线互连，变电所的高低压开关通过综合保护装置与就近的环网设备实现互联互通，构建故障信息高速传输网络，实现防越级跳闸保护功能。在变电所内部安装矿用本安型摄像仪，接入就近工业以太网交换机可以实现变电所远程视频监视功能。在变电所内部安装井下巡检机器人，可沿变电所巡检路线铺设的吊挂轨道巡检，具备自动行走、自主定位、烟雾和温度感知、音视频监测、环境参数监测等功能，替代人工实现变电所智能化巡检。为了保障系统的可靠性，配置的多协议网关应具备双机热备功能，变电所设计2台多协议网关，配置2台KDG3K 断电器、2台本安电源，用于网关与综保之间的通信线路切换。

6 系统功能

本系统建成后，实现在地面监控中心对所有变电所保护器数据采集和远程控制，在调度室能看到所有实时数据；具备对高低压开关进行全方位监测，能够实现故障点多方位预警等功能，实现煤矿变电所电力无人化监控。对全矿井的高低压开关实现遥测、遥信、遥控、遥调、遥脉、遥视。不仅实现了减员增效，还能对电网进行故障自动定位、自动判断故障区段、自动给出恢复供电预案、并具备一键式快速恢复供电功能（批量遥控）、电能计量，为精细管理、节能减排打基础；还能对电网及电能质量进行分析，充分掌握电网运行规律。提高煤矿信息化、智能化管理水平，减少机电管理部门电力故障处理工作量，缩短电力故障引起的停电时间，实现井下变电所无人值守或少人值守。

7 结术语

在煤矿变电所无人值守系统设计过程中，结合分布式区域保护的性能分析，通过此思想设计的变电所无人值守系统在现场的实际运行表明，有效解决了越级跳闸情况和漏电保护无选择性情况的发生。该系统设计合理，运行稳定、可靠，对变电所供电系统起到了安全保障的作用，实现了煤矿变电所的无人值守和煤矿企业的减员增效，对今后的煤矿供电系统的设计具有一定的指导意义。