一种矿山供电防越级跳闸综合保护系统应用研究

一种矿山供电防越级跳闸综合保护系统应用研究

梁铁铸

中钢石家庄工程设计研究院有限公司河北石家庄

摘要：基于目前矿山供电系统普遍存在的“越级跳闸”现状，为了提高供电的可靠性，实现供电系统的遥信、遥测、遥控和遥调功能，实现安装主配电室的集成保护测控主机内实现危险场所的分、合操作、矿区变电所无人值守创造条件，本文以某铁矿供电防越级跳闸保护系统作为应用研究对象，简述了解决供电系统“越级跳闸”问题的一种解决方案[1]。

关键词：矿山；越级跳闸；综合保护

1.系统概述

矿山供电防越级跳闸保护系统基于最新的全站网络数据共享的数字化变电站技术，运用最新大容量处理技术和纳秒级同步采样专利技术，采用高速光纤通信网络的光纤差动保护模块取代传统速断过流保护作为线路的主保护，配置双重化保护，实现漏电保护集中选线功能及全站故障录波功能，来彻底解决矿山供电系统广泛存在的越级跳闸问题，提高矿山供电可靠性。

该矿山供电防越级跳闸保护系统基于最新的全站网络数据共享的数字化变电站技术，运用最新大容量处理技术和纳秒级同步采样专利技术，采用高速光纤通信网络的光纤差动保护模块取代传统速断过流保护作为线路的主保护，配置双重化保护，实现漏电保护集中选线功能及全站故障录波功能，来彻底解决煤矿供电系统广泛存在的越级跳闸问题，提高矿山供电可靠性。

矿山供电防越级跳闸保护系统基于最新的全站网络数据共享的数字化变电站技术，运用最新大容量处理技术和纳秒级同步采样专利技术，采用高速光纤通信网络的光纤差动保护模块取代传统速断过流保护作为线路的主保护，配置双重化保护，实现漏电保护集中选线功能及全站故障录波功能，来彻底解决煤矿供电系统广泛存在的越级跳闸问题，提高矿山供电可靠性。

它采用分层采集、集中控制的架构体系，将模拟量、开关量的信息采集和信息的计算、逻辑判断分层实现。

该系统实质上就是数字化变电站自动化系统的一种特殊应用，其具备数字化变电站系统所有的优势：系统采用IEC61850标准，能实现变电站内智能电气设备间信息互享和互操作；全站同步、数据共享大大简化现场接线，实现以整个变电站作为考虑对象的保护控制等功能成为可能；二次设备网络化，通信网络取代复杂的控制电缆，消除电缆带来的电磁干扰、传输过电压及两点接地等问题；采用电子式互感器，解决传统互感器CT饱和影响差动保护、CT断线导致高压危险、铁磁谐振等固有问题；便于变电站新增功能和扩展规模，新增功能时只需在原有设备上运行带有高级应用的软件，无需硬件投资；扩展规模时只需在通讯网络上接入新增设备，不需要更换或改造原有设备。该系统对变电站系统模型、二次功能模型进行描述，对应用于通信技术进行分层处理，由过程层、间隔层、站控层三个层次构成，其架构图如图1.1所示。

图1.1系统构成图

1）过程层

由矿用智能保护器、矿用隔爆型光传输接口及互感器等构成，是承担全站数字化采集、接收和执行控制指令，将一次设备接入过程层总线的底层部件设备。为了提高过程层通信的可靠性，过程层设备矿用智能保护器通过双重化光纤以太网、GPS同步对时网与双重化配置的集成保护测控装置、集成电能计量装置相联接。

2）间隔层

由集成保护测控装置、集成电度计量装置及工业以太网络构成，其中集成保护测控装置采用双重化配置，提高了系统的可靠性，大大降低了由于保护装置故障导致的保护拒动的可能性。每一套集成保护测控装置都可以完成全站所有设备的继电保护功能，如主变、线路及母线保护等，同时完成测控功能。

集成保护测控主机通过双重化光纤以太网从过程层获取模拟量和开关量信息，经过数字滤波、保护算法、逻辑判断和相关的电气联锁，发出相应的控制命令。它不仅集成了变电站所有的传统保护、测控功能，且实现各种高端保护（如线路差动保护、母线保护等）、自动控制等功能，可自由配置，达到无缝链接。同时实现变电站内各电气设备间的信息共享和相互控制，保护、测控、计量功能相对独立，分时运行。既保证保护功能的选择性、快速性，又保证测量、计量的精度要求[2]。

3）站控层

由远动主机、当地监控及工业以太网络构成。站控层设备通讯基于工业以太网通信，通过规约转换器可以方便地将第三方的保护或智能装置。

2.系统主要构成部分

2.1矿用智能保护器

矿用智能保护器及显示板如图2.2所示，矿用智能保护器由PT（100V）供电，并且配备储能电容（可以选配备用电源），在失去工作电源的情况下能继续工作，确保失压保护可靠动作。就地实现测控功能，并能在地面的保护主机实现遥测、遥信、遥控及防误操作等，遥测、遥信数据实时刷新，在地面100%地完成井下高爆的分、合操作。在地面集成保护测控主机上即可查阅、修改矿用智能保护器就地保护定值；保护定值采用标准文件输出，能使用U盘方便的拷贝、下载定值。

图2.2矿用智能保护器

矿用智能保护器能具有完善的保护功能，光纤网络通讯正常时该保护功能不启用，由位于地面的集成保护测控主机实现全系统保护功能；光纤网络通讯完全中断时，智能终端自动启动三段式电流保护（速断、限时速断、定时过流）；反时限过流保护；二段零序电流保护（漏电）；三段式低电压保护；三段式过电压保护；零序过电压保护；负序过流保护；电缆绝缘监视；非电量保护（瓦斯闭锁，风电闭锁）等就地保护功能[3]。

2.2矿用隔爆型光传输接口

矿用隔爆型光传输接口如图2.3所示，安装于井下采区变电所内，通过矿用阻燃光缆和矿用智能保护器通讯。矿用隔爆型光传输接口由采区变电所供电（127V），配备储能电容盒，在失去工作电源的情况下能继续工作。

图2.3矿用隔爆型光传输接口

装置主要功能是将矿用智能保护器上送的数据合并打包后通过光纤以太网送往地面控制中心的集成保护测控装置；接受集成保护测控装置下发的控制命令并转发给相应的矿用智能保护器；接受GPS时间服务器通过光纤下发的同步采样信号控制矿用智能保护器进行全站同步采样，同步精度达到纳秒级（），有效的保证差动保护数据的同时性。

2.3集成保护测控主机

集成保护测控装置如图2.4所示，其安装于地面控制中心的保护屏上，接收光传输接口上送的数据进行保护逻辑运算，通过配置保护软件模块实现各种保护、测控功能。集成保护测控主机配置军品级高速、低功耗CPU，运用最新的超大规模FPGA和多DSP内核并行处理技术，运算能力强大，单台装置的运算能力相当于200余台传统微机保护，具有“海量”存储器，能保存多达4096条故障记录，记忆32次全站故障录波。

图2.4集成保护测控装置

2.4GPS时钟服务器

GPS时钟服务器安装于地面控制中心的综合屏上，按照每周波256点采样的要求发出同步采样信号，通过点对点光纤网络发给光传输接口再转发给矿用智能保护器，实现全站的高精度同步采样，为实现线路纵差、母线差动等跨间隔保护提供了必要的条件[4]。

3.系统特色

该系统实质上就是数字化变电站自动化系统的一种特殊应用，除具备数字化变电站所有的优点外，其具有其独特的优势。

1）基于最新的基于全站网络数据共享的数字化变电站技术，运用高速光纤通讯和纳秒级同步采样专利技术，将精确同步采样的井下各高爆的电流、电压数据上送安装于地面控制中心的集成保护测控装置。集成保护测控装置上配置差动保护模块取代传统速断过流保护作为线路的主保护，差动保护范围固定，实现全系统零时限全线速动，从而彻底解决煤矿供电系统长期存在的“越级跳闸”问题，提高了矿井下供电可靠性。

2）保护实现双重化配置

光纤通讯网络、矿用隔爆型光传输接口和集成保护测控主机均实现双重化配置，一统系统故障时不影响另一套系统的可靠运行。大大提高了保护的可靠性。

3）实现煤矿漏电保护集中选线功能

采用光纤传输技术，将井下各高爆开关零序电流、零序电压数据传送至地面集成保护测控装置，实现全站数据共享，解决了原漏电保护中各支路只能根据自身支路情况进行判断、而不能与其它支路及上级支路进行比较判断的缺陷，同时也解决了抗干扰能力差、传输速率慢及数据处理速度慢的问题。

4）极大提高系统漏电保护性能

由于本系统保护主机实现了高速数据传输和高速大容量计算，已经将井下漏电保护所需的零序电流、零序电压数据传输至地面集成保护测控装置，可方便地进行电流型漏电保护和功率方向型电流保护的计算，并且还可以实现其他漏电保护方法的计算。

5）全系统故障录波

实现全系统数百个模拟量通道和开关量的故障录波，录波通道数大大超过专用故障录波器；支持高达20次谐波分析，提高了故障分析的准确性；保护主机采用“海量”存储器，能保存多达4096条故障记录，记忆最新32套故障波形。

6）全站同步

取消了单独对时网络的架构，满足全站数据同步采样的要求，同步精度达到纳秒级。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。

7）灵活的扩展功能

方便的实现其它采区变电所的防越级跳闸，如其它采区变电所要实现防越级跳闸，只需要增加矿用智能保护器和光缆即可实现，其它任何设备都不需要增加；亦可实现与低压系统无缝连接。

参考文献：

[1]煤矿数字化防越级跳闸系统的应用[J].李志国.山西焦煤科技.2016（09）

[2]电力监控及防越级跳闸系统技术研究[J].贾丽伟.煤炭科技.2017（01）

[3]基于速断闭锁的煤矿高压供电系统防越级跳闸技术研究[J].张维振，李忠奎.煤矿现代化.2017（04）

[4]防越级跳闸在煤矿供电系统的应用分析[J].杨照飞.能源与节能.2015（05）