王向陽 梅 東

（平煤股份公司 八礦，河南 平頂山 467012）

0 引言

供電系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的基礎環(huán)節(jié)，在煤礦供電系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生以下故障情況，一是井下供電網(wǎng)絡中某臺開關發(fā)生短路故障時，上一級配有綜合保護裝置的高壓防爆開關不動作，而是直接引起地面35kV變電站高壓開關柜發(fā)生瞬動跳閘，造成井下高壓防爆開關失壓保護動作跳閘；二是井下供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時，由于綜合保護裝置不能準確的判斷出故障線路和故障點，造成井下高壓防爆開關誤動或拒動。井下電網(wǎng)越級跳閘可引起大面積停電，不但會影響正常生產(chǎn)還可能引起安全事故，為此，深入分析煤礦電網(wǎng)越級跳閘的原因并制訂相應的對策，對煤礦井下安全供電具有十分重要的意義。

1 工程現(xiàn)狀

目前，八礦井下電氣設備選用BGP型、PBG型高壓真空隔爆開關共273臺，選用KBZ系列普通型和智能型、BKD-400Z/1140 660隔爆真空智能型低壓饋電開關共329臺。其中高低壓設備共150臺無電動合閘，不具備智能保護功能，目前采用的智能保護大多是RS485通訊，通訊速率低。

本次自動化改造主要涉及井下四個變電所（二水平中央變電所、戊一采區(qū)變電所、戊一車房變電所、丁一下部變電所），并將原井下低壓電費計量系統(tǒng)接入，通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)井上井下變電站的一體化監(jiān)控功能。

2 建設目標

通過本次改造完成井下回路中實現(xiàn)防越級跳閘功能，滿足無人值守要求。建立地面監(jiān)控中心，按照煤礦運行要求對供電系統(tǒng)運行參數(shù)進行監(jiān)測、顯示、定時打印制表及與上級系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)井上、井下供電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控和遙調等功能，提高地面供電開關和井下高壓防爆開關保護動作的可靠性和靈敏性，解決線路越級跳閘、接地選線及開關柜溫度測量的問題，提高井下低壓供電系統(tǒng)饋電開關保護動作的可靠性和靈敏性，實現(xiàn)低壓供電系統(tǒng)的自動化控制。建立用電計量考核系統(tǒng)，使礦區(qū)管理層實時掌握全礦電能消耗及重要設備電能消耗，為節(jié)能降耗提供科學指導方案。

3 技術方案

計劃將井下四個變電所內(nèi)高壓保護裝置更換為支持GOOSE信息的智能保護裝置，在每個變電所增加一套通訊管理設備，借助原有的井上、井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，建立井下四個變電所的電力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對井上、井下改造后的供電系統(tǒng)一體化無縫監(jiān)控管理。

3.1 井下電網(wǎng)越級跳閘原因

井下電網(wǎng)越級跳閘原因分別為：（1）上下級開關繼電保護不配合；（2）失壓脫扣器先于過流保護動作；（3）保護裝置性能差造成越級跳閘；（4）漏電保護選擇性差造成越級跳閘。

3.2 系統(tǒng)針對井下電網(wǎng)越級跳閘的解決方案

本方案利用保護裝置之間端對端直接傳輸?shù)募夹g，即IEC61850的GOOSE技術實現(xiàn)保護測控設備之間的快速信息交換，利用下級變電站保護動作或饋出線保護動作信號快速閉鎖本線路保護的速斷保護功能，從而實現(xiàn)選擇性。

如下圖所示，考慮極限情況線路末端短路僅靠電流定值無法滿足選擇性，所有保護裝置在檢測到故障電流信號時均能啟動速斷保護，速斷保護啟動立刻向上一級發(fā)出閉鎖信號，同時檢測下一級是否有閉鎖信息發(fā)出，如果檢測到閉鎖信息則閉鎖速斷出口，閉鎖時間可以整定，一般與GOOSE閉鎖信息可靠傳輸時間及下級保護可靠跳閘時間進行配合。

圖1

如果由于某種原因通信線路出現(xiàn)故障，則不能保證下級的閉鎖信號可靠傳輸，此時本級保護裝置仍按原保護定值跳閘，避免事故擴大。

對于由于電壓波動、干擾、開關柜拒動等原因造成的越級跳閘，采取如下措施：

（1）保護裝置具備失壓延時跳閘功能，解決由于電壓波動引起的越級跳閘；

（2）采用工業(yè)級CPU芯片，提高井下保護的硬件水平和抗干擾性能，延長使用壽命，解決由于干擾引起的保護裝置誤動引起的越級跳閘。

（3）采用GOOSE通訊技術，解決由于機械故障開關拒動產(chǎn)生的越級跳閘。間隔層供電系統(tǒng)裝置能準確、迅速定位故障點，使無故障的線路能及時送電，故障開關送不上電，防止試送電引起二次事故。

3.3 系統(tǒng)設計

目前，八礦井上下已建成礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，本項目將在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)劃分一個VLAN專用通道，用于傳輸井下四個變電所的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)至后臺服務器。

整個電力監(jiān)控網(wǎng)絡采用分層分布式光纖以太網(wǎng)結構，分主站和分站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)設在地面電力集控中心，運行人員通過主站系統(tǒng)即可實現(xiàn)對井下變電站實時運行狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

各分站系統(tǒng)相互獨立，互不影響，自成一個子系統(tǒng)。各分站子系統(tǒng)通過現(xiàn)有光纖及新敷設光纖形成一個專網(wǎng)，各分站系統(tǒng)之間的專網(wǎng)支持IEC61850網(wǎng)絡，一方面把變電站監(jiān)控信息經(jīng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，另一方面在各保護繼電器之間傳送GOOSE信息，方便保護之間閉鎖信息和其它快速信息的交換。

3.4 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)采用高速光纖以太網(wǎng)結構分為三層，即間隔層供電系統(tǒng)、通訊管理層、地面監(jiān)控中心。地面監(jiān)控中心設在地面電力監(jiān)控調度。

間隔層供電系統(tǒng)主要包括變電所已配置的低壓第三方廠家保護裝置，本改造的高壓和低壓保護裝置，智能型燈光照明保護裝置。所有保護裝置負責采集各自線路的電流、電壓、有功、無功、開關位置信號等各種信息，將采集到的信息送至通訊管理機，再與地面監(jiān)控中心系統(tǒng)相聯(lián)。

通訊管理層是由變電所通訊管理機、交換機等通訊設備構成，通訊管理機接收間隔級各種智能設備所采集的信息，對各種信息進行處理后，上傳至地面監(jiān)控中心的監(jiān)控主機，并將監(jiān)控主機發(fā)出的各種下行命令，如遙控、遙調等，傳達至間隔層供電系統(tǒng)的智能設備進行控制。

地面監(jiān)控中心的操作員工作站是系統(tǒng)的顯示管理分析中心，完成系統(tǒng)的智能管理、報表打印、圖表顯示、數(shù)據(jù)庫管理等功能。

3.5 系統(tǒng)功能

電力監(jiān)控系統(tǒng)能對井上井下變電站正常運行和事故情況下的生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守功能。系統(tǒng)采用彩色液晶顯示，可定時自動報表打印或召換報表打印，越限和事故報警，事故推畫面、事件順序記錄與事故追憶，可進行數(shù)據(jù)采集與處理，完成站內(nèi)自動化控制功能，向調度傳送遠動信號與數(shù)據(jù)，接收調度遙控命令，以及其它一些運行管理功能。

3.5.1 電子掛牌

本系統(tǒng)可有效解決檢修和停電安保問題。設置檢修和停電時開關都必須掛電子牌，從而閉鎖送電，防止檢修時操作誤送電。

3.5.2 遙控檢測試驗

按照煤礦井下運行規(guī)程要求，定期將對各線路進行試驗，主要包括過流、漏電和絕緣試驗。

3.5.3 超限告警

本系統(tǒng)中高壓保護可提供溫度超限告警、過流超限告警等功能，可有效防止開關、變壓器等設備因高溫失火事故，為合理利用負荷提供判斷依據(jù)和安全保證。

3.5.4 電能管理

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有電能管理功能，能提供多種分時計費（尖、峰、平、谷）方案和費率的種類，能夠統(tǒng)計各回路每日、每月、每年的有功電度總值和無功電度總值。

3.5.5 系統(tǒng)失壓錄波

為方便分析系統(tǒng)電壓波動程度和原因，高壓保護在滿足以下兩個判據(jù)時會啟動錄波并自動上傳至監(jiān)控系統(tǒng)：1）系統(tǒng)電壓波動范圍⊿U超過設定值；2）開關自身欠壓和失壓保護動作，錄波時長將達到2s。

3.5.6 通訊處理

監(jiān)控系統(tǒng)首先處理各種不同規(guī)約的信息，發(fā)送和接收遙測、遙信、遙控、系統(tǒng)對時，配置信息的請求、應答、報文，將實時數(shù)據(jù)按相同的數(shù)據(jù)格式存入實時數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)其它模塊提供數(shù)據(jù)來源。

3.5.7 事件順序記錄與事故記憶

順序事件記錄包括所有報警信息，操作人員確認報警動作的有關信息，操作人員對斷路器所做的操作，各開關狀態(tài)的變位，系統(tǒng)通信信息，系統(tǒng)復位和重啟，保護裝置動作信號，控制操作及操作后狀態(tài)變化等信息。

3.5.8 開關操作與安全管理

系統(tǒng)對不同的使用人員分級授權，操作人員只能進行權限允許的操作。獲得權限的人員可在監(jiān)控計算機或工作站上執(zhí)行遙控分合閘操作，采用口令核對和操作返校以確保操作準確。

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有遠程控制功能，可以對具有電動功能的機構進行遙控操作，并記錄存儲遙控操作的相關信息。

系統(tǒng)具有防誤操作、互相閉鎖功能，當一分閘或合閘命令被發(fā)出時，聯(lián)鎖程序進行核查，然后確認此指令被執(zhí)行或被取消。

3.5.9 故障錄波和諧波分析功能

故障錄波功能可以顯示、打印帶時標的故障波形，供精確分析故障。

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有諧波監(jiān)測功能，能測量和顯示高次諧波分量。

3.5.10 在線遠程維護功能

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有在線遠程維護功能。通過遠程維護軟件經(jīng)授權可以在線進行畫面報表的在線編輯修改，前景數(shù)據(jù)的畫面報表的在線編輯修改，數(shù)據(jù)庫部分內(nèi)容的在線修改，部分運行參數(shù)及限額的在線設置、狀態(tài)修改，系統(tǒng)接線圖繪制、修改，設備參數(shù)修改，報警限值設置、修改，增加、刪除操作員，修改操作員密碼，報表格式設計、修改。

4 結語

本文針對煤礦井下越級跳閘進行了分析，概述了GOOSE報文在電力監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和傳輸過程，并結合平煤股份八礦電力監(jiān)控系統(tǒng)中GOOSE技術應用的案例，驗證了GOOSE報文的實時性、快速性和可靠性。有效的降低煤礦井下電網(wǎng)越級跳閘事故的發(fā)生，對提高煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的意義，對今后煤礦井下變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)GOOSE技術的進一步推廣應用具有參考價值。