張海龍

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030052)

越級跳閘的原因很多，按設備類型可分為兩種，一次設備缺陷引起的斷路器越級跳閘和二次設備缺陷引起的斷路器越級跳閘［1］。在礦井的繼電保護應用中，根據電流大小做保護判斷的技術，容易因機構動作時間長、定值整定誤差及保護線路距離短而發(fā)生越級跳閘事故，在越級跳閘后需要長時間的排查故障來恢復送電，防越級跳閘一直是困擾煤礦供電維護人員及繼電保護工作者的難題，工程界涌現(xiàn)出了不少新的原理及新的解決手段，如集中保護、光纖縱聯(lián)差動保護等多種技術，本文分析了這些技術的優(yōu)缺點，并闡述了優(yōu)化的智能解決方案，以解決二次設備的越級跳閘問題。

1 幾種保護技術的比較分析

1)集中式保護技術。

在20 世紀80 年代，為了解決一個系統(tǒng)多個保護動作配合的問題，曾出現(xiàn)了一種集中式保護技術，集中式保護通過在保護安裝處安裝傳感器測量電流、電壓等信息，采集斷路器、隔離開關、手車位置、試驗位置等開關量狀態(tài)，實現(xiàn)對保護安裝處信息量的采集，并對應保護安裝處的斷路器有合分閘控制繼電器及各種信號輸出繼電器，集中式保護的特點是“一個大腦、多個探手”，見圖1。

圖1 集中式保護控制系統(tǒng)示意圖

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是可以同時刻采集各斷路器安裝處的電量信息，能綜合判斷整個被保護系統(tǒng)的狀態(tài)，在故障發(fā)生時能做出精確綜合判斷，但這種集中式的系統(tǒng)也存在著明顯的缺點:a)工程應用不靈活，系統(tǒng)每增加一個供電結點，這種集中式的保護需要增加傳感器等硬件，而且軟件也必須重新作出調整，可擴展性差。b)電流、電壓等信號經互感器變換成額定100 V/5 A 的弱電信號，弱電信號線與斷路器的控制線長距離并行走線，容易受到干擾而使系統(tǒng)不穩(wěn)定，給系統(tǒng)帶來潛在的風險。c)繼電保護的快速性要求，使CPU 必須保證傅立葉算法及邏輯判斷的實時性，而CPU 要將優(yōu)先級向這兩個算法上傾斜，系統(tǒng)增加保護結點，必然會增多要采集的數(shù)據通道，增加CPU 用于DFT 的開銷，從而降低CPU 的實時性，使系統(tǒng)的判斷速度下降。d)整個系統(tǒng)采用大量長距離的信號線和控制線。e)也是最致命的缺點，這種系統(tǒng)只有一個大腦，腦死亡必然會帶來整個系統(tǒng)的崩潰。

2)CPU 采集單元保護技術。

在此基礎上，發(fā)展出多CPU 采集單元的保護技術，此種保護的方案是設計一個決策CPU，設計帶CPU 的采集終端，通過通信網連成網絡，采集終端用于采集斷路器安裝處的電壓、電流等交流量信息，采集斷路器位置、刀閘位置、實驗位置等輸入開關量信息，有能控制斷路器跳合閘、接通信號回路等的繼電器，采集單元內部的ADC(模數(shù)轉換器)，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并作DFT 運算，將DFT 計算的結果，包括電流、電壓實虛部、功率方向、功率及開關量輸入狀態(tài)等傳送給決策CPU，決策CPU 根據接收到的各斷路器信息實現(xiàn)綜合判斷，此系統(tǒng)的構成見圖2。

圖2 多CPU 采集單元控制系統(tǒng)示意圖

與集中式保護相比，改進后的方案在斷路器安裝處與決策CPU 之間刪除了電壓、電流采集線，刪除了開關量輸入的連接線及控制輸出的控制線，通過通信線構成網絡，從此角度看有較大地改進，但是，出現(xiàn)了新的問題:

a)集中式保護的判斷要求必須是同一時刻的數(shù)據，如果是非同一時刻的數(shù)據，采集CPU1 反映出故障，而采集CPU2 因為時間較早幾個毫秒沒有測到故障，進而，判斷出采集CPU1 ～采集CPU2 處故障，而做出錯誤的判斷。b)這個系統(tǒng)仍不具備很好的擴展性，在系統(tǒng)需要擴展，需要增加采集終端時，決策CPU 需重新設計保護邏輯，同時沒有對致命的問題做出改進，決策CPU 的故障會使整個保護系統(tǒng)失去保護的功能。因此，在國標《DL/T769 -2001 中華人民共和國電力行業(yè)標準電力系統(tǒng)微機繼電保護技術導則》中明確指出“應用于廠、站自動化系統(tǒng)中的微機保護裝置功能應相對獨立”。

3)光纖縱聯(lián)保護技術

基于集中保護的種種缺陷，國內2006 年出現(xiàn)了基于光纖網的縱聯(lián)線路鏈式的過電流保護技術［2］，鏈式過電流保護的原理見圖3。

圖3 光纖縱聯(lián)保護系統(tǒng)示意圖

級聯(lián)線路中各級線路的過電流保護，經過光纖傳輸通道形成一個系統(tǒng)，形成一個有機的過電流保護鏈。過電流保護鏈中的各個過電流保護裝置應完成的基本功能是:檢測本級線路的過電流狀態(tài);傳送本級檢測結果到上一級過電流保護裝置;接收下一級過電流保護裝置的檢測結果;根據本級檢測結果和下一級的檢測結果決定本級保護裝置是否跳閘。

其判斷條件是，本級檢測到故障，下一級沒有故障，在滿足這兩個條件的基礎上，保護器動作跳閘。文獻［3］對于通信出錯做了冗余的處理措施，鏈式過電流保護中的各過流保護裝置實時監(jiān)控通信通道的通信情況，并能在出錯時及時報警，避免通信出錯時保護的誤動和拒動。針對通信出錯，采用了后備保護的方案，因通信出錯，后級保護裝置對前級保護裝置的閉鎖作用，可能造成各級保護裝置都不動作，因此加后備保護予以解決。

此方案較集中式保護做了改進，將決策權力下發(fā)各個獨立地保護，解決了集中式保護一個CPU 運算能力不夠的問題，而且系統(tǒng)的擴容對于各保護沒有帶來改變，工程的通用性好，不能避免了一個CPU 死機帶來整個保護崩潰的問題。

但是，這種方案也存在著缺陷。首先，在通信故障時，整個系統(tǒng)的保護因級聯(lián)閉鎖的原因不動作，需要采用后備保護的冗余措施，因而使跳閘切除故障的時間延長。其次，對于復雜的應用場合，如圖4，在A點發(fā)生故障時，因保護1 的下級并聯(lián)有保護2 和保護3，按照本方案，很難處理這種應用。為此，在工業(yè)網的基礎上，提出一種基于基因圖譜的判斷方法。

2 基因圖譜的縱差解決方案

1)建立保護的互聯(lián)網絡結構。

通過工業(yè)網構建一高速通信網絡，每一臺保護是整個網絡中的1 個結點，按照優(yōu)先級編排各保護的ID 身份，采用廣播網的方式，任一臺發(fā)送數(shù)據，網上所有的結點都可以接收到數(shù)據。采用高速網的好處是任何2 臺保護間可以以極短的時間通信，將2 臺保護完成1 次會話的時間定在10 ms 內，單向發(fā)送數(shù)據的時間為5 ms。在保護上增加通信適配器搭建通信網，見圖。

圖4 多級聯(lián)復合保護系統(tǒng)示意圖

保護方案基于高速數(shù)字信號處理器DSP 實現(xiàn)，采用高精度的ADC 轉換模塊及電源紋波處理技術，確保保護的精度誤差控制在1%以內，采用高速DSP的好處是所有通道的DFT 運算可以在每1 ms 的時間都運算1 次。工業(yè)網的通信采用中斷技術，這樣可以使故障信息能立刻發(fā)送，網上所有的保護能立刻接收，確保保護間傳送信息的實時性，DSP 硬件方案見圖5。

圖5 DSP 硬件方案示意圖

為了使保護靈活地適應現(xiàn)場應用及維護，保護內部設有遠程升級模塊，遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)程序的更新升級［4-5］。

根據網絡的拓撲特性，設置保護的ID 編號，以確保任何地方發(fā)生故障，對應的保護會優(yōu)先占用通信網絡，如圖4 中，在6DL 至7DL 處C 點故障時，保護3、保護4、保護5 都不反映故障，不會申請占用通信網絡，而保護1 能反映故障，但沒有保護2 的級別高，所以被保護2 占用網絡廣播。

2)確立保護的基因拓撲網絡。

根據網絡拓撲的特點，構建1 個基因圖譜，基因圖譜傳送到每一套保護中，這樣保護根據基因圖譜可知自己在拓撲結構中的繼承關系，知道整個網絡的特點，這樣在接收到故障信息時能作出判斷，判斷是否需要響應接收到的命令。

如圖4 中，當A 處發(fā)生故障，1DL 會檢測到故障，1DL 根據基因拓撲圖，知道它有兩個直系下級，而2DL 與3DL 也知道相互間的兄弟關系，也了解與1DL是父子關系，那么當1DL 發(fā)送過來的故障信息被2DL 及3DL 同時接受到的時候，2DL 和3DL 都會作出回應，而1DL 收到2DL 傳來的信息是沒有發(fā)生短路的信息，那么就可以判斷為區(qū)內故障而動作。

第二種情況，如圖4 中，當B 點發(fā)生故障，按照正常的優(yōu)先級應該是3DL 最先發(fā)現(xiàn)故障，假設不可預見的原因，1DL 較3DL 先判斷出故障，1DL 占用廣播告知系統(tǒng)檢測到故障的信息，此時2DL 和3DL 都會收到信息并回應，當3DL 收到1DL 的信息時會立刻查詢本身的判斷結果，如果沒有故障會用1 ms 的時間再次判斷并將故障信息發(fā)送給1DL，當1DL 收到直系下級的故障信息后，便知道它的直系下級會處理故障，此次故障與自己無關。同樣，4DL 也會收到3DL 發(fā)送出來的故障信息，對于自己的直系上級，它會立刻做出沒有檢測到故障的回應，3DL 根據無故障信息的回應會立刻判斷信息在區(qū)內而動作。

若4DL 與5DL 之間線路D 點發(fā)生短路故障，此時可能檢測到故障的保護有1DL、3DL 及4DL，假設3DL 首先檢測到故障，那么3DL 占用網絡向系統(tǒng)廣播信息，在發(fā)送信息的時候1DL 也檢測到故障，但網絡被3DL 占用，1DL 在等待的期間，收到3DL 傳來的故障信息，1DL 便取消發(fā)送故障信息的嘗試，由它的下級去處理本次故障信息，而4DL 在收到信息后會做出故障判斷，在沒收到5DL 信息的情況下占用網絡廣播故障信息，5DL 收到4DL 的故障信息作出回應，向4DL 報告保護沒檢測到故障，4DL 于是判斷為區(qū)內故障而動作，此種復雜的應用情況向網絡發(fā)送數(shù)據的保護有3DL、4DL 及5DL，用于通信的時間約為15 ms，故障判斷的時間為4 ms，分別是3DL 判斷出故障，4DL 根據3DL 的要求響應判斷占用1 ms，需要說明的是，在3DL 數(shù)據傳輸?shù)倪^程中，4DL 幾乎已同步判斷出故障，5DL 根據4DL 直系上級保護的要求用1 ms 的時間作出判斷并會發(fā)送數(shù)據，因此，整個判斷時間為1 ms(3DL)+5 ms(3DL)+1 ms(4DL)+4 ms(4DL)+1 ms(5DL)+4 ms(5DL)+1 ms(4DL)，整個判斷過程≤17 ms，而判斷出故障，跳閘繼電器的時間≤40 ms，從實際試驗結果來看，動作時間最大約40 ms 左右，算法的時間得到驗證。

正常運行時，每個保護間隔一段短的時間會發(fā)送測試數(shù)據來驗證自身網絡通信的可靠性，當某個結點長時間不能收發(fā)數(shù)據時，保護會通過485 通信網而后臺報告故障信息，因為采用基因圖譜的判斷方式，系統(tǒng)還可以升級成直系上級保護作為本級保護的后備保護方式。

本方案延續(xù)了級聯(lián)縱差方案中分散式判斷的方法，每一個保護都是獨立的保護單元，避免了集中式保護因CPU 死機而使整個供電系統(tǒng)失去保護功能，將決策權下放至各單元，使保護的可靠性提高，另外，針對復雜的供電系統(tǒng)，提出了基因圖譜的解決方法，解決了復雜的供電應用越級跳閘的問題，而且基因圖譜的解決手段可以使發(fā)生故障時，只有幾臺保護占用網絡，通信數(shù)據減少，避免了通信資源的競爭，使系統(tǒng)的判斷時間縮短，為快速切除故障提供切實的保障。

3 結束語

本文中的方案及理論在ZBT -11C 保護中得到了廣泛的應用，從試運行及實際工程應用案例來看，動作迅速，防越級效果明顯，解決了煤礦供電中的越級跳閘問題，增強了供電系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 寧傳文.煤礦井下供電短路保護新設想［J］.煤炭技術，2005，24(9):42 -43.

［2］ 馮建勤，馮巧玲.級聯(lián)線路的鏈式過電流保護方案研究［J］.繼電器，2006，34(8):80 -83.

［3］ 賀 敏，陸于平，宋 斌，等.一種適用于中低壓短線路的光纖縱差保護方案［J］.繼電器，2003，31(9):37 -39.

［4］ 何立新.光纖縱差保護在防止礦井供電短路時越級跳閘的研究［J］.煤，2011(6):25 -27.

［5］ 朱縣盛.10 kV 越級跳閘事故原因和處理過程探討［J］.中國高新技術企業(yè)，2011(1):54.