邢建平，楊 光，孫瑞玲，宋云海，張文波

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

基于煤礦智能變電站防越級故障區(qū)段識別矩陣算法研究

邢建平，楊 光，孫瑞玲，宋云海，張文波

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

隨著智能變電站在煤炭系統(tǒng)中的試驗推廣，其所具有的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)共享特征，給解決越級跳閘問題提供了新方法。在確定煤礦智能變電站結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)對時、GOOSE通信技術(shù)原理及防越級跳閘流程的基礎(chǔ)上，重點研究用于故障線路識別的故障區(qū)段識別矩陣算法，實現(xiàn)了故障區(qū)段的定位與隔離，對提高煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要意義。

煤礦電網(wǎng)；防越級；智能變電站；矩陣算法

Abstract:With the promotion of intelligent substation test in coal mine system，the characteristic of network data sharing provides a new approach to solve the over-grade trip problem.Based on the understanding of the structure of intelligent substation，the synchronization technology，GOOSE communication technology and the process of implementation anti-grade tripping，this paper focuses on fault segment identification matrix algorithm for fault line identification，aiming at realizing the identification and isolation of fault segment.This matrix algorithm could determine the fault segment effectively，so as to improve the stability of coal mine power system.

Key words:coalmine grid；anti-grade；intelligent substation；matrix algorithm

0 引言

我國煤礦井下電網(wǎng)成輻射狀結(jié)構(gòu)，由大量6 kV或10 kV電壓等級長度較短的電纜多級串聯(lián)供電。實際運(yùn)行中，由于井下負(fù)荷多集中在綜采工作面上，而綜采工作面條件存在不夠完善、環(huán)境惡劣、電纜保護(hù)不當(dāng)容易受損等情況，易出現(xiàn)越級跳閘問題，供電線路整定方法不合理、系統(tǒng)運(yùn)行方式差異大、保護(hù)裝置選擇不當(dāng)?shù)仍蚓鶗斐稍郊壧l。傳統(tǒng)變電站所用的傳統(tǒng)設(shè)備往往只能采集本間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)，且無法實現(xiàn)整站設(shè)備的數(shù)據(jù)互通。隨著智能變電站在煤炭系統(tǒng)中的試驗推廣，其所具有的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)共享特征，給解決越級問題提供了新思路［1］。

1 煤礦智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站與數(shù)字變電站類似，一般分為三層兩網(wǎng)，如圖1所示。通過以太網(wǎng)通信，各層設(shè)備能夠訪問彼此的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行互操作。該系統(tǒng)滿足智能變電站的技術(shù)要求，站控層采用以太網(wǎng)通信，提供了MMS、GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)接口，在集控中心，不僅能接入防越級主機(jī)，還可接入各種廠家的智能設(shè)備，只要其支持MMS、GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)、滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)即可［2-5］。

2 煤礦智能變電站關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)同步技術(shù)。煤礦電網(wǎng)自動化系統(tǒng)采用GPS時鐘設(shè)備作為主時鐘，其他設(shè)備根據(jù)主時鐘信號進(jìn)行自身時鐘校正。對時方式采用網(wǎng)絡(luò)對時（SNTP／NTP或1588）與秒脈沖對時（IRIG-B碼）均可。通過光纖以太網(wǎng)路共享的各個開關(guān)礦用智能保護(hù)裝置上傳的采樣值有相同的采樣時刻，處理數(shù)據(jù)會更加方便。

GOOSE技術(shù)。本文描述的基于煤礦智能變電站區(qū)域集控的防越級跳閘系統(tǒng)主要采用GOOSE進(jìn)行開關(guān)量、閉鎖命令、允許命令的傳遞。通過GOOSE通信，智能變電站的設(shè)備能夠大范圍地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而且能夠靈活配置。GOOSE主要用于傳輸開關(guān)的狀態(tài)信息、跳閘命令等開關(guān)量。

GOOSE報文發(fā)送機(jī)制如圖2所示，正常情況下，變電站設(shè)備每隔T0（一般為5 000 ms）發(fā)送一次GOOSE報文。當(dāng)有開關(guān)狀態(tài)發(fā)生故障時，GOOSE報文中的數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，立刻減小間隔時間到T1（一般為2 ms）時間發(fā)送第二、三幀報文，然后間隔T2（4 ms）發(fā)送第四幀，間隔 T3（8 ms）發(fā)送第五幀，后續(xù)報文發(fā)送間隔依次累加，直到GOOSE報文恢復(fù)T0（一般為5 000 ms）的時間間隔。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖倏煽啃裕珿OOSE報文采用快速重發(fā)機(jī)制：當(dāng)用GOOSE報文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集發(fā)生變化后，發(fā)送端裝置會自動縮短報文發(fā)送間隔 （從5 000 ms時間間隔降低到2 ms時間間隔），快速重發(fā)GOOSE報文。

圖2 GOOSE報文發(fā)送時間間隔

3 防越級跳閘的實現(xiàn)

當(dāng)井下線路某處出現(xiàn)短路故障時，本級及以上線路的開關(guān)保護(hù)裝置均采集到大電流值，判斷出短路故障，立即通過GOOSE以太網(wǎng)絡(luò)向集控中心防越級主機(jī)發(fā)送故障信息，并都設(shè)置t1（一般設(shè)為100 ms）長的延時時間等待防越級主機(jī)發(fā)送立即跳閘允許信號，否則t1時間后立即發(fā)跳閘命令使開關(guān)跳閘。集控中心的防越級主機(jī)接收到各開關(guān)保護(hù)裝置上傳的故障信息，通過運(yùn)算防越級故障區(qū)段識別矩陣算法，判斷出發(fā)生短路故障的線路，并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)向其開關(guān)保護(hù)裝置發(fā)送立即跳閘允許信號，使開關(guān)立即跳閘，切除故障；向其他檢測到故障的開關(guān)保護(hù)裝置發(fā)送立即跳閘禁止信號，防止越級跳閘。井下與地面各級線路開關(guān)的保護(hù)裝置能夠自主完成線路故障的判斷，并接收防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘允許信號或禁止信號，判斷是否立即跳閘［6］。保護(hù)裝置的動作邏輯如圖3所示。

圖3 保護(hù)裝置的動作邏輯

當(dāng)有線路發(fā)生短路故障時，防越級Ⅰ段投入，開關(guān)的保護(hù)裝置檢測到電流值大于Ⅰ段的整定值時：若t1（100 ms）延時時間內(nèi)收到防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘允許指令沒有收到立即跳閘禁止指令，說明故障發(fā)生在本級線路，立即使開關(guān)跳閘，切除故障；若在t1時間內(nèi)沒有收到防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘允許指令而收到立即跳閘禁止指令，說明故障沒有發(fā)生在本級線路，此時不發(fā)出跳閘命令，防止越級跳閘的發(fā)生；若在t1時間內(nèi)沒有收到防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘允許指令也沒有收到立即跳閘禁止指令，說明與防越級主機(jī)通信中斷，經(jīng)過t1（100 ms）時間后，發(fā)出跳閘命令，跳開開關(guān)；若在t1時間內(nèi)即收到防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘允許指令，又收到立即跳閘禁止指令，說明防越級主機(jī)通信有誤，此時分兩種情況分析：1）若是發(fā)生故障的上級或上幾級線路開關(guān)的保護(hù)裝置通信有誤，而發(fā)生故障的線路開關(guān)保護(hù)裝置通信正常，則發(fā)生故障的線路開關(guān)保護(hù)裝置能立即切除故障，亦防止了其他開關(guān)越級跳閘；2）若發(fā)生故障的線路開關(guān)保護(hù)裝置通信有誤，而發(fā)生故障的上級或上幾級線路開關(guān)的保護(hù)裝置通信正常，則依靠后備保護(hù)Ⅱ段，有t2（一般設(shè)為200 ms）延時，切除故障。

當(dāng)有線路發(fā)生短路故障，而發(fā)生故障的線路開關(guān)據(jù)動，則依靠上級甚至是上幾級線路開關(guān)的保護(hù)裝置后備Ⅱ段保護(hù)切除故障。

當(dāng)線路正常工作，沒有故障發(fā)生時，若開關(guān)保護(hù)裝置與防越級主機(jī)通信有誤，收到下發(fā)的立即跳閘允許指令或立即跳閘禁止指令，此時因為檢測的電流值沒有超出整定值，防越級Ⅰ段和后備Ⅱ段保護(hù)均不啟動，因此不會有開關(guān)跳閘?？梢姺涝郊壷鳈C(jī)的立即跳閘允許指令和立即跳閘禁止指令只是輔助保護(hù)測控裝置完成防越級跳閘功能，不會影響保護(hù)裝置對故障的識別判斷。

4 防越級故障區(qū)段識別矩陣算法

本文設(shè)計的防越級跳閘系統(tǒng)，主要是根據(jù)防越級主機(jī)運(yùn)算故障區(qū)段識別矩陣算法來判斷出發(fā)生故障的區(qū)段，進(jìn)而與開關(guān)保護(hù)裝置通信，僅使發(fā)生故障的線路開關(guān)跳閘，防止其他開關(guān)越級跳閘。防越級故障區(qū)段識別矩陣算法是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心。防越級主機(jī)首先根據(jù)煤礦智能變電站供電系統(tǒng)實際的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際運(yùn)行狀態(tài)生成狀態(tài)描述矩陣D；當(dāng)有故障發(fā)生時，通過收集各線路開關(guān)的保護(hù)裝置上傳的故障信息，生成故障信息矩陣F；矩陣D與F相加得到故障識別矩陣J，通過對矩陣J分析判斷，就能得到發(fā)生故障的線路區(qū)段［7-8］。

把某煤礦供電網(wǎng)絡(luò)抽象成圖4所示的簡化圖，說明防越級主機(jī)如何運(yùn)算故障區(qū)段識別矩陣算法，進(jìn)行故障區(qū)段識別。

圖4 某煤礦電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)簡化圖

4.1 狀態(tài)描述矩陣D

對開關(guān)進(jìn)行編號，若煤礦電網(wǎng)絡(luò)中存在N個開關(guān)，則構(gòu)造的狀態(tài)描述矩陣D為N行N列。矩陣D的元素dij取值規(guī)則

若開關(guān)i、j之間直接由供電線路相連，不經(jīng)過其他開關(guān)且正常供電時有電流由開關(guān)i流向開關(guān)j，即正常供電時若切斷開關(guān)i，開關(guān)j失掉電源供電，而正常供電時斷開開關(guān)j，開關(guān)i依然有電源供電，則令矩陣D中元素得到dij為1，而元素dji置為0，其余元素均置0。依據(jù)上述規(guī)則，圖4煤礦電網(wǎng)的狀態(tài)描述矩陣D為

4.2 故障信息矩陣F

當(dāng)K1、K2處線路均發(fā)生短路故障時（復(fù)雜情況下），開關(guān)QF1～QF5、QF7的保護(hù)裝置的防越級I段保護(hù)均會啟動，并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)把故障信息上傳給集控中心防越級主機(jī)，防越級主機(jī)據(jù)此生成故障信息矩陣D。矩陣D也為N行N列，若收到編號為i的開關(guān)保護(hù)器上報故障信息，則把元素fii置1，其他元素均置0。圖1所示煤礦電網(wǎng)的故障矩陣F為

4.3 故障識別矩陣J

矩陣D與F相加得到識別矩陣J為

根據(jù)故障識別矩陣J，通過式（4）就能識別出發(fā)生故障的線路

根據(jù)表1對應(yīng)的故障信號判斷，只要向使式（4）成立的第i個開關(guān)的保護(hù)裝置下發(fā)立即跳閘允許指令，而向其他上報故障信息的開關(guān)保護(hù)裝置下發(fā)立即跳閘禁止指令，即可起到越級跳閘的功能。而基于智能變電站的技術(shù)是該算法能夠有效實現(xiàn)的前提。

結(jié)合圖4所示線路及故障識別矩陣J及表1判斷依據(jù)，可以確定K1、K2處發(fā)生短路故障。雖然開關(guān) QF1～QF5、QF7保護(hù)裝置均上傳故障信息，但QF1～QF3、QF5均不滿足等式，故認(rèn)為故障發(fā)生在以上開關(guān)的下級或是下幾級線路，故向以上開關(guān)的保護(hù)裝置下發(fā)立即跳閘允禁止指令，防止越級跳閘；而對于開關(guān)QF4、QF7

滿足條件，故認(rèn)為故障發(fā)生在開關(guān)QF4、QF7本級線路，向本線路的保護(hù)裝置下發(fā)立即跳閘允許指令，使其立即跳閘，切除故障。

4.4 矩陣算法的容錯性

根據(jù)GOOSE技術(shù)的分析可知，通信的快速可靠性能夠很好保障，假使在極端情況下，GOOSE通信異?；虮Ｗo(hù)裝置發(fā)生故障，無法正確地上傳故障信息時，考慮矩陣算法的容錯性，進(jìn)行容錯處理。

若本級開關(guān)的保護(hù)裝置沒有上報故障信息，而下級有不少于1個的開關(guān)保護(hù)裝置上報故障信息，上級也有不少于1個的開關(guān)保護(hù)保護(hù)裝置上報故障信息，則認(rèn)為本級開關(guān)保護(hù)裝置出現(xiàn)故障或通信中斷使故障信息沒能上傳，而在故障矩陣F中相關(guān)元素補(bǔ)上1。

若有開關(guān)保護(hù)裝置上傳故障信息，而其上級開關(guān)和下級開關(guān)保護(hù)裝置均未上傳故障信息，則有可能存在開關(guān)保護(hù)裝置誤傳故障信息的情形，不過結(jié)合圖3的防越級實現(xiàn)流程中保護(hù)裝置的動作邏輯可知，即使保護(hù)裝置誤傳故障信息，防越級主機(jī)運(yùn)算故障區(qū)段識別矩陣算法后，向保護(hù)裝置下發(fā)立即跳閘允許指令，但因保護(hù)裝置未檢測到故障電流不會啟動防越級I段保護(hù)，因此不會發(fā)出跳閘命令。

5 結(jié)語

闡述了煤礦智能變電站的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)對時技術(shù)、GOOSE通信傳輸機(jī)制，確定防越級跳閘的具體工作流程，在此基礎(chǔ)上提出故障區(qū)段識別矩陣算法，實現(xiàn)了故障區(qū)段的定位與隔離?；谥悄茈娋W(wǎng)架構(gòu)的數(shù)字化變電站模式，全礦保護(hù)信息共享，電磁兼容性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面井下數(shù)字一體化。該基于智能變電站的防越級跳閘設(shè)計方案采用了時代發(fā)展的新技術(shù)，能有效解決越級難題，提高煤礦生產(chǎn)用電的安全可靠性，符合社會發(fā)展趨勢。

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Fault Segment Identification Matrix Algorithmon Anti-Grade Tripping Based on Intelligent Substation Centralized Control in Coal Mine Power System

XING Jianping，YANG Guang，SUN Ruiling，SONG Yunhai，ZHANG Wenbo
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

TM77

A

1007－9904（2017）09－0031－04

2017-03-17

邢建平（1990），男，主要研究方向為配電網(wǎng)運(yùn)維與電能質(zhì)量檢測與分析。