衛(wèi) 琦

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000）

引言

煤礦井下電網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高塵、高濕的惡劣環(huán)境中，且工作時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)極大，而井下電網(wǎng)系統(tǒng)為確保對(duì)不同區(qū)域設(shè)備的供電，常采用由許多短電纜構(gòu)成的多級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各回路的電阻較小，當(dāng)下級(jí)電路在工作中發(fā)生短路故障時(shí)，瞬時(shí)產(chǎn)生的電流極大，遠(yuǎn)超上一級(jí)保護(hù)裝置的保護(hù)電流的整定值，造成上一級(jí)的電路保護(hù)裝置發(fā)生跳閘。在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中下級(jí)電路的短路電流越大就會(huì)造成更大范圍內(nèi)系統(tǒng)的跳閘事故，使煤礦井下發(fā)生大范圍的停電事故，嚴(yán)重威脅煤礦井下的安全生產(chǎn)[1]?，F(xiàn)有的煤礦井下供電系統(tǒng)保護(hù)裝置在實(shí)際應(yīng)用中，往往只能滿(mǎn)足選擇性的保護(hù)要求，并不能滿(mǎn)足保護(hù)速動(dòng)性的要求，且投資成本高、改造困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣，因此迫切需要開(kāi)發(fā)新一代的井下供電系統(tǒng)保護(hù)裝置，滿(mǎn)足對(duì)井下供電系統(tǒng)的保護(hù)要求。

1 基于交換式以太網(wǎng)的井下供電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)組成

新的基于交換式以太網(wǎng)的井下供電保護(hù)裝置需在現(xiàn)有的綜保裝置的基礎(chǔ)上增加一個(gè)具有以太網(wǎng)通信接口的聯(lián)鎖裝置，然后將整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)所設(shè)置的聯(lián)鎖裝置利用以太網(wǎng)交換機(jī)相互連接[2]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該保護(hù)裝置應(yīng)用了基于整定數(shù)值的防越級(jí)跳閘保護(hù)原理，根據(jù)各分支線(xiàn)路短路時(shí)線(xiàn)路內(nèi)電流的最大數(shù)值分別設(shè)定該電路的速斷保護(hù)電流整定值，確保當(dāng)井下供電系統(tǒng)的某個(gè)分支電路發(fā)生短路故障時(shí)，分支電路內(nèi)的異常電流將超過(guò)其上級(jí)電路的保護(hù)整定值。上級(jí)電路的綜保裝置通過(guò)交換式以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞并啟動(dòng)速斷保護(hù)。

圖1 基于交換式以太網(wǎng)的井下供電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，因設(shè)置有整定電流保護(hù)，因此位于短路點(diǎn)的下級(jí)電路的綜保裝置是無(wú)法監(jiān)測(cè)到故障電流的，位于短路點(diǎn)之上的各上級(jí)電路的綜保裝置，均可監(jiān)測(cè)到短路時(shí)的異常電流，并控制開(kāi)始，進(jìn)行速斷電流保護(hù)，這時(shí)故障電路的各上級(jí)電路上的聯(lián)鎖保護(hù)裝置開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)的速斷保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行約10 ms的閉鎖延時(shí)保護(hù)，并且會(huì)利用交換式以太網(wǎng)絡(luò)向各上級(jí)電路上的聯(lián)鎖保護(hù)裝置發(fā)出一個(gè)延時(shí)保護(hù)的信號(hào)，上級(jí)的聯(lián)鎖保護(hù)裝置每接收到從下級(jí)分支電路上發(fā)生的一個(gè)延時(shí)保護(hù)的信號(hào)就會(huì)再對(duì)該支路進(jìn)行10 ms的保護(hù)延時(shí)。便于精確的安排各級(jí)保護(hù)裝置的延時(shí)保護(hù)時(shí)間。在延時(shí)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)若故障線(xiàn)路上的保護(hù)裝置在預(yù)定的延時(shí)的時(shí)間并沒(méi)有接到下級(jí)聯(lián)鎖裝置發(fā)出的延時(shí)保護(hù)信號(hào)，則在預(yù)定的延遲保護(hù)時(shí)間結(jié)束后即可解除分支電路的閉鎖保護(hù)信號(hào)，接著便由該級(jí)電路開(kāi)始進(jìn)行速斷保護(hù)跳閘動(dòng)作。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于不同級(jí)別的聯(lián)鎖保護(hù)裝置均能夠在監(jiān)測(cè)到故障信號(hào)后延時(shí)10 ms開(kāi)啟速斷保護(hù)，同時(shí)向上級(jí)各保護(hù)裝置也發(fā)生延時(shí)信號(hào)，從而使各級(jí)保護(hù)裝置能夠故障情況設(shè)置動(dòng)作時(shí)限。按此方案，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)確定故障發(fā)生的電路，避免其他電路發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作保護(hù)，造成大面積的停電事故，同時(shí)能在下級(jí)電路的綜保裝置啟動(dòng)的情況下由上級(jí)電路實(shí)施保護(hù)，全面提高了供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2 聯(lián)鎖保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

作為井下供電保護(hù)裝置的核心單元，連鎖保護(hù)裝置主要用于對(duì)系統(tǒng)的速斷保護(hù)進(jìn)行延時(shí)閉鎖、完成線(xiàn)路內(nèi)的延時(shí)保護(hù)信號(hào)的檢測(cè)、向上級(jí)線(xiàn)路發(fā)送連鎖保護(hù)信號(hào)等。各連鎖保護(hù)裝置均可看做是交換式以太網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，各連鎖保護(hù)裝置可通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信息的交流和傳遞，根據(jù)所接受到的連鎖保護(hù)信號(hào)確定速斷保護(hù)所需的延時(shí)閉鎖的時(shí)間。系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)裝置采用了PLC作為核心處理器[3]，并且與交換式以太網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)通信接口。系統(tǒng)在工作時(shí)的跳閘信號(hào)和速斷保護(hù)信號(hào)分別通過(guò)跳閘信號(hào)輸出電路和速斷保護(hù)監(jiān)測(cè)電路進(jìn)行信息的傳遞。

聯(lián)鎖保護(hù)裝置主要包括單片機(jī)、跳閘電路、外圍設(shè)備電路、以太網(wǎng)接口電路等，單片機(jī)主要用于對(duì)閉鎖延遲信號(hào)進(jìn)行分析并發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)同時(shí)利用跳閘電路實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器延時(shí)跳閘的控制。聯(lián)鎖保護(hù)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聯(lián)鎖保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 交換以太網(wǎng)信息傳遞實(shí)時(shí)性分析及仿真

本供電保護(hù)裝置的核心在于要求故障線(xiàn)路的速斷保護(hù)在啟動(dòng)的10 ms以?xún)?nèi)進(jìn)行閉鎖保護(hù)信號(hào)的傳遞，因此該系統(tǒng)所采用的交換式以太網(wǎng)在信息傳輸時(shí)的最大延遲是否超過(guò)10 ms便成了決定該系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。因此采用了OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[4]對(duì)該系統(tǒng)在工作時(shí)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況進(jìn)行了仿真分析。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由聯(lián)鎖保護(hù)裝置及網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)構(gòu)成，其模型如圖3所示。

將該系統(tǒng)的仿真測(cè)試時(shí)間設(shè)置為100 h，仿真分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中，各信號(hào)的傳輸流量平穩(wěn)，能夠很好地滿(mǎn)足該控制系統(tǒng)聯(lián)鎖信息的傳遞。圖5為隨機(jī)抽取的2個(gè)IP地址網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的信息傳遞的延時(shí)后延時(shí)波動(dòng)情況的平均數(shù)值，其最大延時(shí)約為1 ms，且其波動(dòng)非常小，信號(hào)傳輸穩(wěn)定性非常高。以上分析結(jié)果表明，在系統(tǒng)中同時(shí)存在超過(guò)50個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的條件下，該交換以太網(wǎng)系統(tǒng)在信息傳遞延時(shí)性及信息傳遞平穩(wěn)性方面均表現(xiàn)出來(lái)非常高的穩(wěn)定性，能夠很好的滿(mǎn)足該井下供電保護(hù)裝置的要求。

圖3 以太網(wǎng)仿真模型

圖4 以太網(wǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)數(shù)據(jù)流量變化

圖5 以太網(wǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信息延時(shí)情況

4 結(jié)論

對(duì)交換式以太網(wǎng)在信息傳遞時(shí)的及時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)行的仿真分析結(jié)果表明：基于交換式以太網(wǎng)的井下供電該保護(hù)裝置在實(shí)現(xiàn)對(duì)井下供電系統(tǒng)的保護(hù)方面具有極高的可靠性，為煤礦井下的安全、有序生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。