張振華

【摘 要】提出了基于以太網(wǎng)的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案，首先設(shè)計(jì)了智能變電站結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析和研究了過(guò)程層同步采樣技術(shù)以及GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)特性。之后設(shè)計(jì)了智能變電站單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)動(dòng)作邏輯以及算法流程，通過(guò)信息共享，可以智能化地判斷故障位置和類型，有選擇地發(fā)出保護(hù)動(dòng)作。

【關(guān)鍵詞】煤礦；單相接地；同步采樣；供電系統(tǒng)

引言

目前，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，基于以太網(wǎng)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)，是煤礦供電系統(tǒng)智能變電站最主要的技術(shù)特征。單相接地故障是電力系統(tǒng)一直未能很好解決的問(wèn)題，各種單相接地保護(hù)原理層出不窮，但是每種方法都有各自的缺陷。而智能變電站技術(shù)的發(fā)展為單相接地故障在保護(hù)方面的研究提供了新思路。智能變電站是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向，智能變電站最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了全站信息的共享，為新的單相接地保護(hù)原理提供了數(shù)據(jù)支撐。為此基于智能變電站底層數(shù)據(jù)共享的特點(diǎn)，構(gòu)筑了煤礦智能供電供電系統(tǒng)的架構(gòu)，研究了基于IEC61850的煤礦智能供電系統(tǒng)單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案。

1煤礦智能變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦智能供電系統(tǒng)由地面和井下智能變電站以及區(qū)域集中控制中心組成。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的相關(guān)規(guī)定，煤礦智能供電系統(tǒng)由過(guò)程層、間隔層以及站控層構(gòu)成，其中間隔層和站控層形成環(huán)網(wǎng)，間隔層與過(guò)程層形成星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，組成了智能供電系統(tǒng)的二級(jí)網(wǎng)絡(luò)。在區(qū)域集控式煤礦智能供電系統(tǒng)中，智能變電站能夠在脫離區(qū)域集控中心的情況下獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的采集與分析，從而完成控制與保護(hù)動(dòng)作，并且在該系統(tǒng)中，智能變電站只有過(guò)程層和間隔層兩層架構(gòu)。其中井下智能變電站為了完成數(shù)據(jù)測(cè)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及控制、保護(hù)等功能，在間隔層集成了測(cè)控保護(hù)裝置，能夠在分析狀態(tài)信息后作出決策，并將控制命令通過(guò)通信系統(tǒng)發(fā)送至終端設(shè)備。

2煤礦智能供電系統(tǒng)單相接地保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

2.1過(guò)程層同步采樣技術(shù)

電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)平衡的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，無(wú)時(shí)無(wú)刻負(fù)荷量不在發(fā)生著變化。傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)同步對(duì)時(shí)的精度要求比較低，而在基于智能變電站IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的方式，這就對(duì)同步對(duì)時(shí)提出了更高的要求。智能變電站過(guò)程層合并單元采樣如圖1。依據(jù)IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工程化實(shí)施技術(shù)規(guī)范中規(guī)定：用于事件時(shí)標(biāo)的時(shí)鐘其同步精確度左右不能大于1ms。因此，要實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)的智能化，首先必須保證全站各智能設(shè)備處于同一時(shí)鐘下，即時(shí)鐘同步。為此將以太網(wǎng)作為基礎(chǔ)，把基于全站唯一總線網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588同步系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦智能變電站的建設(shè)中，以完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行冗余配置，目前，IEEE1588是智能變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)的第一選擇，其精度達(dá)到了100μs。

2.2GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析

GOOSE通信技術(shù)是IEC 61850協(xié)議中的一種快速報(bào)文傳輸機(jī)制，用于變電站內(nèi)部設(shè)備之間的信號(hào)傳輸，能夠高效、快速地傳輸開關(guān)量信號(hào)以及控制信息，GOOSE技術(shù)利用通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)取代了傳統(tǒng)變電站設(shè)備之間的硬接線，各設(shè)備支架通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，從而大幅簡(jiǎn)化了設(shè)備之間的電纜連接。通過(guò)GOOSE通信技術(shù)，各智能設(shè)備既可作為發(fā)布者在網(wǎng)上發(fā)布數(shù)據(jù)，也可作為訂閱者接收來(lái)自網(wǎng)上的信息，從而實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備之間的信息共享，可以說(shuō)GOOSE通信技術(shù)是變電站智能化的關(guān)鍵技術(shù)。GOOSE報(bào)文傳輸具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，其延時(shí)T主要由發(fā)送端延時(shí)Ts、傳輸過(guò)程延時(shí)Tc以及接收端延時(shí)Tr組成，其關(guān)系為：

T=Ts+Tc+Tr.（1）

發(fā)送端延時(shí)Ts主要包括報(bào)文打包的時(shí)間、發(fā)送端將報(bào)文發(fā)送至發(fā)送端緩沖區(qū)的時(shí)間和報(bào)文在發(fā)送端緩沖區(qū)等待發(fā)送時(shí)的派對(duì)時(shí)間。發(fā)送端延時(shí)主要取決于發(fā)送端的硬件性能以及軟件優(yōu)化方式，一般情況下發(fā)送端延時(shí)應(yīng)限制在10μs以內(nèi)。傳輸過(guò)程延時(shí)Tc主要包括交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、在通信通道中的傳輸延時(shí)以及排隊(duì)延時(shí)，其計(jì)算公式為：

（2）

其中：N為以太網(wǎng)通信過(guò)程中參與信息轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)的個(gè)數(shù)；Tz為交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的延時(shí)，一般在5μs以內(nèi)；Tp為報(bào)文在兩個(gè)交換機(jī)之間的通信通道傳輸過(guò)程中的排隊(duì)時(shí)間；Td為在報(bào)文通信通道中的傳輸延時(shí)。由此可以看出傳輸過(guò)程延時(shí)主要取決于參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)數(shù)量以及工作方式。其中Tp和Td的計(jì)算公式為：

其中：b為常數(shù)，一般取b=20Byte；D為以太網(wǎng)的帶寬；Ld為實(shí)時(shí)報(bào)文長(zhǎng)度，其取值范圍在64Byte到1 528Byte之間；Lp為網(wǎng)絡(luò)流量報(bào)文長(zhǎng)度。在煤礦智能供電系統(tǒng)中，假定以太網(wǎng)帶寬是100Mb/s，以太網(wǎng)交換機(jī)為2臺(tái)，則傳輸過(guò)程延時(shí)應(yīng)為381.49μs。接收端延時(shí)Tr主要包括接收端緩沖器排隊(duì)等待延時(shí)以及報(bào)文解析所用時(shí)間，其延時(shí)主要取決于接收端硬件性能以及軟件優(yōu)化方式，與發(fā)送端延時(shí)類似，其延時(shí)一般在10μs以內(nèi)。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，可以看出報(bào)文發(fā)送總延時(shí)最大為401.49μs，即網(wǎng)絡(luò)的最大延時(shí)也不到IEC 61850規(guī)定的1ms延時(shí)的一半。所以智能化供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)完全滿足要求，如果采用性能更強(qiáng)的交換機(jī)、提高以太網(wǎng)帶寬以及軟件優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)會(huì)更低。

3單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)邏輯

單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖2。

考慮到煤礦井下安全供電，并且井下多是采用小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)煤礦線路發(fā)生單相接地故障，一般可以允許系統(tǒng)故障狀態(tài)下運(yùn)行1-2h，雖然對(duì)系統(tǒng)不會(huì)有太大影響，但是長(zhǎng)時(shí)間的故障狀態(tài)運(yùn)行仍然會(huì)給線路和設(shè)備造成不可修復(fù)的損壞，尤其在環(huán)境惡劣的煤礦井下，對(duì)設(shè)備和人身安全造成更大的威脅，因此，可靠的、有選擇性的、具有良好速動(dòng)性的進(jìn)行單相接地故障的識(shí)別與處理仍然十分必要。單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)算法流程如圖3。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，可以在同一個(gè)智能隔爆開關(guān)中實(shí)現(xiàn)基于多信息融合的單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。單相接地保護(hù)由同一母線段上的所有饋線智能隔爆開關(guān)和進(jìn)線智能隔爆開關(guān)協(xié)同完成。當(dāng)煤礦井下發(fā)生單相接地故障后，各智能隔爆開關(guān)通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)共享所有支路的模擬量和開關(guān)量故障信息，每個(gè)智能高爆開關(guān)中有獨(dú)立的單相接地保護(hù)算法，可以獨(dú)立完成判斷本支路是否發(fā)生故障，并決定是否需要?jiǎng)幼饔谔l，保護(hù)具有良好的選擇性、可靠性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，全系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)零序電壓，因此，單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)以零序電壓作為啟動(dòng)判據(jù)，同時(shí)，還要甄別出由于電壓互感器斷線故障、鐵磁諧振等導(dǎo)致的“虛幻接地”現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

在煤礦供電系統(tǒng)中，單相接地故障是一種常見的故障，但一直未能得到妥善解決，隨著以太網(wǎng)技術(shù)在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用以及智能變電站的發(fā)展，通過(guò)過(guò)程層共享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息融合，為單相接地故障的解決提供了新的思路。本文提出了煤礦智能化供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)過(guò)程層同步采樣技術(shù)以及GOOSE通信技術(shù)延時(shí)特點(diǎn)進(jìn)行了研究與分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單相接地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案，該方案具有較好的可靠性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)對(duì)不同故障類型進(jìn)行了區(qū)分，具備智能化特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：冀中能源股份公司葛泉礦）