張建鋒
(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)
本設(shè)計采用分布式區(qū)域保護技術(shù)著重解決目前煤礦供電自動化系統(tǒng)存在的保護定值不能連續(xù)可調(diào),上下級保護無法配合,造成越級跳閘情況的問題,實現(xiàn)變電所的無人值守。通過對發(fā)生越級跳閘的主要原因的研究分析,提出了一種煤礦井下變電所無人值守控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)綜合保護裝置間故障信息極速傳遞,閉鎖非故障線路開關(guān),及時準確切斷故障開關(guān),實現(xiàn)防越級跳閘保護。同時,系統(tǒng)集測量、保護、控制、通訊、管理功能于一體,實現(xiàn)變電所“六遙”控制功能,協(xié)助調(diào)度運行人員進行電力系統(tǒng)的調(diào)整、指揮和操作,從而實現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運行,在減員增效基礎(chǔ)上進一步減輕工作人員勞動強度,在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高礦井的自動化水平和運營管理水平。
按三段式保護理論,短路保護保護到線路全長的80%,帶時延的過流保護作為后備保護保護到下級變電所的開關(guān)以下。而煤礦電網(wǎng)都是短線路,線路前端電路短路和線路末端短路,開關(guān)感受到的短路電流基本上一樣,造成上下級變電所短路保護無法進行配合,這樣,就造成下級變電所的線路短路,上下級短路保護都啟動,造成越級跳閘的發(fā)生。對于這種情況,城市配電網(wǎng)的做法是第一級開關(guān)的速斷保護不投入,而采用過流保護通過延時時間進行上下級過流保護的配合。而在煤礦,35 kV 變電站或110 kV 變電站由集團供電公司管理,而只有下級和下下級6/10 kV 變電所才由礦上管理,無法實現(xiàn)速斷保護退出,而采用過流保護靠時間級差進行配合的辦法。這也是造成越級跳閘的原因。
本設(shè)計采用分布式區(qū)域保護原理。分布式區(qū)域保護的基本思想為:使各級保護建立信號聯(lián)系。當任何一級保護在檢測到短路故障時,迅速發(fā)出閉鎖信號,閉鎖其上一級保護,以將故障鎖定在最小跳閘范圍內(nèi)。當斷路器失靈時,上級保護可快速動作,母線故障可實現(xiàn)快速跳閘。區(qū)域保護適用于分支較多的配電網(wǎng),解決保護時間級差無法配合問題。
分布式區(qū)域保護采用突變量作為啟動判據(jù),動作靈敏?,F(xiàn)以圖1為例,對保護動作性能進行分析。
圖1 分布式區(qū)域保護正常動作
假設(shè)出線1發(fā)生相間短路,記時刻t0=0。進線和出線保護均感知故障電流,突變量啟動判據(jù)成立,發(fā)出區(qū)域保護信號,耗時5 ms,記t1=5 ms。區(qū)域保護聯(lián)絡(luò)信號傳送到對側(cè)耗時約10 ms,記t2=15 ms。進線保護在速斷出口前,收到出線1的故障聯(lián)絡(luò)信號,關(guān)閉跳閘出口。由于出線1保護沒有收到任何聯(lián)絡(luò)信號,在t3=35 ms 時刻速斷保護出口,切除故障線路。故障切除后,撤除向進線發(fā)送的聯(lián)絡(luò)信號。
分布式區(qū)域保護還對出現(xiàn)較頻繁的6/10 kV 斷路器拒動情況進行了考慮。目前6/10 kV 真空斷路器跳閘時間50~60 ms,考慮可靠切除短路電流等因素,動作于跳閘的保護,在發(fā)出跳閘命令110 ms 后如果故障電流仍未消失,則認為是斷路器拒動,保護器主動撤除上送的聯(lián)絡(luò)信號。收到聯(lián)絡(luò)信號的保護,則啟動一個285 ms(160+110+15)的聯(lián)絡(luò)信號自動解除計時,作為后備保護。如圖2所示。
圖2 斷路器失靈分布式區(qū)域保護
采用網(wǎng)絡(luò)化基因拓撲算法,利用開關(guān)間自主交換故障信息進行協(xié)商的形式,自主判斷故障區(qū)段,實現(xiàn)全網(wǎng)零秒速斷,以達到防越級跳閘的目的,系統(tǒng)具有級聯(lián)縱差保護、母差保護、三段式過流保護和零延時智能后備保護等防越級跳閘保護功能,電力系統(tǒng)采用多點式部署級聯(lián)縱差保護器,全方位構(gòu)建電力參數(shù)專用網(wǎng)絡(luò)的信息快速交互,精準確定電力故障發(fā)生的地址段,精準快速地對目標地址段的故障開關(guān)進行切斷,以避免越級跳閘。
煤礦變電所無人值守系統(tǒng)由遠程監(jiān)控、傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制三部分組成。遠程監(jiān)控部分主要由SCADA監(jiān)控軟件、云數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控客戶端及配套外設(shè)組成;傳輸網(wǎng)絡(luò)部分采用工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線的方式實現(xiàn);現(xiàn)場控制部分主要由多協(xié)議網(wǎng)關(guān)、高低壓智能綜合保護器等組成。整個系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),分為間隔層、網(wǎng)絡(luò)層、管理層。各配電室保護裝置及智能儀表等為間隔層,負責(zé)全站數(shù)據(jù)采集、控制命令的執(zhí)行、調(diào)節(jié)命令執(zhí)行等;各配電室通訊管理屏及光纖環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)層,負責(zé)全站信息的整合、傳輸以及上級命令的傳達;調(diào)度中心各設(shè)備構(gòu)成了管理層,主要負責(zé)信息的集總、分析,人機對話,各控制命令、調(diào)節(jié)命令的下發(fā)等。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、權(quán)責(zé)分明,可以安全、可靠完成供電監(jiān)控系統(tǒng)的6遙任務(wù),進而實現(xiàn)各個配電室的無人值守運行。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 變電所無人值守系統(tǒng)架構(gòu)
變電所無人值守系統(tǒng)的現(xiàn)場控制層由電壓電流互感器、礦用綜合保護裝置、礦用多協(xié)議網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成,承擔(dān)全系統(tǒng)數(shù)字化采集、接收和執(zhí)行控制指令;傳輸網(wǎng)絡(luò)層由交換機組建的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)成,實現(xiàn)地面調(diào)度監(jiān)控中心與高低壓綜合保護裝置實時通訊;遠程監(jiān)控層由調(diào)度中心、地面監(jiān)控主機等構(gòu)成,實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的遠程監(jiān)控及維護。
礦用多協(xié)議網(wǎng)關(guān)和開關(guān)智能綜合保護單元間采用RS485通信,開關(guān)設(shè)備的電力參數(shù)由礦用多協(xié)議網(wǎng)關(guān)通過井下光纖環(huán)網(wǎng)交換機傳輸?shù)降孛婷旱V供電監(jiān)控系統(tǒng)后臺。電力監(jiān)控中心可對變電所設(shè)備實施遠程控制,電力監(jiān)控系統(tǒng)后臺能夠以O(shè)PC 方式,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺V井綜合自動化平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
主要由電力監(jiān)控主機和系統(tǒng)軟件組成,硬件包括:1臺電力監(jiān)控主機、1臺電力監(jiān)控備機、GPS 受時器、打印機、音響等設(shè)備;地面電力中心站采用國產(chǎn)化操作系統(tǒng)平臺,用Visual Graph 進行設(shè)計,采集變電所監(jiān)控開關(guān)數(shù)據(jù),具備動態(tài)閉鎖聯(lián)動,透明化管控展示。監(jiān)控中心站通過環(huán)網(wǎng)設(shè)備與多協(xié)議網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)高低壓開關(guān)數(shù)據(jù)的實施動態(tài)監(jiān)控,并可以通過授權(quán)網(wǎng)絡(luò)進行訪問監(jiān)控,配合移動終端實現(xiàn)電力監(jiān)控信息的分級推送及分級管控,實現(xiàn)對煤礦電網(wǎng)監(jiān)控及電力設(shè)備管控的全生命周期管理。
電力監(jiān)控中心站對井下各變電所的開關(guān)進行遠程監(jiān)測、控制、遙測和遙調(diào),并為煤礦智能化相關(guān)的系統(tǒng)或平臺預(yù)留需要接入的數(shù)據(jù)點,通過系統(tǒng)的導(dǎo)航項目實時動態(tài)顯示電力監(jiān)控的運行參數(shù)、狀態(tài)的畫面、報警提示、視頻聯(lián)動彈窗及完整的無人化監(jiān)控數(shù)據(jù)需求??傆[圖如圖4所示。
圖4 人機總覽交互
在變電所內(nèi)部安裝礦用隔爆兼本安型多協(xié)議網(wǎng)關(guān),將變電所內(nèi)高、低壓開關(guān)的綜合保護器以RS485方式接入礦用多協(xié)議網(wǎng)關(guān)。礦用隔爆兼本安型多協(xié)議網(wǎng)關(guān)對開關(guān)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理將數(shù)據(jù)分級,通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳到地面電力監(jiān)控系統(tǒng)中心站。將變電所內(nèi)部開關(guān)高壓綜合保護裝置利用高速總線互連,變電所的高低壓開關(guān)通過綜合保護裝置與就近的環(huán)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通,構(gòu)建故障信息高速傳輸網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)防越級跳閘保護功能。在變電所內(nèi)部安裝礦用本安型攝像儀,接入就近工業(yè)以太網(wǎng)交換機可以實現(xiàn)變電所遠程視頻監(jiān)視功能。在變電所內(nèi)部安裝井下巡檢機器人,可沿變電所巡檢路線鋪設(shè)的吊掛軌道巡檢,具備自動行走、自主定位、煙霧和溫度感知、音視頻監(jiān)測、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等功能,替代人工實現(xiàn)變電所智能化巡檢。為了保障系統(tǒng)的可靠性,配置的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備雙機熱備功能,變電所設(shè)計2臺多協(xié)議網(wǎng)關(guān),配置2臺KDG3K 斷電器、2臺本安電源,用于網(wǎng)關(guān)與綜保之間的通信線路切換。
本系統(tǒng)建成后,實現(xiàn)在地面監(jiān)控中心對所有變電所保護器數(shù)據(jù)采集和遠程控制,在調(diào)度室能看到所有實時數(shù)據(jù);具備對高低壓開關(guān)進行全方位監(jiān)測,能夠?qū)崿F(xiàn)故障點多方位預(yù)警等功能,實現(xiàn)煤礦變電所電力無人化監(jiān)控。對全礦井的高低壓開關(guān)實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙脈、遙視。不僅實現(xiàn)了減員增效,還能對電網(wǎng)進行故障自動定位、自動判斷故障區(qū)段、自動給出恢復(fù)供電預(yù)案、并具備一鍵式快速恢復(fù)供電功能(批量遙控)、電能計量,為精細管理、節(jié)能減排打基礎(chǔ);還能對電網(wǎng)及電能質(zhì)量進行分析,充分掌握電網(wǎng)運行規(guī)律。提高煤礦信息化、智能化管理水平,減少機電管理部門電力故障處理工作量,縮短電力故障引起的停電時間,實現(xiàn)井下變電所無人值守或少人值守。
在煤礦變電所無人值守系統(tǒng)設(shè)計過程中,結(jié)合分布式區(qū)域保護的性能分析,通過此思想設(shè)計的變電所無人值守系統(tǒng)在現(xiàn)場的實際運行表明,有效解決了越級跳閘情況和漏電保護無選擇性情況的發(fā)生。該系統(tǒng)設(shè)計合理,運行穩(wěn)定、可靠,對變電所供電系統(tǒng)起到了安全保障的作用,實現(xiàn)了煤礦變電所的無人值守和煤礦企業(yè)的減員增效,對今后的煤礦供電系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。