基于網絡分析的煤礦井下供電防越級跳閘系統研究

【摘""要】越級跳閘會對煤礦井下安全生產帶來嚴重后果。本文從全局角度出發，建立以光纖為通信介質的防越級跳閘系統，系統包括主站監控系統和監控分站兩級組網，同時提出了采用遞歸搜索網絡分析方法對故障點進行定位隔離。案例分析結果表明，該防越級跳閘系統能夠保證對供電系統監控的實時性，提出的遞歸算法相比于其他方法更加快速和有效。

【關鍵詞】煤礦井下""越級跳閘""網絡分析""供電系統

【中圖分類號】TD611""""""【文獻標識碼】A"""""""""【文章編號】1674-4810（2015）31-0106-03

煤礦井下供電系統的安全性和運行狀態直接影響著煤礦的生產和安全。煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，工作環境惡劣，容易發生短路事故。由于井下高壓供電系統線路短、多級變電所級聯，當發生短路故障時常規繼電保護裝置不能通過整定值和時間級差的方式有選擇地跳開故障點開關，出現越級跳閘問題，威脅礦井安全。因此，解決煤礦井下供電系統短路引起的越級跳閘問題，對煤礦安全生產意義重大。

目前，國內外對礦井供電系統越級跳閘問題進行了廣泛深入的研究，主要集中在以下幾個方面。（1）基于電力監控系統的方案。這種系統由監控主機、通信分站和綜合保護裝置組成。監控主機對供電系統各節點故障信息采集，利用通信系統匯集，并進行邏輯比較和綜合判斷。這種方案通信系統采用兩級結構，第一級為監控中心和通信分站之間采用CAN總線網絡，第二級為通信分站與各綜合保護裝置采用RS485總線網絡。基于電力監控系統的方案從短路發生到控制斷路器跳閘所需時間較長。（2）基于CAN總線方案。該防越級跳閘方案的基礎是構建一個專用CAN總線通信網絡，各個綜合保護裝置通過CAN總線進行連接，通過各個綜合保護裝置之間的數據交換快速判斷故障位置，確定需要啟動保護動作的裝置所在的位置。基于CAN總線方案需跟隨供電系統不同運行方式變化相應地判斷規則，控制較為復雜，實際運用中存在很多問題，甚至會增加越級跳閘的風險。（3）基于獨立監控分站的方案。該方案中每段線路的綜合保護裝置采用電氣信號與獨立監控分站并聯聯絡，各綜合保護裝置檢測短路故障，并將故障信號匯總到獨立監控分站，監控分站根據接收的電平信號數量的多少和相應的事先約定的編號進行邏輯分析判斷，可確定應該由哪級跳閘，然后向該級發出跳閘指令。該方案存在抗干擾能力差，對監控分站的依賴性強，系統整體可靠性不高的缺點。（4）基于分布式分站方案。該方案與基于獨立監控分站的方案通信方式相同，只是增加了各級獨立分站的部署，此方案各級獨立分站相互獨立，其中某一分站發生故障不會使整個越級跳閘系統癱瘓，具有相對高的可靠性，但同樣存在各級分站間連線復雜，傳輸信號抗干擾能力差、遠距離傳輸衰減嚴重等缺點。

上述方法主要側重于井下防越級跳閘系統的整體框架構建，而對于短路故障點的快速搜索定位和隔離的方法涉及較少。本文研究的內容是建立以光纖為通信介質的井下供電監控系統，通過系統網絡拓撲分析和快速遞歸算法，迅速定位短路故障點并加以隔離，有效防止越級跳閘事故的發生。

一"煤礦井下防越級跳閘系統設計

1.防越級跳閘系統整體設計

根據煤礦井下高壓供電線路的實際情況和防越級跳閘的要求，建立以光纖為介質的高速通信網絡，為井下高壓供電系統的每臺高爆開關提供可靠、全時、動態、高速的信息通道，形成全局防越級跳閘保護系統，提高高壓供電線路的可靠性和保障故障隔離動作時間的實時性。系統整體框架如圖1所示。

該系統具有如下特點：（1）系統功能全面性。系統在實現保護的同時還可以實現遙測、遙信、遙控、遙調即“四遙”和防誤操作功能，為采區變電所的“無人值守”創造了條件。（2）系統組網安全性。系統的光纖通信網絡、礦用隔爆型光傳輸接口和保護主機均采用備份配置，一套系統發生故障時不會影響另一套系統的可靠運行。（3）系統先進性。該設計實現零時限速斷保護，徹底解決煤礦井下短路故障越級跳閘問題，實現多備份

煤礦井下保護，井下電度計量由地面裝置集中實現，將光纖通信和網絡數據共享的數字化變電站技術引入井下保護的系統。

2.監控分站系統設計

電力監控分站作為監控中心和綜合保護裝置的連接系統，起到將綜合保護裝置的測量信息（遙測、遙信的數據）上傳至監控中心，同時將監控中心的指令（遙控、遙調）發送給相應的綜合保護裝置的作用。監控分站具有如下功能：（1）每個監控分站至少能掛接32個綜合保護裝置，通過光纖與它們通信;（2）接收所掛接的綜合保護裝置的采集數據，并對數據進行統計分析，將結果上傳到監控中心，同時就地通過液晶屏顯示;（3）接收監控主機的控制指令（遙控指令），同時將指令傳送給相應的綜合保護裝置執行，并把執行結果傳回分站;（4）能在線顯示出現故障的電力設備的位置及原因，并報警;（5）系統具有多種通信接口，能適應各種通信方式;（6）采用全中文液晶顯示，能清楚地實時顯示電網的電流、電壓、零序電流、零序電壓、絕緣電阻、故障原因等;（7）具有超強的通信功能，在出現通信故障時，無須人工干預，系統能在極短的時間內自動檢測，重新啟動恢復通信。

二"網絡分析方法研究

由于煤礦井下級聯變電所和T接線路多，造成供電網絡復雜，因此采用的電網絡分析方法不但要有準確性而且要滿足故障隔離實時性的要求。網絡等值法和最小路法都需對網絡進行等值，而大多數的等值過程通過計算機實現比較復雜，尤其是對于較為復雜的供電網絡而言，等值過程更為繁雜。遞歸算法是一種直接或者間接地調用自身的算法。在計算機編程中，它往往使算法的描述簡潔且易于理解，編程工作量也大大減少，同時其運行快速的特點也滿足了短路故障隔離的實時性要求。該方法的優點在于：（1）無須進行網絡等值，原理簡單清晰，計算精度高，易于在計算機上實現;（2）當需要分析某負荷點附近的故障情況時，無須分析所有元件運行情況，可以有針對性地對網絡進行分析，大大減少計算量;（3）在分析過程中無須形成網絡的鄰接矩陣或特殊的鏈表關系，直接采用最基本的節點數據表和支路數據表對網絡進行搜索，與現場數據接口方便;（4）網絡分析采用遞歸算法，可大大減少編程工作量，提高程序執行效率，達到系統實時性的要求。

遞歸算法實現過程如圖2所示，其中A為供電節點，B、C、D為負荷節點，D為所求負荷節點，以D節點作為根節點，搜索到支路1，節點表加1，然后以另一節點B遞歸搜索，搜索到支路0，節點表再加1，再以另一節點C遞歸搜索，無支路，返回上級遞歸，繼續以B節點搜索，搜索到支路2，另一節點A為供電節點，則搜索完成標示設為真，遞歸返回。

三"算例驗證

設系統供電模式為單電源輻射式供電系統，母線為二分段接線，如圖4所示。其中配電變壓器高壓等級為10kV，低壓等級為0.4kV，每條母線帶有4組負荷，同時安裝有圖1所示的全局防越級跳閘系統作為通信和監控系統，保證數據的實時傳輸。

在計算過程中假設負荷點L4、L6和L7處發生了短路故障，采用本文提出的分析方法均能快速對故障點進行定位并斷開負荷所屬高壓側斷路器，沒有因為短路而發生越級跳閘的情況，保證了非故障點的正常工作，說明了該網絡分析方法的有效性。

在使用相同計算機系統情況下對上述案例進行計算分析，采用本方法比網絡等值法的計算速度大約快5%，比最小路法快3%，因為本算例網絡比較簡單，所以差別并不是很大，如果采用實際煤礦井下供電網絡，本方法的計算速度優勢將會更加明顯。

四"結論

煤礦井下防越級跳閘對煤礦的安全生產有著至關重要的作用，通過本文的研究可以得到如下結論：（1）建立的采用光纖通信的防越級跳閘系統能夠保障數據通信的實時性，使得主站監控系統能夠迅速判斷隔離故障點;（2）監控分站作為連接主站監控中心和綜合保護裝置的中間環節，起到重要的橋梁作用;（3）快速全局分析的遞歸算法為準確定位故障點、防止越級跳閘提供了技術支持。

參考文獻

[1]吳君、鄒有明、江均.井下高壓電網選擇性聯鎖自適應過流保護系統研究[J].工礦自動化，2006（1）

[2]李洪鋒.現場總線CAN-bus在煤礦通訊中的應用[J].電子技術應用，2007（8）

[3]閆濤.煤礦供電系統繼保裝置優化改進的研究[J].煤礦現代化，2009（4）

[4]張宏連.井下高壓線路越級跳閘的保護[J].安徽科技，2007（9）

[5]寧傳文.煤礦井下供電短路保護新設想[J].煤炭技術，2005（9）

[6]喬記陽.基于CAN總線的煤礦井下防越級跳閘系統的研究[D].河南理工大學，2010

[7]王剛.通信技術與電流保護的配合及實現[D].大連理工大學，2008

〔責任編輯：龐遠燕、汪二款〕