基于交換式以太網的井下供電保護裝置研究

衛 琦

（山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司， 山西 呂梁 033000）

引言

煤礦井下電網系統長期處于高塵、高濕的惡劣環境中，且工作時系統負荷波動極大，而井下電網系統為確保對不同區域設備的供電，常采用由許多短電纜構成的多級供電網絡結構，各回路的電阻較小，當下級電路在工作中發生短路故障時，瞬時產生的電流極大，遠超上一級保護裝置的保護電流的整定值，造成上一級的電路保護裝置發生跳閘。在整個電網系統中下級電路的短路電流越大就會造成更大范圍內系統的跳閘事故，使煤礦井下發生大范圍的停電事故，嚴重威脅煤礦井下的安全生產[1]。現有的煤礦井下供電系統保護裝置在實際應用中，往往只能滿足選擇性的保護要求，并不能滿足保護速動性的要求，且投資成本高、改造困難，無法實現大范圍的推廣，因此迫切需要開發新一代的井下供電系統保護裝置，滿足對井下供電系統的保護要求。

1 基于交換式以太網的井下供電保護裝置結構組成

新的基于交換式以太網的井下供電保護裝置需在現有的綜保裝置的基礎上增加一個具有以太網通信接口的聯鎖裝置，然后將整個電網內所設置的聯鎖裝置利用以太網交換機相互連接[2]，其整體結構如圖1所示。

該保護裝置應用了基于整定數值的防越級跳閘保護原理，根據各分支線路短路時線路內電流的最大數值分別設定該電路的速斷保護電流整定值，確保當井下供電系統的某個分支電路發生短路故障時，分支電路內的異常電流將超過其上級電路的保護整定值。上級電路的綜保裝置通過交換式以太網絡進行信息傳遞并啟動速斷保護。

圖1 基于交換式以太網的井下供電保護裝置結構示意圖

當井下供電系統發生故障時，因設置有整定電流保護，因此位于短路點的下級電路的綜保裝置是無法監測到故障電流的，位于短路點之上的各上級電路的綜保裝置，均可監測到短路時的異常電流，并控制開始，進行速斷電流保護，這時故障電路的各上級電路上的聯鎖保護裝置開始對系統的速斷保護動作進行約10 ms的閉鎖延時保護，并且會利用交換式以太網絡向各上級電路上的聯鎖保護裝置發出一個延時保護的信號，上級的聯鎖保護裝置每接收到從下級分支電路上發生的一個延時保護的信號就會再對該支路進行10 ms的保護延時。便于精確的安排各級保護裝置的延時保護時間。在延時保護啟動時若故障線路上的保護裝置在預定的延時的時間并沒有接到下級聯鎖裝置發出的延時保護信號，則在預定的延遲保護時間結束后即可解除分支電路的閉鎖保護信號，接著便由該級電路開始進行速斷保護跳閘動作。

該方案的優點在于不同級別的聯鎖保護裝置均能夠在監測到故障信號后延時10 ms開啟速斷保護，同時向上級各保護裝置也發生延時信號，從而使各級保護裝置能夠故障情況設置動作時限。按此方案，能夠在最短的時間內確定故障發生的電路，避免其他電路發生錯誤動作保護，造成大面積的停電事故，同時能在下級電路的綜保裝置啟動的情況下由上級電路實施保護，全面提高了供電系統的安全性和穩定性。

2 聯鎖保護裝置的設計

作為井下供電保護裝置的核心單元，連鎖保護裝置主要用于對系統的速斷保護進行延時閉鎖、完成線路內的延時保護信號的檢測、向上級線路發送連鎖保護信號等。各連鎖保護裝置均可看做是交換式以太網絡的節點，各連鎖保護裝置可通過以太網進行信息的交流和傳遞，根據所接受到的連鎖保護信號確定速斷保護所需的延時閉鎖的時間。系統的聯鎖保護裝置采用了PLC作為核心處理器[3]，并且與交換式以太網絡控制器構成標準通信接口。系統在工作時的跳閘信號和速斷保護信號分別通過跳閘信號輸出電路和速斷保護監測電路進行信息的傳遞。

聯鎖保護裝置主要包括單片機、跳閘電路、外圍設備電路、以太網接口電路等，單片機主要用于對閉鎖延遲信號進行分析并發出聯鎖信號同時利用跳閘電路實現對斷路器延時跳閘的控制。聯鎖保護裝置的整體結構如圖2所示。

圖2 聯鎖保護裝置結構示意圖

3 交換以太網信息傳遞實時性分析及仿真

本供電保護裝置的核心在于要求故障線路的速斷保護在啟動的10 ms以內進行閉鎖保護信號的傳遞，因此該系統所采用的交換式以太網在信息傳輸時的最大延遲是否超過10 ms便成了決定該系統可靠性的關鍵。因此采用了OPNET網絡仿真軟件[4]對該系統在工作時的網絡延時情況進行了仿真分析。該系統的網絡結構由聯鎖保護裝置及網絡線構成，其模型如圖3所示。

將該系統的仿真測試時間設置為100 h，仿真分析結果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，網絡在長時間的運行中，各信號的傳輸流量平穩，能夠很好地滿足該控制系統聯鎖信息的傳遞。圖5為隨機抽取的2個IP地址網絡節點到其他節點的信息傳遞的延時后延時波動情況的平均數值，其最大延時約為1 ms，且其波動非常小，信號傳輸穩定性非常高。以上分析結果表明，在系統中同時存在超過50個網絡節點同時進行傳輸數據的條件下，該交換以太網系統在信息傳遞延時性及信息傳遞平穩性方面均表現出來非常高的穩定性，能夠很好的滿足該井下供電保護裝置的要求。

圖3 以太網仿真模型

圖4 以太網兩個節點的收發數據流量變化

圖5 以太網兩個節點之間信息延時情況

4 結論

對交換式以太網在信息傳遞時的及時性和穩定性進行的仿真分析結果表明：基于交換式以太網的井下供電該保護裝置在實現對井下供電系統的保護方面具有極高的可靠性，為煤礦井下的安全、有序生產提供了強有力的保障。