基于GOOSE通訊的井下防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李江森

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

煤礦井下多以單側(cè)電源雙(多)回輻射狀電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，由于各級(jí)變電站距離近，供電半徑小，電路阻抗低，電流整定小，使得各級(jí)變電站中有發(fā)生短路故障時(shí)，造成上級(jí)開關(guān)越級(jí)跳閘，導(dǎo)致礦井供電困難甚至癱瘓，給企業(yè)造成極大損失[1]。

為有效解決供電系統(tǒng)出現(xiàn)越級(jí)跳閘的問題，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]提出在上下級(jí)線路兩端安設(shè)光纖縱聯(lián)差動(dòng)故障裝置，對(duì)供電線路進(jìn)行光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)；文獻(xiàn)[3]提出利用專門鋪設(shè)的電氣信號(hào)線進(jìn)行供電保護(hù)，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘的目的；文獻(xiàn)[4]提出基于算法和準(zhǔn)則對(duì)主站或分站進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)供電故障點(diǎn)實(shí)行斷電保護(hù)；文獻(xiàn)[5]提出通過改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以距離保護(hù)方案替代電流速斷方案。上述多種方案對(duì)解決礦井防越級(jí)跳閘起到了較好的效果，但是造成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高、穩(wěn)定性差，甚至個(gè)別方案需要明顯的限制條件，因此無法在礦井中普及。本文基于漳村礦實(shí)際供電背景，針對(duì)礦井生產(chǎn)中供電系統(tǒng)中發(fā)生的越級(jí)跳閘現(xiàn)象，提出基于GOOSE通信方案的井下防越級(jí)跳閘方案。

1 基于GOOSE通訊的井下故障區(qū)段定位系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 GOOSE通訊概述

GOOSE通訊是IEC61850重要的服務(wù)模型之一，基于P2P通信，可在Ethernet任意IED之間建立通信連接，更加高效、穩(wěn)定、快速的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分布式通訊[6]。GOOSE主要用于數(shù)字變電站各ICD之間實(shí)時(shí)傳送跳閘信號(hào)和間隔閉鎖信號(hào)等信息，而且基于發(fā)布者/訂閱者通信機(jī)制，GOOSE支持多點(diǎn)間點(diǎn)與點(diǎn)的直接通訊，特別是在大量實(shí)時(shí)信息傳送的情況[1]。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，分層分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可具體分為管理層、網(wǎng)絡(luò)層和間隔層。

間隔層是防越級(jí)跳閘系統(tǒng)核心組成單元，主要分為兩部分，一部分為地面微機(jī)綜保裝置，另一部分為井下高開綜保裝置。間隔層具有GOOSE通訊功能，通過裝置聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的保護(hù)、測控和控制[7]。

網(wǎng)絡(luò)層主要由光纖和GOOSE交換機(jī)構(gòu)成，通過井下不同供電設(shè)備GOOSE交換機(jī)的聯(lián)組，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的通訊功能，即下級(jí)綜保裝置通過GOOSE交換機(jī)將閉鎖信號(hào)傳送至各自的上級(jí)保護(hù)，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)層，使得各綜保裝置信號(hào)傳送至本地監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

管理層主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，主要由通訊設(shè)備、礦用隔爆監(jiān)控分站和調(diào)度中心組成。

2 基于GOOSE通訊的防越級(jí)跳閘方案

2.1 基于GOOSE通訊的防越級(jí)跳閘原理

通過在各級(jí)保護(hù)建立GOOSE信號(hào)聯(lián)系，當(dāng)某一級(jí)設(shè)備發(fā)生供電故障時(shí)，相應(yīng)監(jiān)測的保護(hù)裝置迅速發(fā)出閉鎖信號(hào)，對(duì)其上級(jí)保護(hù)進(jìn)行閉鎖，將故障鎖定在最小跳閘范圍。例如上級(jí)保護(hù)可依據(jù)斷路器的故障進(jìn)行快速閉鎖，母線故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速跳閘等。通過GOOSE通訊布置，可在多分支配電網(wǎng)分布下實(shí)現(xiàn)區(qū)域性保護(hù)，有效改善了保護(hù)時(shí)間極差配合困難的問題。

2.2 基于GOOSE通訊的井下接地故障定位原理

2.2.1 故障模型建立

在小電流接地系統(tǒng)中有N條輸電線路，其中某線路i發(fā)生單向接地時(shí)，構(gòu)建如圖2所示等效零序網(wǎng)絡(luò)圖。圖中ufo為接地故障點(diǎn)壓降，Loi為線路i的零序電感，Roi為線路i的零序電阻，Coi1和C0i2分別為母線側(cè)零序電容和負(fù)載側(cè)零序電容，同時(shí)依據(jù)故障線路i，確定狀態(tài)量方向從故障點(diǎn)到母線。開關(guān)K的閉合狀況深刻影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)開關(guān)閉合后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹行渣c(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單向接地故障時(shí)，流過健全線路的零序電流等于其自身對(duì)地電容電流，而所有健全線路零序電流之和等于所有流經(jīng)故障線路的零序電流。隨機(jī)選取并簡化電路圖上的一條健全線路，具體如圖3所示，其中將線路上的母線區(qū)域等效為電源。

圖3 母線區(qū)域故障等效電路

在等效電路中，由于負(fù)荷零序阻抗相對(duì)于其他電路元件非常大，可近似忽略，因此兩個(gè)對(duì)地電容相同，各占據(jù)總對(duì)地電容的一半，在井下6 kV/35 kV實(shí)際供電系統(tǒng)中，對(duì)地電容還將受到眾多分支線路和負(fù)荷變壓器等多種因素的影響，使其變得更加復(fù)雜[7]。為了簡化模型，通常將上述多種影響因素進(jìn)行等效，并在等效后進(jìn)行電容與模型負(fù)載側(cè)對(duì)地電容的疊加計(jì)算。在圖3中設(shè)定母線側(cè)對(duì)地電容為取線電路總對(duì)地電容的一半，則對(duì)地電容值C01和C02將隨之發(fā)生變化，即C01

2.2.2 模型方程建立

基于圖3構(gòu)建健全線路下零序電流和零序電壓的表達(dá)式：

(1)

式中：L0為健全線路中的零序電感；R0為健全線路中的零度電阻；C1、C2為健全線路中的零序電容；i0為保護(hù)安裝位置流過健全線路的零序電流值；u0為保護(hù)安裝位置流過健全線路的零序電壓；

經(jīng)過整理并二重積分可得時(shí)域方程：

(2)

利用復(fù)化梯形公式進(jìn)行處理得：

i0=i(k)

uo=u(k)

(3)

式中：i(k)為當(dāng)發(fā)生故障時(shí)刻，第k個(gè)采樣點(diǎn)零序電流；u(k)為當(dāng)發(fā)生故障時(shí)刻，第k個(gè)采樣點(diǎn)零序電壓；T為相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。

聯(lián)立式(2)和式(3)可得：

u0=R0[i2(k)-C1u1(k)]+L0[i1(k)-

(4)

由圖2所示，當(dāng)K閉合后，系統(tǒng)成為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，但健全線路模型不發(fā)生改變，同時(shí)健全線路上的零序電流和母線上的零序電壓間的等量關(guān)系也相應(yīng)保持不變，因此健全線路模型適用開關(guān)K閉合后的系統(tǒng)。

2.2.3 接地判據(jù)確定

基于前述推導(dǎo)，可對(duì)對(duì)地電容C進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，同時(shí)通過前述模型對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行判定，確定線路是否發(fā)生故障，即線路符合模型則為健全線路，否則線路發(fā)生故障，假如模型判定所有線路正常，則判定母線發(fā)生故障，具體判定方法如下：

1) 對(duì)地電容平均值為負(fù)值：

(5)

式中：c(k)為對(duì)k個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)地電容值。

當(dāng)出現(xiàn)式(5)情況時(shí)，直接判定為基地故障線路。

2) 對(duì)地電容平均值為正值：

式中：σ為誤差等級(jí)，取0.6。

當(dāng)出現(xiàn)式(6)情況時(shí)，說明該線路發(fā)生接地故障。當(dāng)式(5)和(6)均不符合時(shí)，該線路被判定為健全線路，當(dāng)所有線路均判定為健全線路，則判定接地故障發(fā)生在母線處。

2.2.4 接地故障定位

在井下供電系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多以單側(cè)電源輻射狀干線為主，并伴隨眾多分支線路，通過對(duì)電路進(jìn)行拓?fù)涔?jié)點(diǎn)化顯示，得到如圖4所示的井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，規(guī)定當(dāng)電流從元件流向?qū)?yīng)節(jié)點(diǎn)為反向節(jié)點(diǎn)，相反則為正向節(jié)點(diǎn)，例如HBrk01反向節(jié)點(diǎn)在該元件與干線連接位置。

在故障定位模型中，GOOSE通訊建立在各節(jié)點(diǎn)與其相關(guān)的正向和反向節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)短路在K4處發(fā)生時(shí)，基于前述判定模型HBrk02、HBrk08、HBrk11、HBrk06、HBrk10、HBrk12被判定發(fā)生接地故障，為進(jìn)一步定位，上述保護(hù)裝置分別向其正向節(jié)點(diǎn)發(fā)送閉鎖信號(hào)，其中HBrk08、HBrk11、HBrk06、HBrk10、HBrk12接收到閉鎖信號(hào)后，進(jìn)行閉鎖保護(hù)動(dòng)作，然后HBrk02指示該線路故障地點(diǎn)[8]。需要注意的是，由于算法的復(fù)雜性，保護(hù)動(dòng)作需要一定時(shí)間，為保證系統(tǒng)可靠性，在本文中對(duì)保護(hù)接受閉鎖信號(hào)時(shí)間間隔設(shè)定為100 ms。

圖4 井下供電系統(tǒng)示意

3 結(jié) 語

本文基于漳村礦實(shí)際供電系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于GOOSE通訊的井下防越級(jí)跳閘方案，文中對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行了簡要介紹，并對(duì)系統(tǒng)防越級(jí)跳閘機(jī)制進(jìn)行了闡述，與其他方案相比，本系統(tǒng)簡單可靠，安裝方便，符合井下供電系統(tǒng)改造規(guī)范。