煤礦智能供電系統單相接地網絡保護

張振華

【摘 要】提出了基于以太網的IEC 61850標準的單相接地網絡保護方案，首先設計了智能變電站結構，重點分析和研究了過程層同步采樣技術以及GOOSE通信網絡的延時特性。之后設計了智能變電站單相接地網絡保護動作邏輯以及算法流程，通過信息共享，可以智能化地判斷故障位置和類型，有選擇地發出保護動作。

【關鍵詞】煤礦；單相接地；同步采樣；供電系統

引言

目前，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，基于以太網的IEC61850標準的通信網絡和自動化的運行管理系統，是煤礦供電系統智能變電站最主要的技術特征。單相接地故障是電力系統一直未能很好解決的問題，各種單相接地保護原理層出不窮，但是每種方法都有各自的缺陷。而智能變電站技術的發展為單相接地故障在保護方面的研究提供了新思路。智能變電站是變電站自動化系統的發展方向，智能變電站最大的特點是實現了全站信息的共享，為新的單相接地保護原理提供了數據支撐。為此基于智能變電站底層數據共享的特點，構筑了煤礦智能供電供電系統的架構，研究了基于IEC61850的煤礦智能供電系統單相接地網絡保護方案。

1煤礦智能變電站結構設計

煤礦智能供電系統由地面和井下智能變電站以及區域集中控制中心組成。根據國家電網公司的相關規定，煤礦智能供電系統由過程層、間隔層以及站控層構成，其中間隔層和站控層形成環網，間隔層與過程層形成星型結構網絡，組成了智能供電系統的二級網絡。在區域集控式煤礦智能供電系統中，智能變電站能夠在脫離區域集控中心的情況下獨立完成數據的采集與分析，從而完成控制與保護動作，并且在該系統中，智能變電站只有過程層和間隔層兩層架構。其中井下智能變電站為了完成數據測量、電能質量監測以及控制、保護等功能，在間隔層集成了測控保護裝置，能夠在分析狀態信息后作出決策，并將控制命令通過通信系統發送至終端設備。

2煤礦智能供電系統單相接地保護關鍵技術

2.1過程層同步采樣技術

電力系統是一個實時平衡的動態系統，無時無刻負荷量不在發生著變化。傳統的變電站自動化系統對同步對時的精度要求比較低，而在基于智能變電站IEC61850通信標準的網絡保護采用“網采網跳”的方式，這就對同步對時提出了更高的要求。智能變電站過程層合并單元采樣如圖1。依據IEC61850國際標準工程化實施技術規范中規定：用于事件時標的時鐘其同步精確度左右不能大于1ms。因此，要實現變電站系統的智能化，首先必須保證全站各智能設備處于同一時鐘下，即時鐘同步。為此將以太網作為基礎，把基于全站唯一總線網絡的IEEE1588同步系統技術應用于煤礦智能變電站的建設中，以完成網絡時間同步協議的實現方案，并進行冗余配置，目前，IEEE1588是智能變電站時鐘同步系統的第一選擇，其精度達到了100μs。

2.2GOOSE通信網絡延時分析

GOOSE通信技術是IEC 61850協議中的一種快速報文傳輸機制，用于變電站內部設備之間的信號傳輸，能夠高效、快速地傳輸開關量信號以及控制信息，GOOSE技術利用通信網絡信號取代了傳統變電站設備之間的硬接線，各設備支架通過以太網進行連接，從而大幅簡化了設備之間的電纜連接。通過GOOSE通信技術，各智能設備既可作為發布者在網上發布數據，也可作為訂閱者接收來自網上的信息，從而實現了各設備之間的信息共享，可以說GOOSE通信技術是變電站智能化的關鍵技術。GOOSE報文傳輸具有實時性好的特點，其延時T主要由發送端延時Ts、傳輸過程延時Tc以及接收端延時Tr組成，其關系為：

T=Ts+Tc+Tr.（1）

發送端延時Ts主要包括報文打包的時間、發送端將報文發送至發送端緩沖區的時間和報文在發送端緩沖區等待發送時的派對時間。發送端延時主要取決于發送端的硬件性能以及軟件優化方式，一般情況下發送端延時應限制在10μs以內。傳輸過程延時Tc主要包括交換機轉發延時、在通信通道中的傳輸延時以及排隊延時，其計算公式為：

（2）

其中：N為以太網通信過程中參與信息轉發的交換機的個數；Tz為交換機轉發過程中的延時，一般在5μs以內；Tp為報文在兩個交換機之間的通信通道傳輸過程中的排隊時間；Td為在報文通信通道中的傳輸延時。由此可以看出傳輸過程延時主要取決于參與數據轉發的交換機數量以及工作方式。其中Tp和Td的計算公式為：

其中：b為常數，一般取b=20Byte；D為以太網的帶寬；Ld為實時報文長度，其取值范圍在64Byte到1 528Byte之間；Lp為網絡流量報文長度。在煤礦智能供電系統中，假定以太網帶寬是100Mb/s，以太網交換機為2臺，則傳輸過程延時應為381.49μs。接收端延時Tr主要包括接收端緩沖器排隊等待延時以及報文解析所用時間，其延時主要取決于接收端硬件性能以及軟件優化方式，與發送端延時類似，其延時一般在10μs以內。經過上述計算，可以看出報文發送總延時最大為401.49μs，即網絡的最大延時也不到IEC 61850規定的1ms延時的一半。所以智能化供電系統的網絡延時完全滿足要求，如果采用性能更強的交換機、提高以太網帶寬以及軟件優化，網絡延時會更低。

3單相接地網絡保護邏輯

單相接地網絡保護動作邏輯如圖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，當煤礦線路發生單相接地故障，一般可以允許系統故障狀態下運行1-2h，雖然對系統不會有太大影響，但是長時間的故障狀態運行仍然會給線路和設備造成不可修復的損壞，尤其在環境惡劣的煤礦井下，對設備和人身安全造成更大的威脅，因此，可靠的、有選擇性的、具有良好速動性的進行單相接地故障的識別與處理仍然十分必要。單相接地網絡保護算法流程如圖3。

通過網絡保護技術，可以在同一個智能隔爆開關中實現基于多信息融合的單相接地網絡保護。單相接地保護由同一母線段上的所有饋線智能隔爆開關和進線智能隔爆開關協同完成。當煤礦井下發生單相接地故障后，各智能隔爆開關通過過程層網絡共享所有支路的模擬量和開關量故障信息，每個智能高爆開關中有獨立的單相接地保護算法，可以獨立完成判斷本支路是否發生故障，并決定是否需要動作于跳閘，保護具有良好的選擇性、可靠性。當系統出現接地故障時，全系統會出現零序電壓，因此，單相接地網絡保護以零序電壓作為啟動判據，同時，還要甄別出由于電壓互感器斷線故障、鐵磁諧振等導致的“虛幻接地”現象。

結語

在煤礦供電系統中，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，隨著以太網技術在供電系統中的應用以及智能變電站的發展，通過過程層共享數據實現信息融合，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的結構，并對過程層同步采樣技術以及GOOSE通信技術延時特點進行了研究與分析，在此基礎上設計了單相接地網絡保護方案，該方案具有較好的可靠性和實時性，同時對不同故障類型進行了區分，具備智能化特點。

參考文獻：

[1]劉建華，李建冬，黃國清，等.基于三層兩網的煤礦智能供電系統接地保護方案研究[J].煤炭技術，2015（1）：309-311.

[2]王松，裘愉濤，侯偉宏，等.智能變電站繼電保護GOOSE網絡跳閘探討[J].電力系統自動化，2015（18）：140.

（作者單位：冀中能源股份公司葛泉礦）