基于GOOSE通信網絡的防越級跳閘系統設計應用*

張彬彬

(西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 太原 030053)

0 引 言

煤炭資源作為我國重要的化石能源，其在我國能源消耗中占比超過6成，在我國一次能源消耗中占據7成以上的比重，因此煤炭資源將長期處于絕對領導地位。礦井供電系統作為礦井生產重要的保障系統，其穩定運行對于礦井生產有著至關重要的意義，供電系統供電不穩定造成煤礦停電，對礦井開采有較大的影響，同時由于停電造成機械設備的急停，嚴重影響設備的使用壽命，因此礦井供電的穩定性研究十分重要。

礦井供電系統越級跳閘主要是指電力系統出現故障時，應由保護整定優先跳閘的斷路器來切除故障，但因故由其他斷路器跳閘來切除故障。越級跳閘事故是影響系統穩定性的重要故障，越級跳閘使采掘工作面大幅度停工，嚴重影響礦井開采生產和經濟效益。筆者基于前人對防越級跳閘系統的研究，通過對防越級跳閘技術進行分析應用，得出礦井供電系統防越級跳閘設計方案，旨在為后續礦井供電系統設計及供電穩定性提供相關有意義的參考[1]。

1 越級跳閘原因

1.1 供電系統失穩

供電系統失穩現象會造成系統發生越級跳閘事故，在供電系統中，由于用電設備功率逐步加大，且礦井工況環境較為惡劣，使礦井供電系統常常會由于井下大功率機電設備數量較多,引起礦井供電系統失穩情況，如欠壓、失壓三相不平衡等，失穩會造成保護裝置的聯鎖控制開關出現故障，導致分線路出現短路問題，使保護裝置開關無法正常工作，發生供電系統越級跳閘事故。

1.2 礦井開關配置問題

隨著礦井生產能力日益加大，井下機械設備功率及數量不斷增加，造成礦井設備供電系統電負荷不斷加大，由于井下供電系統高壓隔爆裝置未能按照設計要求進行合理布置，部分高壓開關更新不及時等，使得系統中開關發生故障的幾率增大，供電質量及供電安全有所降低，此時會造成供電系統出現短路，而高壓隔爆開關的響應速度慢于支路其他開關，出現越級跳閘事故。

1.3 電路速斷方式落后

在礦井供電系統中保護電路的上下級保護差為0.5 s，在實際工作過程中為了保證故障線路檢查速度，會采用0時差上下級速斷保護方式，通過采用此方法可提升電流的導電能力，但對導電材料性能要求有所增加，礦井在提升上下級速斷時間的同時未提升導電材料性能，所以此時會造成越級跳閘事故。

1.4 整定方法不當

我國大部分煤礦進行井下短路保護整定計算，計算時采用最大負荷電流的方法，此時計算值會小于短路電流整定計算數值，所以供電系統一旦發生短路，此時沿線會立刻發出保護命令 ，從而發生越級跳閘事故。

1.5 漏電保護裝置不合理

礦井高壓供電網中必須對單相接地電容進行相應限制，同時保證電流不高于20 A，但在礦井實際生產過程中，由于供電系統較為復雜，使工作過程中的電氣干擾和高次諧波對系統供電的穩定性產生較大影響，此時會造成系統漏電保護系統功能性有所降低，從而造成越級跳閘現象。

2 防越級跳閘系統設計

2.1 總體結構

在防越級跳閘系統構造中，GOOSE通信網絡應用廣泛。GOOSE 系統是以IEC61850為主要服務模式，P2P (Peer-to-Peer)為基礎通信，創造了快速、高效的通信措施，通過以太網傳輸的任何通信均能以廣播方式傳送到以太網，操作人員可以獲得需要的信息。系統采用分層分布式光纖環網結構，分為間隔層、網絡層、管理層，防越級跳閘系統總體結構如圖1所示。

圖1 防越級跳閘系統總體結構

在間隔時間內對小型終端-體化保護，在變電站之間的間隔期內得到地面下運行臺站的保護，這些分臺站連接著GOOSE變壓器和GOOS交換機，從而提供了一個光纖通信網絡，通過該網絡，通信部門和地面下電力監測的分臺站通過光纖網絡，該地區通信和地面能源控制部，通過網絡將信息遠程傳輸到有光纖電纜的地方控制系統。系統由有線和無線通信、礦用隔爆電力監測的分電站和移動控制中心管理。

2.2 處理器選擇

對防越級跳閘系統的處理器進行選型，選用powerPC+FGPGA模塊，powerPC處理器能夠實現數據取樣、數據處理、地面故障解決、時間管理、人機交互、故障頻率存儲等功能；而 FPGA 能夠完成模擬量的采樣和處理。主處理器選用MPC8313E芯片，處理器的工作頻率可以達到333 MHz,具有高度集成性，同時能夠支持外部設備連接，能夠大幅度簡化設計，提高開放效率，具有十分優越的應用效果。FPGA主要用于模擬量采樣及處理，選用Spartan-6 FPGA系列的XC6SLX9處理器。其在總成本方面、性價比、功耗平衡方面具有較強的優越性[2]。

2.3 電源選擇

系統電源選擇PT (AC 1 100 V)，其中三相電壓分兩個軌道，分別在電磁分離后取樣，通過A/D 轉換形成數字信號，后發送于FPGA，此時另一軌道為系統全部的方面進行能量補給，補給電壓為24 V、12 V、5 V、3.3 V。

2.4 交換機選擇

系統的A/D交換機作為交換模型的核心，內部使用MAX125芯片。MAX125芯片是具有高速度8通道的交換裝置，是防越級跳閘系統典型通信渠道，設備內部配備了雙極±5伏電源，在工作取樣范圍內。誤差為0.008 %，信號轉換速度為3 μg。同時MAX125芯片平行數據接口與大部分16位/32位處理器和數字信號處理器兼容，無需等待轉化時間。

2.5 模塊設定

開關量輸入輸出模主要是為用于交換輸入信號(風、瓦)。同時為了有效保障交換信號可靠性，在中央處理交換流量采用防止技術，通過采用TL 2521接口電路的無源光學輸入通道(PC)和光柵(PC)以及CPU端口和干預信號塊之間的電絕緣。

2.6 通訊模塊設計

防越級跳閘系統的通訊模塊采用以太網通信結合RS485/232完成，其中以太網的工作任務主要是對發送、接收信息，同時能夠補充主要站點的交換信息，RS485/232主要用于交換主機連接及服務輸入端口。以太網的通信基礎芯片選用LXT971A，其能夠自適應傳輸接收信號，同時以太網實現信號的快速對等，當以太網發出信號時，此時通過相加過濾器進行信號傳送，電路信號轉換為兼容電平面，系統接收到信號時，對信號進行級別轉換，再通過交叉電路將其轉換成能所需電平的電磁感應信號。通訊網絡示意圖如圖2所示。

人機交互模塊是人與設備互動模塊，顯示器選擇為LCD 128*64的顯示屏幕。顯示器通過非加密鍵盤及低信號掃描進行操作，后通過設計的軟件進行判斷鍵值，從而得到相應的鍵調節步驟。顯示器可以顯示文字及圖形信號、同時顯示編輯程序，具有較好的優越性。

圖2 通訊網絡示意圖

3 系統應用

系統應用界面圖如圖3所示。

圖3 系統示意圖

所設計的防越級跳閘系統應用過程中，發現系統接地會對接地故障的判別進行干擾，同時保護裝置能夠準確判斷、定位，但設備須良好接地。所以設備接地對設備可靠運行至關重要。同時在小電流接地選線會干擾影響接地故障識別，產生不良影響，嚴重會造成死機[3]。

系統運行6個月中，統計發生4次短路故障。其中越級跳閘1次，剩余均正常動作，越級跳閘是由于通信導致問題出現，根據事件記錄，發現GOOSE通信存在不穩定情況，從而引發越級跳閘。所以后續對通信網絡、通信接口等進行設置，有效消除通信不穩定的情況，避免越級故障再次發生。

4 結 語

對礦井越級跳閘產生的原因進行分析，給出了供電系統失穩、開關不合理、電路速斷方式落后、整定方法不當等導致越級跳閘事故發生的原因，并基于GOOSE通信網絡設計了防越級跳閘系統，分別對系統處理器、電壓模塊、輸入輸出模塊、通訊網絡、人機界面等硬件選型進行分析，給出了整套防越級跳閘系統，并通過應用找出越級跳閘系統存在的問題并進行整修，為解決供電系統越級跳閘事故做出參考。