基于分布式區域保護技術的煤礦變電所無人值守系統設計

張建鋒

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

本設計采用分布式區域保護技術著重解決目前煤礦供電自動化系統存在的保護定值不能連續可調，上下級保護無法配合，造成越級跳閘情況的問題，實現變電所的無人值守。通過對發生越級跳閘的主要原因的研究分析，提出了一種煤礦井下變電所無人值守控制系統。該系統實現綜合保護裝置間故障信息極速傳遞，閉鎖非故障線路開關，及時準確切斷故障開關，實現防越級跳閘保護。同時，系統集測量、保護、控制、通訊、管理功能于一體，實現變電所“六遙”控制功能，協助調度運行人員進行電力系統的調整、指揮和操作，從而實現電網安全可靠運行，在減員增效基礎上進一步減輕工作人員勞動強度，在安全生產的基礎上提高礦井的自動化水平和運營管理水平。

1 發生越級跳閘的主要原因

按三段式保護理論，短路保護保護到線路全長的80%，帶時延的過流保護作為后備保護保護到下級變電所的開關以下。而煤礦電網都是短線路，線路前端電路短路和線路末端短路，開關感受到的短路電流基本上一樣，造成上下級變電所短路保護無法進行配合，這樣，就造成下級變電所的線路短路，上下級短路保護都啟動，造成越級跳閘的發生。對于這種情況，城市配電網的做法是第一級開關的速斷保護不投入，而采用過流保護通過延時時間進行上下級過流保護的配合。而在煤礦，35 kV 變電站或110 kV 變電站由集團供電公司管理，而只有下級和下下級6/10 kV 變電所才由礦上管理，無法實現速斷保護退出，而采用過流保護靠時間級差進行配合的辦法。這也是造成越級跳閘的原因。

2 分布式區域保護原理

本設計采用分布式區域保護原理。分布式區域保護的基本思想為：使各級保護建立信號聯系。當任何一級保護在檢測到短路故障時，迅速發出閉鎖信號，閉鎖其上一級保護，以將故障鎖定在最小跳閘范圍內。當斷路器失靈時，上級保護可快速動作，母線故障可實現快速跳閘。區域保護適用于分支較多的配電網，解決保護時間級差無法配合問題。

分布式區域保護采用突變量作為啟動判據，動作靈敏?，F以圖1為例，對保護動作性能進行分析。

圖1 分布式區域保護正常動作

假設出線1發生相間短路，記時刻t0=0。進線和出線保護均感知故障電流，突變量啟動判據成立，發出區域保護信號，耗時5 ms，記t1=5 ms。區域保護聯絡信號傳送到對側耗時約10 ms，記t2=15 ms。進線保護在速斷出口前，收到出線1的故障聯絡信號，關閉跳閘出口。由于出線1保護沒有收到任何聯絡信號，在t3=35 ms 時刻速斷保護出口，切除故障線路。故障切除后，撤除向進線發送的聯絡信號。

分布式區域保護還對出現較頻繁的6/10 kV 斷路器拒動情況進行了考慮。目前6/10 kV 真空斷路器跳閘時間50～60 ms，考慮可靠切除短路電流等因素，動作于跳閘的保護，在發出跳閘命令110 ms 后如果故障電流仍未消失，則認為是斷路器拒動，保護器主動撤除上送的聯絡信號。收到聯絡信號的保護，則啟動一個285 ms（160+110+15）的聯絡信號自動解除計時，作為后備保護。如圖2所示。

圖2 斷路器失靈分布式區域保護

3 分布式區域保護性能分析

采用網絡化基因拓撲算法，利用開關間自主交換故障信息進行協商的形式，自主判斷故障區段，實現全網零秒速斷，以達到防越級跳閘的目的，系統具有級聯縱差保護、母差保護、三段式過流保護和零延時智能后備保護等防越級跳閘保護功能，電力系統采用多點式部署級聯縱差保護器，全方位構建電力參數專用網絡的信息快速交互，精準確定電力故障發生的地址段，精準快速地對目標地址段的故障開關進行切斷，以避免越級跳閘。

4 系統組成

煤礦變電所無人值守系統由遠程監控、傳輸網絡、現場控制三部分組成。遠程監控部分主要由SCADA監控軟件、云數據中心、監控客戶端及配套外設組成；傳輸網絡部分采用工業以太網+現場總線的方式實現；現場控制部分主要由多協議網關、高低壓智能綜合保護器等組成。整個系統采用分層分布式結構，分為間隔層、網絡層、管理層。各配電室保護裝置及智能儀表等為間隔層，負責全站數據采集、控制命令的執行、調節命令執行等；各配電室通訊管理屏及光纖環網、網絡轉接設備為網絡層，負責全站信息的整合、傳輸以及上級命令的傳達；調度中心各設備構成了管理層，主要負責信息的集總、分析，人機對話，各控制命令、調節命令的下發等。整個系統結構清晰、權責分明，可以安全、可靠完成供電監控系統的6遙任務，進而實現各個配電室的無人值守運行。系統架構如圖3所示。

圖3 變電所無人值守系統架構

變電所無人值守系統的現場控制層由電壓電流互感器、礦用綜合保護裝置、礦用多協議網關等構成，承擔全系統數字化采集、接收和執行控制指令；傳輸網絡層由交換機組建的工業以太環網構成，實現地面調度監控中心與高低壓綜合保護裝置實時通訊；遠程監控層由調度中心、地面監控主機等構成，實現系統設備的遠程監控及維護。

礦用多協議網關和開關智能綜合保護單元間采用RS485通信，開關設備的電力參數由礦用多協議網關通過井下光纖環網交換機傳輸到地面煤礦供電監控系統后臺。電力監控中心可對變電所設備實施遠程控制，電力監控系統后臺能夠以OPC 方式，將數據傳輸到全礦井綜合自動化平臺，實現數據共享和網絡發布。

5 系統設計

5.1 地面集控中心

主要由電力監控主機和系統軟件組成，硬件包括：1臺電力監控主機、1臺電力監控備機、GPS 受時器、打印機、音響等設備；地面電力中心站采用國產化操作系統平臺，用Visual Graph 進行設計，采集變電所監控開關數據，具備動態閉鎖聯動，透明化管控展示。監控中心站通過環網設備與多協議網關實現高低壓開關數據的實施動態監控，并可以通過授權網絡進行訪問監控，配合移動終端實現電力監控信息的分級推送及分級管控，實現對煤礦電網監控及電力設備管控的全生命周期管理。

電力監控中心站對井下各變電所的開關進行遠程監測、控制、遙測和遙調，并為煤礦智能化相關的系統或平臺預留需要接入的數據點，通過系統的導航項目實時動態顯示電力監控的運行參數、狀態的畫面、報警提示、視頻聯動彈窗及完整的無人化監控數據需求?？傆[圖如圖4所示。

圖4 人機總覽交互

5.2 現場設備配置

在變電所內部安裝礦用隔爆兼本安型多協議網關，將變電所內高、低壓開關的綜合保護器以RS485方式接入礦用多協議網關。礦用隔爆兼本安型多協議網關對開關數據進行預處理將數據分級，通過工業以太環網上傳到地面電力監控系統中心站。將變電所內部開關高壓綜合保護裝置利用高速總線互連，變電所的高低壓開關通過綜合保護裝置與就近的環網設備實現互聯互通，構建故障信息高速傳輸網絡，實現防越級跳閘保護功能。在變電所內部安裝礦用本安型攝像儀，接入就近工業以太網交換機可以實現變電所遠程視頻監視功能。在變電所內部安裝井下巡檢機器人，可沿變電所巡檢路線鋪設的吊掛軌道巡檢，具備自動行走、自主定位、煙霧和溫度感知、音視頻監測、環境參數監測等功能，替代人工實現變電所智能化巡檢。為了保障系統的可靠性，配置的多協議網關應具備雙機熱備功能，變電所設計2臺多協議網關，配置2臺KDG3K 斷電器、2臺本安電源，用于網關與綜保之間的通信線路切換。

6 系統功能

本系統建成后，實現在地面監控中心對所有變電所保護器數據采集和遠程控制，在調度室能看到所有實時數據；具備對高低壓開關進行全方位監測，能夠實現故障點多方位預警等功能，實現煤礦變電所電力無人化監控。對全礦井的高低壓開關實現遙測、遙信、遙控、遙調、遙脈、遙視。不僅實現了減員增效，還能對電網進行故障自動定位、自動判斷故障區段、自動給出恢復供電預案、并具備一鍵式快速恢復供電功能（批量遙控）、電能計量，為精細管理、節能減排打基礎；還能對電網及電能質量進行分析，充分掌握電網運行規律。提高煤礦信息化、智能化管理水平，減少機電管理部門電力故障處理工作量，縮短電力故障引起的停電時間，實現井下變電所無人值守或少人值守。

7 結術語

在煤礦變電所無人值守系統設計過程中，結合分布式區域保護的性能分析，通過此思想設計的變電所無人值守系統在現場的實際運行表明，有效解決了越級跳閘情況和漏電保護無選擇性情況的發生。該系統設計合理，運行穩定、可靠，對變電所供電系統起到了安全保障的作用，實現了煤礦變電所的無人值守和煤礦企業的減員增效，對今后的煤礦供電系統的設計具有一定的指導意義。