李江森

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

煤礦井下多以單側電源雙(多)回輻射狀電網(wǎng)結構為主，由于各級變電站距離近，供電半徑小，電路阻抗低，電流整定小，使得各級變電站中有發(fā)生短路故障時，造成上級開關越級跳閘，導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)越級跳閘的問題，眾多專家學者進行了研究，文獻[2]提出在上下級線路兩端安設光纖縱聯(lián)差動故障裝置，對供電線路進行光纖縱聯(lián)差動保護；文獻[3]提出利用專門鋪設的電氣信號線進行供電保護，實現(xiàn)防越級跳閘的目的；文獻[4]提出基于算法和準則對主站或分站進行監(jiān)控，對供電故障點實行斷電保護；文獻[5]提出通過改變電網(wǎng)結構，對電網(wǎng)進行優(yōu)化，以距離保護方案替代電流速斷方案。上述多種方案對解決礦井防越級跳閘起到了較好的效果，但是造成電路設計復雜，造價高、穩(wěn)定性差，甚至個別方案需要明顯的限制條件，因此無法在礦井中普及。本文基于漳村礦實際供電背景，針對礦井生產(chǎn)中供電系統(tǒng)中發(fā)生的越級跳閘現(xiàn)象，提出基于GOOSE通信方案的井下防越級跳閘方案。

1 基于GOOSE通訊的井下故障區(qū)段定位系統(tǒng)架構

1.1 GOOSE通訊概述

GOOSE通訊是IEC61850重要的服務模型之一，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之間實時傳送跳閘信號和間隔閉鎖信號等信息，而且基于發(fā)布者/訂閱者通信機制，GOOSE支持多點間點與點的直接通訊，特別是在大量實時信息傳送的情況[1]。

1.2 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

由圖1可知，分層分布式光纖環(huán)網(wǎng)結構可具體分為管理層、網(wǎng)絡層和間隔層。

間隔層是防越級跳閘系統(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，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的保護、測控和控制[7]。

網(wǎng)絡層主要由光纖和GOOSE交換機構成，通過井下不同供電設備GOOSE交換機的聯(lián)組，實現(xiàn)防越級跳閘系統(tǒng)的通訊功能，即下級綜保裝置通過GOOSE交換機將閉鎖信號傳送至各自的上級保護，同時通過網(wǎng)絡層，使得各綜保裝置信號傳送至本地監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

管理層主要是為了實現(xiàn)對整個防越級跳閘系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，主要由通訊設備、礦用隔爆監(jiān)控分站和調度中心組成。

2 基于GOOSE通訊的防越級跳閘方案

2.1 基于GOOSE通訊的防越級跳閘原理

通過在各級保護建立GOOSE信號聯(lián)系，當某一級設備發(fā)生供電故障時，相應監(jiān)測的保護裝置迅速發(fā)出閉鎖信號，對其上級保護進行閉鎖，將故障鎖定在最小跳閘范圍。例如上級保護可依據(jù)斷路器的故障進行快速閉鎖，母線故障時可實現(xiàn)快速跳閘等。通過GOOSE通訊布置，可在多分支配電網(wǎng)分布下實現(xiàn)區(qū)域性保護，有效改善了保護時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，構建如圖2所示等效零序網(wǎng)絡圖。圖中ufo為接地故障點壓降，Loi為線路i的零序電感，Roi為線路i的零序電阻，Coi1和C0i2分別為母線側零序電容和負載側零序電容，同時依據(jù)故障線路i，確定狀態(tài)量方向從故障點到母線。開關K的閉合狀況深刻影響系統(tǒng)正常運行，當開關閉合后，系統(tǒng)轉變?yōu)橹行渣c消弧線圈接地系統(tǒng)。

當系統(tǒng)出現(xiàn)單向接地故障時，流過健全線路的零序電流等于其自身對地電容電流，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，由于負荷零序阻抗相對于其他電路元件非常大，可近似忽略，因此兩個對地電容相同，各占據(jù)總對地電容的一半，在井下6 kV/35 kV實際供電系統(tǒng)中，對地電容還將受到眾多分支線路和負荷變壓器等多種因素的影響，使其變得更加復雜[7]。為了簡化模型，通常將上述多種影響因素進行等效，并在等效后進行電容與模型負載側對地電容的疊加計算。在圖3中設定母線側對地電容為取線電路總對地電容的一半，則對地電容值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構建健全線路下零序電流和零序電壓的表達式：

(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為保護安裝位置流過健全線路的零序電流值；u0為保護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域方程：

(2)

利用復化梯形公式進行處理得：

i0=i(k)

uo=u(k)

(3)

式中：i(k)為當發(fā)生故障時刻，第k個采樣點零序電流；u(k)為當發(fā)生故障時刻，第k個采樣點零序電壓；T為相鄰兩個采樣點之間的時間間隔。

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

2.2.3 接地判據(jù)確定

基于前述推導，可對對地電容C進行參數(shù)估計，同時通過前述模型對實際情況進行判定，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) 對地電容平均值為負值：

(5)

式中：c(k)為對k個采樣點對地電容值。

當出現(xiàn)式(5)情況時，直接判定為基地故障線路。

2) 對地電容平均值為正值：

式中：σ為誤差等級，取0.6。

當出現(xiàn)式(6)情況時，說明該線路發(fā)生接地故障。當式(5)和(6)均不符合時，該線路被判定為健全線路，當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，結構網(wǎng)絡多以單側電源輻射狀干線為主，并伴隨眾多分支線路，通過對電路進行拓撲節(jié)點化顯示，得到如圖4所示的井下供電系統(tǒng)結構示意，規(guī)定當電流從元件流向對應節(jié)點為反向節(jié)點，相反則為正向節(jié)點，例如HBrk01反向節(jié)點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)點與其相關的正向和反向節(jié)點中，當短路在K4處發(fā)生時，基于前述判定模型HBrk02、HBrk08、HBrk11、HBrk06、HBrk10、HBrk12被判定發(fā)生接地故障，為進一步定位，上述保護裝置分別向其正向節(jié)點發(fā)送閉鎖信號，其中HBrk08、HBrk11、HBrk06、HBrk10、HBrk12接收到閉鎖信號后，進行閉鎖保護動作，然后HBrk02指示該線路故障地點[8]。需要注意的是，由于算法的復雜性，保護動作需要一定時間，為保證系統(tǒng)可靠性，在本文中對保護接受閉鎖信號時間間隔設定為100 ms。

圖4 井下供電系統(tǒng)示意

3 結 語

本文基于漳村礦實際供電系統(tǒng)特點，設計了一種基于GOOSE通訊的井下防越級跳閘方案，文中對所設計系統(tǒng)的組成和原理進行了簡要介紹，并對系統(tǒng)防越級跳閘機制進行了闡述，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。