煤矿供电差动保护方式研究

如果对煤矿井下供电系统的线路进行适当地区域划分，各区域配置差动保护，各线路保护装置通过通讯网络实时传输线路信息至上层信息处理中心，当发生故障时，就可以准确地选择出故障区域，再采用系统中心控制逐级闭锁的方式，就可以在切除故障区域的同时，防止越级跳闸的发生。

煤矿供电系统差动保护的特点

由于煤矿井下供电系统结构、运行环境等与地面供电线路的不同，使得此时在实现差动保护上具有自身的特点，主要如下:首先，不平衡电流的影响增大，主要由以下几个方面造成:①煤矿井下供电系统基本全部采用井下电缆构建，系统的对地电容增大，系统故障或者系统空载时，区域内部有较大容性电流，容易造成保护的误动;②由于煤矿井下供电系统多以负荷为中心，馈出线复杂，且多为网状分支线路，增加了线路区域，在稳态情况下，大大增加了互感器特性不一致引起的非故障区域误选择;③井下用电设备多为大功率电机和移动变压器，且容量在不断增大，电压等级也在逐步提高，大型电机在重载或者内部不平衡故障、大容量变压器在外部故障切除或者空载时，都会造成很大的不平衡电流，影响差动保护的正常判断。其次，全网数据的同步性问题。由于系统是在IEC61850基础上构建的，并且为了满足不同区域均可配置差动保护的要求，全系统必需采取同步采样，减少数据不同步造成的不平衡电流的影响。但是煤矿井下供电线路多为串联的网状分支，且同级线路长短不一，长的线路可有几公里，短的仅为几十米，在采用IEC61850模型构建通讯系统时，即使是采样保持了同步性，但传输和保护主机处理时也不能完全保持全网区域的同步处理，特别是在底端采样频率高、网络通讯拥堵时，这种问题更加明显。

煤矿供电系统实现差动保护的几点方法

针对以上出现的问题，结合系统自身特点，参考地面差动保护系统提出以下几点对策［4－5］:首先，针对系统的容性电流，特别是各区域的零序差动电流，硬件上定时检测系统电容电流，进行实际的补偿，软件上进行监控补偿，保证各区域不平衡电流在要求的数值范围以下;针对穿越电流造成的误动作，系统可选用工频变化量的比率差动或变比率差动，适当地提高差动保护的灵敏性;同时，在特殊情况下，系统可设置保护启动门槛和延时，以躲过不平衡电流的影响。针对系统同步性，可全网采用GPS同步采样控制，保证底层采样的同步;另外，系统在配置时考虑到差动保护的动作范围，系统线路实际供电区域、主次关系，系统线路长短等，重新划分系统区域，避免线路过短对系统线路参数造成的不平衡;同时，各区域首末端采样信息进行绑定上传，系统保护主机对各区域独立运算，减小了全网数据传输不同步对保护造成的影响;同时，系统可设置2套独立的保护系统进行信息处理，以增加系统的安全性。

基于IEC61850的系统模型

1煤矿数字供电保护系统结构

IEC61850是关于数字化变电站通讯网络和系统的标准，主要完成对数字化变电站系统的系统分层、功能描述和对象建模。在逻辑结构上，IEC61850通讯协议把数字化变电站分为过程层、间隔层和站控层，各层次之间采用高速网络进行通讯连接［6］，其基本结构如图1。结合煤矿井下供电线路结构特点，利用传统煤矿继电保护硬件基础，以高压防爆开关为过程层保护终端，完成传感器和执行器的功能;以同采区或就近保护终端组成合并单元，完成信息的收集和传输，同时完成同步时钟的控制;系统保护主机完成信息的处理和故障区域判断，同时可完成与地面控制中心的通讯。

2模块功能简介

在传统的煤矿供电保护系统中，高压防爆开关保护作为主要保护平台，它能够对电缆、变压器等重要线路和器件进行监控和保护。在基于IEC61850通讯架构下的煤矿数字供电保护系统中，高压防爆开关及保护终端作为系统重要组成部分，分别作为过程层执行模块(执行器)和采样模块(传感器)。保护终端安装于防爆箱内，正常工作时，接收合并单元发送的采样时钟，实时采集电缆线路必要信息，通过点对点的网络通讯方式把采样信息传输到合并单元;当发生故障时，智能保护终端接收合并单元发送的跳闸或闭锁命令，驱动高压防爆开关完成相关操作;另外，在采样时钟发生中断时，保护终端可自动选择本地时钟进行信息采样，闭锁信息上传，自行计算采样信息，独立完成高压防爆开关的保护功能，其流程图如图2(a)。保护终端通过点对点的网络结构与信息合并单元连接，采用全光纤物理通道，带宽足够满足多台保护终端同时进行数据传输;信号传输系统采用通道优先级设置，对故障操作信息、故障区域采样信息等在物理结构上进行优先传送，保证故障时动作的速度;信息合并单元根据系统配置，可自动关联差动两端信息，完成信息的自动整包，并可对差动信息的有效性进行初步的判断，可单独进行差动信息包的发送，无需系统一进行;另一方面，信息合并单元与采样时钟网络(GPS服务器)相连，得到系统统一时钟信号，再由合并单元控制所连接的保护终端进行采样，从而保证系统采样的同步性;当时钟网络发生故障时，可自动以某一合并单元为基础进入互同步，其流程图如图2(b)。系统保护主机位于间隔层，是系统重要组成部分，主要完成底层采样数据分析，故障区域判断，故障决策及地面相关信息交互的任务。硬件上，系统保护主机采用多CPU并行处理技术，采用独特算法可独立完成40路以上线路综合分析;优化的前置信息包解析模块能快速的得到有效信息，缩短了IEC61850通信链路转化的时间。软件上，系统实时分析底层采样数据，当零序电压增加到设定值时，启动故障模式，增加处理速度，实时监控每条线路信息，判断出故障区域，然后启动故障决策逻辑，切除故障区域，其相关流程图如图2(c)。

现场试验

以阳煤集团二矿617供电回路(6kV)为基础进行漏电实验，验证所构建的煤矿数字电网保护系统在发生漏电故障时的性能。实验针对八零九一四配电室“轨道巷及照明”线路进行人为接地，即在8226高开负荷侧通过高压保险丝形成一个接地点(B相)，对开关进行合闸操作以形成单相接地漏电故障，实验依次进行3次。在3次试验中，新型煤矿数字电网保护系统都在合闸瞬间准确选出8226高压开关，并准确切除该故障区域，故障瞬间B相电压降为0V(＜2V)，同时产生零序电压，零序电流，大小、相位与理论分析基本一致，在很短的时间内(＜20ms)，系统发出命令跳开8226高压开关，其他开关处于闭锁状态，防止了越级跳闸的发生。（本文作者：胡祝龙、程天华 单位：中国矿业大学信息与电气工程学院）