基于光纤数字通信的煤矿供电防越级跳闸保护设备应用研究

摘 要： 结合煤矿井下供电保护技术现状，针对长期存在的越级跳闸问题，基于全站数据共享的数字化变电站技术，应用高速大容量新处理技术及纳秒级同步采样专利技术，采用点对点光纤通信网络的光纤纵差保护取代速断过流保护为主保护，设计了一种煤矿供电防越级跳闸保护设备。现场应用表明，该套设备功能齐全、可靠性高、功能扩展性强，并彻底解决了井下“越级跳闸”问题，满足电力系统中综合自动化的要求。
关键词： 全站数据共享；点对点光纤通信；光纤纵差；防越级跳闸

　目前煤矿井下供电保护系统存在速断过流保护整定难、失压保护零时延、漏电保护无法实现比较、保护器功能不全及通信能力差等难题，导致煤矿供电出现欠压、漏电、短路等故障，严重威胁井下供电可靠性。广泛存在的“越级跳闸”[1]问题是影响井下可靠供电的一个重要因素。
本文提出一种基于光纤数字通信和最新的全站数据共享的数字化变电站技术的煤矿供电防越级跳闸保护设备的应用研究，以期彻底解决广泛存在的越级跳闸问题，提高井下供电可靠性，并且实现井下供电系统的“四遥”功能，为井下采区变电站实现无人值守创造必要条件。
1 光纤数字通信网络技术
光纤数字通信网络技术是众多通信技术中最有发展前景的技术之一，它将光纤通信[2，3]、数字通信和网络技术融合在一起，使三者的优点聚集一身。在光纤数字通信网络技术中，以光纤作为通道介质，不但具有容量大、传输距离远、不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝缘、频带宽和衰耗低等优点，而且环保且使用寿命长。另外，所传输的信号是数字信号，在传输过程中可通过再生中继器将失真脉冲再生为完整的脉冲，故失真不致沿线积累，传输距离远。由于在传输过程中只需识别脉冲的有无，故抗干扰能力强。
2 系统硬件部分
2.1 系统构建
该系统基于最新的全站网络数据共享的数字变电站技术，运用最新处理的大容量技术及纳秒级同步采样专利技术，采用光纤纵差保护作为线路的主保护，配置双重化保护，应用漏电保护集中选线功能及全站故障录波功能[4]，解决井下广泛存在的“越级跳闸”问题，提高井下供电可靠性，实现井下供电保护和测控系统的全数字化。系统架构图如1所示。

2.2 主要设备介绍
2.2.1 矿用智能保护器
矿用智能保护器安装于井下采区变电所高爆开关内，就地采集模拟量，输入量信息数字化后通过点对点光纤网络上传至位于中央变电所的矿用隔爆型光传输接口，同时接收地面集成保护测控主机下发的跳、合闸控制命令并执行。它满足高瓦斯运行矿井的要求，由PT(100 V)供电，并配备储能电容，失电情况下能继续工作。
矿用智能保护器就地实现测控功能，并在地面集成保护测控主机实现遥测、遥信、遥控及防误操作等，遥测、遥信数据实时刷新，在地面可100%实现井下高爆开关跳、合闸，其保护定值可在地面进行查阅及修改。
矿用智能保护器具有完善的保护功能。当通信正常时，其就地保护功能不启用，由地面集成保护测控主机实现全站保护功能；当通信完全中断时，矿用智能保护器自动启动就地保护功能。
2.2.2 矿用隔爆型光传输接口
矿用隔爆型光传输接口由采区变电所供电，装置严格按照国家标准GB 3836 -2000《爆炸性气体环境用电器设备》要求生产，经过国家授权的质检机构进行防爆检验合格，并取得安全标志使用证。
矿用隔爆型光传输接口主要功能是将多芯光纤集成四芯光纤上传同步采样信息给地面集成保护测控主机；接收集成保护测控主机下发的控制命令并转发相应的矿用智能保护器；接收GPS时间服务器通过光纤下发的同步采样信号控制矿用智能保护器的同步采样，是光纤网络的关键组成部分。
2.2.3 集成保护测控装置
保护主机运用最新的超大规模FPGA和多DSP内核并行处理技术，运算能力强大，单台装置的运算能力和200余台微机保护装置相当。
2.3 系统特色
该系统具有鲜明的系统特色：代表了今后煤矿井下继电保护的发展方向，差动保护实现双重化配置，实现煤矿漏电保护集中选线功能[6]，极大提高系统漏电保护性能[5]，实现全站故障录波，实现全站同步采样，灵活的扩展功能。
3 系统软件部分
系统主程序包括芯片的初始化、接口的配置、跳闸控制、中断处理等，系统在保护主机的控制下，可以防止煤矿供电的越级跳闸现象发生。主程序流程图如2所示。

4 实验
针对某煤矿供电系统有可能出现越级跳闸的线路进行保护配置：在各变电所之间的联络线配置双侧线路差动保护、三端线路差动保护；在各变电所母线配置母线差动保护；在负荷线路配置保护线路全长的过流速断保护。在地面6 kV开闭所控制室内安装A、B集成保护测控主机、远动综合屏；在N3采区1#、2#变电所各高爆开关内安装的矿用智能保护器；在井底车场变电所、1#变电所、2#变电所分别安装两台矿用光传输接口。试验系统构建如图3所示。

在实际现场，分别在采用速断过流保护和光纤纵差保护作为线路主保护的两种保护配置模式下，对两种保护方案在同样短路故障情况下的保护性能进行对比。试验在开关705与N3采区1#变电所1#高开之间设置短路点D1，在N3采区1#变电所2#高开与N3采区2#变电所1#高开之间设置短路点D2，在N3采区2#变电所2#高开馈线设置短路点D3。
本实验仅给出D2点发生短路故障时两种配置模式下的实验结果。开关正常或失灵情况下故障波形分别如图4（a）、（b）、（c）、（d）所示，试验结果如表1所示。因此下面只给出两种配置模式下N3采区1#变电所2#高开和N3采区2#变电所1#高开的保护定值及时延的设置，如表2所示。

试验运行表明：系统保护功能齐全、运行稳定，实现了保护的选择性与快速性，功能可扩展性强，组网灵活，维护巡检方便，解决了煤矿井下供电保护广泛存在的“越级跳闸”问题。该系统在煤矿井下供电保护领域达到国际领先水平，具有推广应用价值。
参考文献
[1] 吴文瑕，陈柏峰，高燕.井下电网越级跳闸现象的研究及解决建议[J].工矿自动化，2008，6(12)：1-5.
[2] 李峥峰，杨曙年，喻道，等.继电保护中光纤通信技术应用[J].电力自动化设备，2007，2(27)：1-6.
[3] 邓大鹏．光纤通信原理[M]．北京：人民邮电出版社，2003.
[4] 付国新，戴超金，侍昌江，等.智能变电站故障滤波系统设计与探索[J].电力自动化设备，2010，30(7)：1-5.
[5] 袁振海，沈祥云，王险峰.零序直流选择性漏电保护原理分析[J].电工技术学报，2005，20(4)：2-3.