煤礦供電系統防越級跳閘技術及其應用研究

董旭光

（霍州煤電集團有限責任公司 供電分公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

煤炭資源在我國能源結構體系中占據重要地位，隨著人們生活水平的提升和社會經濟的快速發展，對煤炭資源的需求量日益增多，要求的煤炭開采效率也越來越高。煤礦供電系統是所有設備正常運行的重要基礎和前提，供電系統運行的穩定性和可靠性直接影響煤礦的生產效率和安全。然而越大型的煤礦，供電系統越龐雜，存在很多分支，不可避免地會出現各類故障問題，尤其是出現越級跳閘現象，波及影響范圍會非常大，嚴重影響煤礦的安全高效生產。本文以晉北煤業為研究對象，基于GOOSE技術設計了該礦供電系統防越級跳閘系統，保障煤礦供電系統運行可靠性。

1 煤礦供電系統概況

晉北煤業供電系統如圖1所示。由圖可知，為了確保煤礦供電系統的可靠性，由兩路110 kV進線同時為煤礦進行供電，任何一路電源出現故障問題，另外一路電源能為煤礦正常供電。在礦區地面建設有110/10 kV變電所，對礦區所有負荷進行供電。除地面變電所以外，還設置有井下中央變電所和采區變電所。為了保證電路運行的安全性，供電系統設置了多級電路短路保護裝置，一旦供電系統中某個分支出現了故障問題，保護裝置可以對該線路進行切斷處理，確保其他供電電路正常工作。然而晉北煤業在工程實踐中經常出現越級跳閘現象，對煤礦供電系統的運行穩定性和可靠性構成了一定的威脅。

圖1 煤礦供電系統Fig.1 Coal mine power supply system

2 防越級跳閘技術方案及原理

2.1 防越級跳閘系統整體設計

基于GOOSE技術設計晉北煤業供電系統防越級跳閘系統，整體結構如圖2所示。

由圖2可知，防越級跳閘系統采用分層分布式光纖環網結構設計，系統整體上劃分成為3個層級，分別為管理層、網絡層和間隔層。間隔層主要是地面線路保護裝置以及井下綜合保護裝置，可以對煤礦供電系統的運行狀態信息進行實時采集；網絡層主要是地面GOOSE交換機和井下隔爆GOOSE交換機，作用是快速收集保護裝置采集得到的數據信息；管理層主要包括監控分站、通訊管理機以及調度中心等，作用是對采集數據進行快速分析處理，并對保護裝置進行控制，保證各保護裝置動作的精確性，防止出現越級跳閘現象。

圖2 防越級跳閘系統整體結構Fig.2 Overall structure of anti-override tripping system

2.2 GOOSE通訊故障定位原理

利用集中參數模型對礦井電力系統網絡進行等效處理，煤礦供電系統的等效模型如圖3所示。假設整個供電網絡有N條線路，當第i條線路出現故障問題時，對應線路接地，連續電流會出現降低現象，引發單相接地故障，圖中的等效模型可以視為等效連續網格。線路閉合后，等效電流可以等效成為中性點接地系統。出現線路故障問題后，在健全線上流過的電流會引發對地電壓，此時等效模型電路中連續電流總和即為供電線路中電容電流的總量。

圖3 煤礦供電系統等效模型Fig.3 Equivalent model of coal mine power supply system

由于礦井供電系統比較復雜，存在很多分支，對故障線路進行準確定位存在很大難度。如圖4所示為供電系統的示意圖，圖中HBrk表示具備GOOSE通訊功能的中轉站，也是系統上傳下達的信息聯絡點。假若K4點出現了故障問題，通過HBrk10和HBrk12能快速判斷線路中出現了故障問題，但難以準確定位故障問題。HBrk08和HBrk11基于故障判別信息能獲得對應的故障代碼，實現電氣閉鎖。通過HBrk02可以實現線路故障K4的準確定位。實際應用中，適當增加閉鎖時間能確保系統更加準確地判斷故障位置。

圖4 供電系統示意Fig.4 Diagram of power supply system

3 保護裝置主要硬件設計

保護裝置為復雜的系統結構，內部包含有很多硬件設施，比如交流電源模塊、通信模塊、存儲拓展模塊、I/O接口模塊等。以下對重點模塊進行介紹。

3.1 處理器選型設計

本系統基于power PC+FGPGA方案對數據進行分析處理，其中前者為主處理器，負責數據采樣與處理、人機互動、算法設置、通信、故障解決等多方面的工作，后者主要是對模擬量信號進行分析與處理。

主處理器選用的芯片型號為MPC8313E，具有很高的集成度，支持多種應用和外設設備，正常工作時的頻率可以達到333 MHz，芯片內設置有2個物理存儲區，內存大小可以達到1 GB，且能夠實現獨立尋址，大大簡化系統程序設計，該芯片在工業領域應用廣泛，效果良好。

FGPGA處理器選用的芯片型號為XC6SLX9，芯片總成本較低，運行穩定可靠。芯片同時集成有DDR、DDR2、DDR3和LPDDR存儲區控制模塊，數據傳輸速度最大可以達到800 Mb/s。RAM采用分布式結構設計，擁有9 152個邏輯門，完全能滿足晉北煤業防越級跳閘系統的計算需求。

3.2 電源模塊

選用的電源模塊型號為PT（AC 1100V），三相電壓分為2個軌道，實現不同的功能。其中一個軌道的作用是對保護裝置中所有的硬件設施進行供電，不同硬件設施對供電電壓的要求存在差異，系統中共有3.3、5、12、24 V四種供電電壓，利用該模塊可以輸出上述4種電壓；另一個軌道的作用是實現模擬量信號的取樣工作，可以利用A/D轉換模塊將模擬量信號轉換成為數字量信號，然后輸入到FGPGA處理器中。電源模塊具有儲電功能，一旦外部電源出現問題，可通過存儲的電能對其進行供電，保障系統的正常運行。

3.3 通信模塊

此次系統設計工業以太網通信和RS485/232通信，前者主要設計負責站點之間數據信息的交互，后者主要負責交換主機連接和服務端輸入端的連接。工業以太網通信芯片選用的是LXT971A，具有最高100 MB/s的數據通信速度。RS485/232通信芯片的型號為TL16C554A，為了確保數據通信的安全和可靠，使用HCPLL06611對接口進行光電隔離，避免外部對數據傳輸過程造成干擾。

4 防越級跳閘技術應用效果分析

將設計的防越級跳閘技術方案部署到晉北煤業供電系統工程實踐中，經調試后正式投入使用，為了保證裝置接受GOOSE報文的可靠性，經現場調試后將等待下級裝置閉鎖信號時間設置為20 ms，在整個供電系統中共使用了120臺基于GOOSE技術的保護裝置。防越級跳閘系統在晉北煤業供電系統中的應用時間超過6個月，在此期間共出現4次短路故障問題，均沒有出現越級跳閘現象。

5 結 語

以晉北煤業供電系統為對象，對越級跳閘現象進行研究，設計了防越級跳閘系統，并將其部署到工程實踐中。實踐表明，設計的防越級跳閘系統應用效果良好，應用6個月內沒有出現越級跳閘現象，驗證了防越級跳閘技術的有效性，為供電系統的穩定可靠運行奠定了堅實的基礎，為煤礦創造了良好的經濟效益和安全效益。