基于光纖數(shù)字通信的煤礦供電防越級(jí)跳閘保護(hù)設(shè)備應(yīng)用研究

摘 要： 結(jié)合煤礦井下供電保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀，針對(duì)長(zhǎng)期存在的越級(jí)跳閘問(wèn)題，基于全站數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)，應(yīng)用高速大容量新處理技術(shù)及納秒級(jí)同步采樣專利技術(shù)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的光纖縱差保護(hù)取代速斷過(guò)流保護(hù)為主保護(hù)，設(shè)計(jì)了一種煤礦供電防越級(jí)跳閘保護(hù)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該套設(shè)備功能齊全、可靠性高、功能擴(kuò)展性強(qiáng)，并徹底解決了井下“越級(jí)跳閘”問(wèn)題，滿足電力系統(tǒng)中綜合自動(dòng)化的要求。
關(guān)鍵詞： 全站數(shù)據(jù)共享；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信；光纖縱差；防越級(jí)跳閘

　目前煤礦井下供電保護(hù)系統(tǒng)存在速斷過(guò)流保護(hù)整定難、失壓保護(hù)零時(shí)延、漏電保護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)比較、保護(hù)器功能不全及通信能力差等難題，導(dǎo)致煤礦供電出現(xiàn)欠壓、漏電、短路等故障，嚴(yán)重威脅井下供電可靠性。廣泛存在的“越級(jí)跳閘”[1]問(wèn)題是影響井下可靠供電的一個(gè)重要因素。
本文提出一種基于光纖數(shù)字通信和最新的全站數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)的煤礦供電防越級(jí)跳閘保護(hù)設(shè)備的應(yīng)用研究，以期徹底解決廣泛存在的越級(jí)跳閘問(wèn)題，提高井下供電可靠性，并且實(shí)現(xiàn)井下供電系統(tǒng)的“四遙”功能，為井下采區(qū)變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守創(chuàng)造必要條件。
1 光纖數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
光纖數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是眾多通信技術(shù)中最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，它將光纖通信[2，3]、數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起，使三者的優(yōu)點(diǎn)聚集一身。在光纖數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以光纖作為通道介質(zhì)，不但具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、不怕超高壓與雷電電磁干擾、對(duì)電場(chǎng)絕緣、頻帶寬和衰耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且環(huán)保且使用壽命長(zhǎng)。另外，所傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中可通過(guò)再生中繼器將失真脈沖再生為完整的脈沖，故失真不致沿線積累，傳輸距離遠(yuǎn)。由于在傳輸過(guò)程中只需識(shí)別脈沖的有無(wú)，故抗干擾能力強(qiáng)。
2 系統(tǒng)硬件部分
2.1 系統(tǒng)構(gòu)建
該系統(tǒng)基于最新的全站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字變電站技術(shù)，運(yùn)用最新處理的大容量技術(shù)及納秒級(jí)同步采樣專利技術(shù)，采用光纖縱差保護(hù)作為線路的主保護(hù)，配置雙重化保護(hù)，應(yīng)用漏電保護(hù)集中選線功能及全站故障錄波功能[4]，解決井下廣泛存在的“越級(jí)跳閘”問(wèn)題，提高井下供電可靠性，實(shí)現(xiàn)井下供電保護(hù)和測(cè)控系統(tǒng)的全數(shù)字化。系統(tǒng)架構(gòu)圖如1所示。

2.2 主要設(shè)備介紹
2.2.1 礦用智能保護(hù)器
礦用智能保護(hù)器安裝于井下采區(qū)變電所高爆開(kāi)關(guān)內(nèi)，就地采集模擬量，輸入量信息數(shù)字化后通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至位于中央變電所的礦用隔爆型光傳輸接口，同時(shí)接收地面集成保護(hù)測(cè)控主機(jī)下發(fā)的跳、合閘控制命令并執(zhí)行。它滿足高瓦斯運(yùn)行礦井的要求，由PT(100 V)供電，并配備儲(chǔ)能電容，失電情況下能繼續(xù)工作。
礦用智能保護(hù)器就地實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能，并在地面集成保護(hù)測(cè)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控及防誤操作等，遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新，在地面可100%實(shí)現(xiàn)井下高爆開(kāi)關(guān)跳、合閘，其保護(hù)定值可在地面進(jìn)行查閱及修改。
礦用智能保護(hù)器具有完善的保護(hù)功能。當(dāng)通信正常時(shí)，其就地保護(hù)功能不啟用，由地面集成保護(hù)測(cè)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)全站保護(hù)功能；當(dāng)通信完全中斷時(shí)，礦用智能保護(hù)器自動(dòng)啟動(dòng)就地保護(hù)功能。
2.2.2 礦用隔爆型光傳輸接口
礦用隔爆型光傳輸接口由采區(qū)變電所供電，裝置嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836 -2000《爆炸性氣體環(huán)境用電器設(shè)備》要求生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)國(guó)家授權(quán)的質(zhì)檢機(jī)構(gòu)進(jìn)行防爆檢驗(yàn)合格，并取得安全標(biāo)志使用證。
礦用隔爆型光傳輸接口主要功能是將多芯光纖集成四芯光纖上傳同步采樣信息給地面集成保護(hù)測(cè)控主機(jī)；接收集成保護(hù)測(cè)控主機(jī)下發(fā)的控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的礦用智能保護(hù)器；接收GPS時(shí)間服務(wù)器通過(guò)光纖下發(fā)的同步采樣信號(hào)控制礦用智能保護(hù)器的同步采樣，是光纖網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。
2.2.3 集成保護(hù)測(cè)控裝置
保護(hù)主機(jī)運(yùn)用最新的超大規(guī)模FPGA和多DSP內(nèi)核并行處理技術(shù)，運(yùn)算能力強(qiáng)大，單臺(tái)裝置的運(yùn)算能力和200余臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置相當(dāng)。
2.3 系統(tǒng)特色
該系統(tǒng)具有鮮明的系統(tǒng)特色：代表了今后煤礦井下繼電保護(hù)的發(fā)展方向，差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)雙重化配置，實(shí)現(xiàn)煤礦漏電保護(hù)集中選線功能[6]，極大提高系統(tǒng)漏電保護(hù)性能[5]，實(shí)現(xiàn)全站故障錄波，實(shí)現(xiàn)全站同步采樣，靈活的擴(kuò)展功能。
3 系統(tǒng)軟件部分
系統(tǒng)主程序包括芯片的初始化、接口的配置、跳閘控制、中斷處理等，系統(tǒng)在保護(hù)主機(jī)的控制下，可以防止煤礦供電的越級(jí)跳閘現(xiàn)象發(fā)生。主程序流程圖如2所示。

4 實(shí)驗(yàn)
針對(duì)某煤礦供電系統(tǒng)有可能出現(xiàn)越級(jí)跳閘的線路進(jìn)行保護(hù)配置：在各變電所之間的聯(lián)絡(luò)線配置雙側(cè)線路差動(dòng)保護(hù)、三端線路差動(dòng)保護(hù)；在各變電所母線配置母線差動(dòng)保護(hù)；在負(fù)荷線路配置保護(hù)線路全長(zhǎng)的過(guò)流速斷保護(hù)。在地面6 kV開(kāi)閉所控制室內(nèi)安裝A、B集成保護(hù)測(cè)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)綜合屏；在N3采區(qū)1#、2#變電所各高爆開(kāi)關(guān)內(nèi)安裝的礦用智能保護(hù)器；在井底車場(chǎng)變電所、1#變電所、2#變電所分別安裝兩臺(tái)礦用光傳輸接口。試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建如圖3所示。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，分別在采用速斷過(guò)流保護(hù)和光纖縱差保護(hù)作為線路主保護(hù)的兩種保護(hù)配置模式下，對(duì)兩種保護(hù)方案在同樣短路故障情況下的保護(hù)性能進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)在開(kāi)關(guān)705與N3采區(qū)1#變電所1#高開(kāi)之間設(shè)置短路點(diǎn)D1，在N3采區(qū)1#變電所2#高開(kāi)與N3采區(qū)2#變電所1#高開(kāi)之間設(shè)置短路點(diǎn)D2，在N3采區(qū)2#變電所2#高開(kāi)饋線設(shè)置短路點(diǎn)D3。
本實(shí)驗(yàn)僅給出D2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)兩種配置模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。開(kāi)關(guān)正?；蚴ъ`情況下故障波形分別如圖4（a）、（b）、（c）、（d）所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。因此下面只給出兩種配置模式下N3采區(qū)1#變電所2#高開(kāi)和N3采區(qū)2#變電所1#高開(kāi)的保護(hù)定值及時(shí)延的設(shè)置，如表2所示。

試驗(yàn)運(yùn)行表明：系統(tǒng)保護(hù)功能齊全、運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)的選擇性與快速性，功能可擴(kuò)展性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活，維護(hù)巡檢方便，解決了煤礦井下供電保護(hù)廣泛存在的“越級(jí)跳閘”問(wèn)題。該系統(tǒng)在煤礦井下供電保護(hù)領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
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