煤矿智能供电系统单相接地网络保护

煤矿智能供电系统单相接地网络保护
作者：张振华
来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第07期
【摘要】提出了基于以太网的IEC 61850标准的单相接地网络保护方案，首先设计了智能变电站结构，重点分析和研究了过程层同步采样技术以及GOOSE通信网络的延时特性。

之后设计了智能变电站单相接地网络保护动作逻辑以及算法流程，通过信息共享，可以智能化地判断故障位置和类型，有选择地发出保护动作。

【关键词】煤矿；单相接地；同步采样；供电系统
引言
目前，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，基于以太网的IEC61850标准的通信网络和自动化的运行管理系统，是煤矿供电系统智能变电站最主要的技术特征。

单相接地故障是电力系统一直未能很好解决的问题，各种单相接地保护原理层出不穷，但是每种方法都有各自的缺陷。

而智能变电站技术的发展为单相接地故障在保护方面的研究提供了新思路。

智能变电站是变电站自动化系统的发展方向，智能变电站最大的特点是实现了全站信息的共享，为新的单相接地保护原理提供了数据支撑。

为此基于智能变电站底层数据共享的特点，构筑了煤矿智能供电供电系统的架构，研究了基于IEC61850的煤矿智能供电系统单相接地网络保护方案。

1煤矿智能变电站结构设计
煤矿智能供电系统由地面和井下智能变电站以及区域集中控制中心组成。

根据国家电网公司的相关规定，煤矿智能供电系统由过程层、间隔层以及站控层构成，其中间隔层和站控层形成环网，间隔层与过程层形成星型结构网络，组成了智能供电系统的二级网络。

在区域集控式煤矿智能供电系统中，智能变电站能够在脱离区域集控中心的情况下独立完成数据的采集与分析，从而完成控制与保护动作，并且在该系统中，智能变电站只有过程层和间隔层两层架构。

其中井下智能变电站为了完成数据测量、电能质量监测以及控制、保护等功能，在间隔层集成了测控保护装置，能够在分析状态信息后作出决策，并将控制命令通过通信系统发送至终端设备。

2煤矿智能供电系统单相接地保护关键技术
2.1过程层同步采样技术
电力系统是一个实时平衡的动态系统，无时无刻负荷量不在发生着变化。

传统的变电站自动化系统对同步对时的精度要求比较低，而在基于智能变电站IEC61850通信标准的网络保护采用“网采网跳”的方式，这就对同步对时提出了更高的要求。

智能变电站过程层合并单元采样
如图1。

依据IEC61850国际标准工程化实施技术规范中规定：用于事件时标的时钟其同步精确度左右不能大于1ms。

因此，要实现变电站系统的智能化，首先必须保证全站各智能设备处于同一时钟下，即时钟同步。

为此将以太网作为基础，把基于全站唯一总线网络的IEEE1588同步系统技术应用于煤矿智能变电站的建设中，以完成网络时间同步协议的实现方案，并进行冗余配置，目前，IEEE1588是智能变电站时钟同步系统的第一选择，其精度达到了100μs。

2.2GOOSE通信网络延时分析
GOOSE通信技术是IEC 61850协议中的一种快速报文传输机制，用于变电站内部设备之间的信号传输，能够高效、快速地传输开关量信号以及控制信息，GOOSE技术利用通信网络信号取代了传统变电站设备之间的硬接线，各设备支架通过以太网进行连接，从而大幅简化了设备之间的电缆连接。

通过GOOSE通信技术，各智能设备既可作为发布者在网上发布数据，也可作为订阅者接收来自网上的信息，从而实现了各设备之间的信息共享，可以说GOOSE通信技术是变电站智能化的关键技术。

GOOSE报文传输具有实时性好的特点，其延时T主要由发送端延时Ts、传输过程延时Tc以及接收端延时Tr组成，其关系为：
T=Ts+Tc+Tr.（1）
发送端延时Ts主要包括报文打包的时间、发送端将报文发送至发送端缓冲区的时间和报文在发送端缓冲区等待发送时的派对时间。

发送端延时主要取决于发送端的硬件性能以及软件优化方式，一般情况下发送端延时应限制在10μs以内。

传输过程延时Tc主要包括交换机转发延时、在通信通道中的传输延时以及排队延时，其计算公式为：
（2）
其中：N为以太网通信过程中参与信息转发的交换机的个数；Tz为交换机转发过程中的延时，一般在5μs以内；Tp为报文在两个交换机之间的通信通道传输过程中的排队时间；Td 为在报文通信通道中的传输延时。

由此可以看出传输过程延时主要取决于参与数据转发的交换机数量以及工作方式。

其中Tp和Td的计算公式为：
其中：b为常数，一般取b=20Byte；D为以太网的带宽；Ld为实时报文长度，其取值范围在64Byte到1 528Byte之间；Lp为网络流量报文长度。

在煤矿智能供电系统中，假定以太网带宽是100Mb/s，以太网交换机为2台，则传输过程延时应为381.49μs。

接收端延时Tr主要包括接收端缓冲器排队等待延时以及报文解析所用时间，其延时主要取决于接收端硬件性能以及软件优化方式，与发送端延时类似，其延时一般在10μs以内。

经过上述计算，可以看出报文发送总延时最大为401.49μs，即网络的最大延时也不到IEC 61850规定的1ms延时的一半。

所以智能化供电系统的网络延时完全满足要求，如果采用性能更强的交换机、提高以太网带宽以及软件优化，网络延时会更低。

3单相接地网络保护逻辑
单相接地网络保护动作逻辑如图2。

考虑到煤矿井下安全供电，并且井下多是采用小电流接地系统，当煤矿线路发生单相接地故障，一般可以允许系统故障状态下运行1-2h，虽然对系统不会有太大影响，但是长时间的故障状态运行仍然会给线路和设备造成不可修復的损坏，尤其在环境恶劣的煤矿井下，对设备和人身安全造成更大的威胁，因此，可靠的、有选择性的、具有良好速动性的进行单相接地故障的识别与处理仍然十分必要。

单相接地网络保护算法流程如图3。

通过网络保护技术，可以在同一个智能隔爆开关中实现基于多信息融合的单相接地网络保护。

单相接地保护由同一母线段上的所有馈线智能隔爆开关和进线智能隔爆开关协同完成。

当煤矿井下发生单相接地故障后，各智能隔爆开关通过过程层网络共享所有支路的模拟量和开关量故障信息，每个智能高爆开关中有独立的单相接地保护算法，可以独立完成判断本支路是否发生故障，并决定是否需要动作于跳闸，保护具有良好的选择性、可靠性。

当系统出现接地故障时，全系统会出现零序电压，因此，单相接地网络保护以零序电压作为启动判据，同时，还要甄别出由于电压互感器断线故障、铁磁谐振等导致的“虚幻接地”现象。

结语
在煤矿供电系统中，单相接地故障是一种常见的故障，但一直未能得到妥善解决，随着以太网技术在供电系统中的应用以及智能变电站的发展，通过过程层共享数据实现信息融合，为单相接地故障的解决提供了新的思路。

本文提出了煤矿智能化供电系统的结构，并对过程层同步采样技术以及GOOSE通信技术延时特点进行了研究与分析，在此基础上设计了单相接地网络保护方案，该方案具有较好的可靠性和实时性，同时对不同故障类型进行了区分，具备智能化特点。

参考文献：
[1]刘建华，李建冬，黄国清，等.基于三层两网的煤矿智能供电系统接地保护方案研究[J].煤炭技术，2015（1）：309-311.
[2]王松，裘愉涛，侯伟宏，等.智能变电站继电保护GOOSE网络跳闸探讨[J].电力系统自动化，2015（18）：140.
（作者单位：冀中能源股份公司葛泉矿）。