矿用智能型电网防越级保护系统的设计

【摘 要】煤矿供电系统的可靠运行是煤矿安全生产的保障，但是，煤矿特殊的供电环境，使得越级跳闸问题普遍存在。一旦发生故障，极易引发大面积停电，影响煤矿采煤进度，更为严重的是引起瓦斯积聚，威胁矿工的生命安全。针对以上问题，提出了一种基于GOOSE的防越级跳闸保护方案，该方案利用面向通用对象的变电站事件（GOOSE）传送闭锁信号，使得矿井供电系统上下级保护测控装置可靠配合，有效的解决了短路保护的选择性问题，避免了越级跳闸事故的发生。

【关键词】越级跳闸；IEC61850；GOOSE；煤矿供电

0 引言

随着煤炭开采范围的扩大，煤矿供电系统的变电所级数越来越多。而各级变电所之间大多采用垂直短距离供电模式，这种模式使得供电线路短、阻抗小，一旦发生故障，上下级会因短路电流值相差极小，出现多级开关同时检测到过电流信号、同时跳闸，引发井下大面积停电，严重影响矿井的生产和安全。

目前，针对防越级跳闸保护已经提出很多种技术方案。为了保障矿井供电系统的可靠性，本文提出了一种基于GOOSE的防越级跳闸保护方案。

1 基于GOOSE的防越级跳闸保护系统硬件设计

GOOSE是IEC 61850标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的机制，为了保证通信的实时性和可靠性，GOOSE 服务以高速P2P（peer-to-peer）通信为基础，采用无连接传输模式，取代了传统智能电子设备 （IED）间电缆连接的通信模式。

为了提高通讯性能，该系统采用分层分布的结构，包括地面监控层，网络传输层，井下现场设备层。从地面到井下，各级变电所之间采用光纤以太环网组网，应用IEC61850标准的通信协议。在井下设备层，各级保护控制器之间采用GOOSE报文直接通讯，保证了信息传输的快速性、实时性和可靠性。

基于GOOSE闭锁原理的防越级跳闸保护系统的控制器主要包括中央处理单元、交流采样单元、绝缘监视保护单元、开关量输入、输出单元、人机接口单元、通讯单元等。硬件原理框图如图1所示。

1.1 中央处理器单元

该系统采用STM32F207芯片，是ST公司最新发布的一款32位ARM微控制器，集成了大量的外设接口。包括A/D转换模块、以太网控制器、串口控制器、实时时钟、定时器等。

1.2 交流采样单元

该系统的交流采样单元中传统电压/电流互感器将二次侧模拟信号传送给合并单元，进行A/D转换，进而传送给保护测控装置。

1.3 绝缘监视保护单元

该系统的绝缘监视保护单元是基于附加直流检测电源的方式，来实现绝缘在线监视保护，其原理主要是通过检测取样电阻两端电压大小判断是否处于故障状态。用测量的取样电阻两端电压值与无故障情况下取样电阻的电压值比较，如果大于正常值，说明发生短路故障；如果小于正常值，说明发生断线故障。

1.4 开关量输入、输出单元

该系统的开关量输入单元可用来采集实时的开关量状态以及手动操作的输入状态等。开关量输出单元通过光电隔离模块与外电路连接，提高抗干扰能力，输出开关量经过功率放大后，驱动出口继电器。

1.5 人机接口单元

该系统的人机接口单元通过串口与中央处理器连接，由LCD、LED和红外遥控器组成。

1.6 通讯单元

该系统的通讯单元主要利用处理器芯片集成的以太网控制器，来实现GOOSE配置、GOOSE收发。GOOSE收发模块主要完成多播屏蔽功能设置、接收并解析GOOSE报文、控制并发送GOOSE报文的任务。利用GOOSE保护接收解析部分来监视通讯线路的完整性，如果长时间收不到心跳报文就会立即发出告警信号，有效提高了通讯的可靠性。

2 基于GOOSE的防越级跳闸保护系统软件设计

该系统实时检测电流信号的大小，根据检测的电流值判断是否发生短路故障。如果经过分析比较检测到故障电流，则延时T1，延时到后，检测是否收到下级发送的GOOSE闭锁信号，如果没有，说明是区内故障，保护控制器立即指示保护动作，并且向上级发送解除闭锁的GOOSE报文；如果检测到下级发送的GOOSE闭锁信号，则说明是区外故障，再延时T2，检测是否还有GOOSE闭锁信号，如果有，保护控制器指示保护动作，并向上级发送解除闭锁的GOOSE报文；如果没有，程序结束。如图2所示，为基于GOOSE的防越级跳闸保护系统软件流程图。

3 结语

本文分析了煤矿井下越级跳闸现象发生的原因，比较了当前提出的应对方案，介绍了GOOSE报文传送信号的特点以及GOOSE技术在继电保护领域传输二进制布尔型数据的优越性，设计出了基于GOOSE的防越级跳闸保护系统。并详细介绍了系统的组成部分、依据原理、实现方式，可以有效解决传统三段式电流保护不能满足煤矿矿井短路保护的选择性的问题，避免了越级跳闸，减少了安全隐患，一定程度上保障了煤矿的生产任务和矿工的人身安全。

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