基于煤矿智能变电站防越级故障区段识别矩阵算法研究

邢建平，杨 光，孙瑞玲，宋云海，张文波

（国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东 潍坊 261021）

基于煤矿智能变电站防越级故障区段识别矩阵算法研究

邢建平，杨 光，孙瑞玲，宋云海，张文波

（国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东 潍坊 261021）

随着智能变电站在煤炭系统中的试验推广，其所具有的网络化数据共享特征，给解决越级跳闸问题提供了新方法。在确定煤矿智能变电站结构、系统对时、GOOSE通信技术原理及防越级跳闸流程的基础上，重点研究用于故障线路识别的故障区段识别矩阵算法，实现了故障区段的定位与隔离，对提高煤矿供电系统的稳定性有重要意义。

煤矿电网；防越级；智能变电站；矩阵算法

Abstract:With the promotion of intelligent substation test in coal mine system，the characteristic of network data sharing provides a new approach to solve the over-grade trip problem.Based on the understanding of the structure of intelligent substation，the synchronization technology，GOOSE communication technology and the process of implementation anti-grade tripping，this paper focuses on fault segment identification matrix algorithm for fault line identification，aiming at realizing the identification and isolation of fault segment.This matrix algorithm could determine the fault segment effectively，so as to improve the stability of coal mine power system.

Key words:coalmine grid；anti-grade；intelligent substation；matrix algorithm

0 引言

我国煤矿井下电网成辐射状结构，由大量6 kV或10 kV电压等级长度较短的电缆多级串联供电。实际运行中，由于井下负荷多集中在综采工作面上，而综采工作面条件存在不够完善、环境恶劣、电缆保护不当容易受损等情况，易出现越级跳闸问题，供电线路整定方法不合理、系统运行方式差异大、保护装置选择不当等原因均会造成越级跳闸。传统变电站所用的传统设备往往只能采集本间隔内的数据，且无法实现整站设备的数据互通。随着智能变电站在煤炭系统中的试验推广，其所具有的网络化数据共享特征，给解决越级问题提供了新思路［1］。

1 煤矿智能变电站系统架构

智能变电站与数字变电站类似，一般分为三层两网，如图1所示。通过以太网通信，各层设备能够访问彼此的数据，并进行互操作。该系统满足智能变电站的技术要求，站控层采用以太网通信，提供了MMS、GOOSE通信网络接口，在集控中心，不仅能接入防越级主机，还可接入各种厂家的智能设备，只要其支持MMS、GOOSE通信网络、满足IEC61850标准即可［2-5］。

2 煤矿智能变电站关键技术

系统同步技术。煤矿电网自动化系统采用GPS时钟设备作为主时钟，其他设备根据主时钟信号进行自身时钟校正。对时方式采用网络对时（SNTP／NTP或1588）与秒脉冲对时（IRIG-B码）均可。通过光纤以太网路共享的各个开关矿用智能保护装置上传的采样值有相同的采样时刻，处理数据会更加方便。

GOOSE技术。本文描述的基于煤矿智能变电站区域集控的防越级跳闸系统主要采用GOOSE进行开关量、闭锁命令、允许命令的传递。通过GOOSE通信，智能变电站的设备能够大范围地进行数据交换，而且能够灵活配置。GOOSE主要用于传输开关的状态信息、跳闸命令等开关量。

GOOSE报文发送机制如图2所示，正常情况下，变电站设备每隔T0（一般为5 000 ms）发送一次GOOSE报文。当有开关状态发生故障时，GOOSE报文中的数据会发生变化，立刻减小间隔时间到T1（一般为2 ms）时间发送第二、三帧报文，然后间隔T2（4 ms）发送第四帧，间隔 T3（8 ms）发送第五帧，后续报文发送间隔依次累加，直到GOOSE报文恢复T0（一般为5 000 ms）的时间间隔。为了保证数据传输的快速可靠性，GOOSE报文采用快速重发机制：当用GOOSE报文传输的数据集发生变化后，发送端装置会自动缩短报文发送间隔 （从5 000 ms时间间隔降低到2 ms时间间隔），快速重发GOOSE报文。

图2 GOOSE报文发送时间间隔

3 防越级跳闸的实现

当井下线路某处出现短路故障时，本级及以上线路的开关保护装置均采集到大电流值，判断出短路故障，立即通过GOOSE以太网络向集控中心防越级主机发送故障信息，并都设置t1（一般设为100 ms）长的延时时间等待防越级主机发送立即跳闸允许信号，否则t1时间后立即发跳闸命令使开关跳闸。集控中心的防越级主机接收到各开关保护装置上传的故障信息，通过运算防越级故障区段识别矩阵算法，判断出发生短路故障的线路，并通过GOOSE网络向其开关保护装置发送立即跳闸允许信号，使开关立即跳闸，切除故障；向其他检测到故障的开关保护装置发送立即跳闸禁止信号，防止越级跳闸。井下与地面各级线路开关的保护装置能够自主完成线路故障的判断，并接收防越级主机下发的立即跳闸允许信号或禁止信号，判断是否立即跳闸［6］。保护装置的动作逻辑如图3所示。

图3 保护装置的动作逻辑

当有线路发生短路故障时，防越级Ⅰ段投入，开关的保护装置检测到电流值大于Ⅰ段的整定值时：若t1（100 ms）延时时间内收到防越级主机下发的立即跳闸允许指令没有收到立即跳闸禁止指令，说明故障发生在本级线路，立即使开关跳闸，切除故障；若在t1时间内没有收到防越级主机下发的立即跳闸允许指令而收到立即跳闸禁止指令，说明故障没有发生在本级线路，此时不发出跳闸命令，防止越级跳闸的发生；若在t1时间内没有收到防越级主机下发的立即跳闸允许指令也没有收到立即跳闸禁止指令，说明与防越级主机通信中断，经过t1（100 ms）时间后，发出跳闸命令，跳开开关；若在t1时间内即收到防越级主机下发的立即跳闸允许指令，又收到立即跳闸禁止指令，说明防越级主机通信有误，此时分两种情况分析：1）若是发生故障的上级或上几级线路开关的保护装置通信有误，而发生故障的线路开关保护装置通信正常，则发生故障的线路开关保护装置能立即切除故障，亦防止了其他开关越级跳闸；2）若发生故障的线路开关保护装置通信有误，而发生故障的上级或上几级线路开关的保护装置通信正常，则依靠后备保护Ⅱ段，有t2（一般设为200 ms）延时，切除故障。

当有线路发生短路故障，而发生故障的线路开关据动，则依靠上级甚至是上几级线路开关的保护装置后备Ⅱ段保护切除故障。

当线路正常工作，没有故障发生时，若开关保护装置与防越级主机通信有误，收到下发的立即跳闸允许指令或立即跳闸禁止指令，此时因为检测的电流值没有超出整定值，防越级Ⅰ段和后备Ⅱ段保护均不启动，因此不会有开关跳闸。可见防越级主机的立即跳闸允许指令和立即跳闸禁止指令只是辅助保护测控装置完成防越级跳闸功能，不会影响保护装置对故障的识别判断。

4 防越级故障区段识别矩阵算法

本文设计的防越级跳闸系统，主要是根据防越级主机运算故障区段识别矩阵算法来判断出发生故障的区段，进而与开关保护装置通信，仅使发生故障的线路开关跳闸，防止其他开关越级跳闸。防越级故障区段识别矩阵算法是整个系统的关键核心。防越级主机首先根据煤矿智能变电站供电系统实际的网络结构，根据实际运行状态生成状态描述矩阵D；当有故障发生时，通过收集各线路开关的保护装置上传的故障信息，生成故障信息矩阵F；矩阵D与F相加得到故障识别矩阵J，通过对矩阵J分析判断，就能得到发生故障的线路区段［7-8］。

把某煤矿供电网络抽象成图4所示的简化图，说明防越级主机如何运算故障区段识别矩阵算法，进行故障区段识别。

图4 某煤矿电网网络简化图

4.1 状态描述矩阵D

对开关进行编号，若煤矿电网络中存在N个开关，则构造的状态描述矩阵D为N行N列。矩阵D的元素dij取值规则

若开关i、j之间直接由供电线路相连，不经过其他开关且正常供电时有电流由开关i流向开关j，即正常供电时若切断开关i，开关j失掉电源供电，而正常供电时断开开关j，开关i依然有电源供电，则令矩阵D中元素得到dij为1，而元素dji置为0，其余元素均置0。依据上述规则，图4煤矿电网的状态描述矩阵D为

4.2 故障信息矩阵F

当K1、K2处线路均发生短路故障时（复杂情况下），开关QF1～QF5、QF7的保护装置的防越级I段保护均会启动，并通过GOOSE网络把故障信息上传给集控中心防越级主机，防越级主机据此生成故障信息矩阵D。矩阵D也为N行N列，若收到编号为i的开关保护器上报故障信息，则把元素fii置1，其他元素均置0。图1所示煤矿电网的故障矩阵F为

4.3 故障识别矩阵J

矩阵D与F相加得到识别矩阵J为

根据故障识别矩阵J，通过式（4）就能识别出发生故障的线路

根据表1对应的故障信号判断，只要向使式（4）成立的第i个开关的保护装置下发立即跳闸允许指令，而向其他上报故障信息的开关保护装置下发立即跳闸禁止指令，即可起到越级跳闸的功能。而基于智能变电站的技术是该算法能够有效实现的前提。

结合图4所示线路及故障识别矩阵J及表1判断依据，可以确定K1、K2处发生短路故障。虽然开关 QF1～QF5、QF7保护装置均上传故障信息，但QF1～QF3、QF5均不满足等式，故认为故障发生在以上开关的下级或是下几级线路，故向以上开关的保护装置下发立即跳闸允禁止指令，防止越级跳闸；而对于开关QF4、QF7

满足条件，故认为故障发生在开关QF4、QF7本级线路，向本线路的保护装置下发立即跳闸允许指令，使其立即跳闸，切除故障。

4.4 矩阵算法的容错性

根据GOOSE技术的分析可知，通信的快速可靠性能够很好保障，假使在极端情况下，GOOSE通信异常或保护装置发生故障，无法正确地上传故障信息时，考虑矩阵算法的容错性，进行容错处理。

若本级开关的保护装置没有上报故障信息，而下级有不少于1个的开关保护装置上报故障信息，上级也有不少于1个的开关保护保护装置上报故障信息，则认为本级开关保护装置出现故障或通信中断使故障信息没能上传，而在故障矩阵F中相关元素补上1。

若有开关保护装置上传故障信息，而其上级开关和下级开关保护装置均未上传故障信息，则有可能存在开关保护装置误传故障信息的情形，不过结合图3的防越级实现流程中保护装置的动作逻辑可知，即使保护装置误传故障信息，防越级主机运算故障区段识别矩阵算法后，向保护装置下发立即跳闸允许指令，但因保护装置未检测到故障电流不会启动防越级I段保护，因此不会发出跳闸命令。

5 结语

阐述了煤矿智能变电站的结构、系统对时技术、GOOSE通信传输机制，确定防越级跳闸的具体工作流程，在此基础上提出故障区段识别矩阵算法，实现了故障区段的定位与隔离。基于智能电网架构的数字化变电站模式，全矿保护信息共享，电磁兼容性强，能够实现地面井下数字一体化。该基于智能变电站的防越级跳闸设计方案采用了时代发展的新技术，能有效解决越级难题，提高煤矿生产用电的安全可靠性，符合社会发展趋势。

［1］张根现，马星河，张传书，等.井下高压电网防越级跳闸系统研究［J］.煤矿机电，2009，26（2）：56-58.

［2］李永亮，葛维春，王芝茗.IEC61850通讯标准中的编码规范ASN.1［J］.电力系统保护与控制，2008，36（22）：66-71.

［3］袁荣湘，陈德树，马天皓，等.采样值电流差动保护原理的研究［J］.电力自动化设备，2000，20（1）：1-3.

［4］李文江，宋莉，张文超，等.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［J］.电子技术应用，2011，37（4）：26-28，32.

［5］史丽萍，温树峰，黄延庆.基于CAN网通信的选择性短路保护的研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（8）：139-142.

［6］葛耀中，杜兆强，刘浩芳.自适应速断保护的动作性能分析［J］.电力系统自动化 2001，25（18）：28－32，36.

［7］刘健，倪建立，杜宇．配电网故障区段判断和隔离的统一矩阵算法［J］．电力系统自动化，1999，23（1）：31-33．

［8］罗梅，杨洪耕.配电网故障定位的一种改进通用矩阵算法［J］.电力系统保护与控制，2012，40（5）：64-68.

Fault Segment Identification Matrix Algorithmon Anti-Grade Tripping Based on Intelligent Substation Centralized Control in Coal Mine Power System

XING Jianping，YANG Guang，SUN Ruiling，SONG Yunhai，ZHANG Wenbo
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

TM77

A

1007－9904（2017）09－0031－04

2017-03-17

邢建平（1990），男，主要研究方向为配电网运维与电能质量检测与分析。