矿井供电系统防越级跳闸技术的应用研究

高举政

摘 要：本文以煤矿供电系统跳闸现象为切入点，通过对GOOSE通讯的井下防越级跳闸系统硬件以及软件设计，提高了系统的稳定性，通过实践证明，该方案下的防越级跳闸保护设备对矿井的跳闸故障起到良好的作用，延長下级闭锁装置的闭锁时间可以有效提高GOOSE通讯的稳定性，对防越级跳闸功能有一定的积极作用。

关键词：供电系统;防越级跳闸技术;GOOSE通讯

1 引言

供电系统是煤矿正常生产的保障，对煤矿正常运行以及工作人员的安全有重要意义。针对供电系统中短路故障以及漏电保护等跳闸现象，提出将井下高压防爆开关的智能综合保护器的采样、处理、输出等冗余环节作为后备保护，加以直接的电流速断保护的改造方案;对于漏电故障时非选择性误跳闸提出了一种对总馈电开关和分支馈电开关分别采用不同保护方式的改造方案[1]，实践表明，以太网进行实时性仿真实验，验证了网络的稳定性、可靠性和实时性，可有效地防止越级跳闸事故发生，确保煤矿井下供电系统安全运行。本文在已有研究的基础上，针对煤矿供电系统防越级跳闸现象，通过对系统硬件以及软件的设计，实践证明对防越级跳闸功能起到积极作用。

2 防越级跳闸系统的工作原理及设计方案

防越级跳闸的原理是：通过GOOSE通讯信号将供电系统的各级保护联系起来，当供电系统中的任意一级保护系统发生故障后，GOOSE 信号迅速发出，系统迅速闭锁信号同时闭锁上一级保护系统，保证故障部分在最小范围内。当系统短路器发生故障后，系统迅速完成跳闸动作，对于分支较多的供电网络实现区域保护，可以有效解决时间差问题，使得供电系统实现时间的高度配合。

2.1 防越级跳闸系统硬件设计

煤矿供电系统的综合保护装置必须能实现检测、测量供电系统，同时实现控制和保护的功能，此外，因为保护装置还具有防越级跳闸功能，因此系统还具有存储大量数据，进行高速运算和及时通讯的能力。

接地选线算法需要满足实时通讯功能的同时还需进行大量数据的采集计算，因此本文采用双处理器协同工作的方式，满足国家标准的同时，实现了大存储的特点，保证了系统的安全性、稳定性和可扩展性。基于GOOSE通讯的井下防越级跳闸系统硬件架构图中，主处理器主要负责数据的采集和处理，并进行故障类型的判别;协处理器主要负责数据的传送、对时以及故障录波存储的功能。井下防越级跳闸系统硬件架构图如图1所示，从图中可以看出，功能模块主要包括开关控制模块、看门狗模块、电源模块、数据采集模块、通信模块、扩展存储模块以及时钟模块等。

系统中双处理器协同工作是核心，主处理器具有以下特点：选用ADI公司生产的ADSP-21065L芯片具有很强的运算能力，在双处理器工作状况下，双端口的存储器Bank0和Bank1，实现了数据的快速处理和共享，在单周期内允许处理器内核和控制器的独立访问。SDRAM 接口不仅实现了数据的快速传递而且双倍的时钟频率加快了数据交换，完美实现了无缝连接。ADSP-21065L芯片改变了传统ADSP-21065L芯片3.3V供电现状，将供电电压提高至5V，利用电平转化实现与外围芯片的匹配，数据进行输入输出的同时可以有效隔断与总线的联系。

2.2 基于GOOSE 通讯的井下防越级跳闸系统软件设计

供电系统的处理器软件结构由中断服务和主程序构成。中断服务主要功能是通过定时周期的检测判断故障类型并进行保护实施。主程序主要负责实时检测系统各功能。软件中断流程图如图2所示。

在VxWorks操作系统上，对协处理器软件进行设计，该软件系统可以实现和第三方软件相连接的特点，便于任务的运行、中断和内存的管理。本系统软件包括以下内容：文件任务系统、实时处理任务、人机接口任务、文件存储功能、通讯任务等。在进行供电系统防越级跳闸技术的研究上，必须保证系统检测的实时性，其中逻辑判断以及越级跳闸信息的发送必须保证在中断服务程序完成之前，信息的存储和发送在主程序中进行。煤矿功能系统防越级跳闸技术的实施过程具体如下：

①电路发生故障如短路故障时，系统中的保护装置自动检测到故障信息，闭锁元件收到故障信息时自动启动，同时上级保护装置受到闭锁故障信息;②当下级保护装置第一时间收到故障信息后，闭锁保护装置立即跳闸，直到保护装置的锁定时间完成，如果未能在第一时间收到故障信息，保护装置则会立即跳闸以保护整个系统的安全性;③在故障保护动作完成后，保护装置进行故障电路判别行为，如果切断断路器将会导致电路中电流的消失，保护装置发送故障信息至正向节点，如果故障信息一直存在于电路中，则故障信息上传至上级保护装置;④如果故障问题解决，系统会自行锁定保护时间，在规定时间内故障如果解决，保护返回，如果在规定时间内故障未能解决，保护装置通过跳闸保护系统的安全性。

3 调试与应用

本系统在煤矿进行了现场调试和应用，该矿实际跳闸次数达到50次，其中越级跳闸次数达到20次，严重影响矿井的正常运行。经过实际考察，对矿井供电系统进行改进，改进部分包括煤矿变电站、中央变电站，采区变电所以及工作面变电站。在进行电路系统的改进过程，必须保证系统接地系统完善，只有系统接地没有问题，保护装置才可以准确的实现故障的诊断和判别。供电系统设备的稳定运行依靠于设备良好的接地，对于电流较小的设备而言，接地不灵将会导致设备运行受到干扰，因此进行故障判别是出现问题，长时间的运行中，设备极易发生死机现象。

本文试验的调试共用了66台防越级跳闸保护设备，在长时间的运行过程中，短路故障发生一次，越级跳闸故障发生一次，究其原因，在供电系统发生故障时，并非防越级跳闸设备硬件以及软件的问题，而是GOOSE通信不稳定造成的，在现场进行通信网络的检查，重新进行通信接口和交换机的设置，排除了故障。

因为煤矿现场工作环境的恶劣性，GOOSE通信进场出现数据接收传动不稳定的现象，因此导致故障诊断不准确，可采用以下方法提高GOOSE通信的可靠性：当GOOSE数据集发生变化时，必须及时进行GOOSE 报文发送;每隔一定时间进行GOOSE 重发，保障通信的稳定性。

4 结论

本文基于GOOSE 通讯，对井下防越级跳闸系统硬件以及软件进行了优化设计，通过现场应用，发现该防越级跳闸技术有良好的实际效果，在现场应用中，对GOOSE通信进行了进一步优化，适应井下恶劣条件的同时，对防越级跳闸功能有一定的积极作用。

参考文献：

[1]黄雄，郝后堂，刘晓铭.煤矿井下供电防越级跳闸新技术[J].煤炭工程，2014，46（1）：18-21.