基于GOOSE通信网络的防越级跳闸系统设计应用*

张彬彬

(西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西 太原 030053)

0 引 言

煤炭资源作为我国重要的化石能源，其在我国能源消耗中占比超过6成，在我国一次能源消耗中占据7成以上的比重，因此煤炭资源将长期处于绝对领导地位。矿井供电系统作为矿井生产重要的保障系统，其稳定运行对于矿井生产有着至关重要的意义，供电系统供电不稳定造成煤矿停电，对矿井开采有较大的影响，同时由于停电造成机械设备的急停，严重影响设备的使用寿命，因此矿井供电的稳定性研究十分重要。

矿井供电系统越级跳闸主要是指电力系统出现故障时，应由保护整定优先跳闸的断路器来切除故障，但因故由其他断路器跳闸来切除故障。越级跳闸事故是影响系统稳定性的重要故障，越级跳闸使采掘工作面大幅度停工，严重影响矿井开采生产和经济效益。笔者基于前人对防越级跳闸系统的研究，通过对防越级跳闸技术进行分析应用，得出矿井供电系统防越级跳闸设计方案，旨在为后续矿井供电系统设计及供电稳定性提供相关有意义的参考[1]。

1 越级跳闸原因

1.1 供电系统失稳

供电系统失稳现象会造成系统发生越级跳闸事故，在供电系统中，由于用电设备功率逐步加大，且矿井工况环境较为恶劣，使矿井供电系统常常会由于井下大功率机电设备数量较多,引起矿井供电系统失稳情况，如欠压、失压三相不平衡等，失稳会造成保护装置的联锁控制开关出现故障，导致分线路出现短路问题，使保护装置开关无法正常工作，发生供电系统越级跳闸事故。

1.2 矿井开关配置问题

随着矿井生产能力日益加大，井下机械设备功率及数量不断增加，造成矿井设备供电系统电负荷不断加大，由于井下供电系统高压隔爆装置未能按照设计要求进行合理布置，部分高压开关更新不及时等，使得系统中开关发生故障的几率增大，供电质量及供电安全有所降低，此时会造成供电系统出现短路，而高压隔爆开关的响应速度慢于支路其他开关，出现越级跳闸事故。

1.3 电路速断方式落后

在矿井供电系统中保护电路的上下级保护差为0.5 s，在实际工作过程中为了保证故障线路检查速度，会采用0时差上下级速断保护方式，通过采用此方法可提升电流的导电能力，但对导电材料性能要求有所增加，矿井在提升上下级速断时间的同时未提升导电材料性能，所以此时会造成越级跳闸事故。

1.4 整定方法不当

我国大部分煤矿进行井下短路保护整定计算，计算时采用最大负荷电流的方法，此时计算值会小于短路电流整定计算数值，所以供电系统一旦发生短路，此时沿线会立刻发出保护命令 ，从而发生越级跳闸事故。

1.5 漏电保护装置不合理

矿井高压供电网中必须对单相接地电容进行相应限制，同时保证电流不高于20 A，但在矿井实际生产过程中，由于供电系统较为复杂，使工作过程中的电气干扰和高次谐波对系统供电的稳定性产生较大影响，此时会造成系统漏电保护系统功能性有所降低，从而造成越级跳闸现象。

2 防越级跳闸系统设计

2.1 总体结构

在防越级跳闸系统构造中，GOOSE通信网络应用广泛。GOOSE 系统是以IEC61850为主要服务模式，P2P (Peer-to-Peer)为基础通信，创造了快速、高效的通信措施，通过以太网传输的任何通信均能以广播方式传送到以太网，操作人员可以获得需要的信息。系统采用分层分布式光纤环网结构，分为间隔层、网络层、管理层，防越级跳闸系统总体结构如图1所示。

图1 防越级跳闸系统总体结构

在间隔时间内对小型终端-体化保护，在变电站之间的间隔期内得到地面下运行台站的保护，这些分台站连接着GOOSE变压器和GOOS交换机，从而提供了一个光纤通信网络，通过该网络，通信部门和地面下电力监测的分台站通过光纤网络，该地区通信和地面能源控制部，通过网络将信息远程传输到有光纤电缆的地方控制系统。系统由有线和无线通信、矿用隔爆电力监测的分电站和移动控制中心管理。

2.2 处理器选择

对防越级跳闸系统的处理器进行选型，选用powerPC+FGPGA模块，powerPC处理器能够实现数据取样、数据处理、地面故障解决、时间管理、人机交互、故障频率存储等功能；而 FPGA 能够完成模拟量的采样和处理。主处理器选用MPC8313E芯片，处理器的工作频率可以达到333 MHz,具有高度集成性，同时能够支持外部设备连接，能够大幅度简化设计，提高开放效率，具有十分优越的应用效果。FPGA主要用于模拟量采样及处理，选用Spartan-6 FPGA系列的XC6SLX9处理器。其在总成本方面、性价比、功耗平衡方面具有较强的优越性[2]。

2.3 电源选择

系统电源选择PT (AC 1 100 V)，其中三相电压分两个轨道，分别在电磁分离后取样，通过A/D 转换形成数字信号，后发送于FPGA，此时另一轨道为系统全部的方面进行能量补给，补给电压为24 V、12 V、5 V、3.3 V。

2.4 交换机选择

系统的A/D交换机作为交换模型的核心，内部使用MAX125芯片。MAX125芯片是具有高速度8通道的交换装置，是防越级跳闸系统典型通信渠道，设备内部配备了双极±5伏电源，在工作取样范围内。误差为0.008 %，信号转换速度为3 μg。同时MAX125芯片平行数据接口与大部分16位/32位处理器和数字信号处理器兼容，无需等待转化时间。

2.5 模块设定

开关量输入输出模主要是为用于交换输入信号(风、瓦)。同时为了有效保障交换信号可靠性，在中央处理交换流量采用防止技术，通过采用TL 2521接口电路的无源光学输入通道(PC)和光栅(PC)以及CPU端口和干预信号块之间的电绝缘。

2.6 通讯模块设计

防越级跳闸系统的通讯模块采用以太网通信结合RS485/232完成，其中以太网的工作任务主要是对发送、接收信息，同时能够补充主要站点的交换信息，RS485/232主要用于交换主机连接及服务输入端口。以太网的通信基础芯片选用LXT971A，其能够自适应传输接收信号，同时以太网实现信号的快速对等，当以太网发出信号时，此时通过相加过滤器进行信号传送，电路信号转换为兼容电平面，系统接收到信号时，对信号进行级别转换，再通过交叉电路将其转换成能所需电平的电磁感应信号。通讯网络示意图如图2所示。

人机交互模块是人与设备互动模块，显示器选择为LCD 128*64的显示屏幕。显示器通过非加密键盘及低信号扫描进行操作，后通过设计的软件进行判断键值，从而得到相应的键调节步骤。显示器可以显示文字及图形信号、同时显示编辑程序，具有较好的优越性。

图2 通讯网络示意图

3 系统应用

系统应用界面图如图3所示。

图3 系统示意图

所设计的防越级跳闸系统应用过程中，发现系统接地会对接地故障的判别进行干扰，同时保护装置能够准确判断、定位，但设备须良好接地。所以设备接地对设备可靠运行至关重要。同时在小电流接地选线会干扰影响接地故障识别，产生不良影响，严重会造成死机[3]。

系统运行6个月中，统计发生4次短路故障。其中越级跳闸1次，剩余均正常动作，越级跳闸是由于通信导致问题出现，根据事件记录，发现GOOSE通信存在不稳定情况，从而引发越级跳闸。所以后续对通信网络、通信接口等进行设置，有效消除通信不稳定的情况，避免越级故障再次发生。

4 结 语

对矿井越级跳闸产生的原因进行分析，给出了供电系统失稳、开关不合理、电路速断方式落后、整定方法不当等导致越级跳闸事故发生的原因，并基于GOOSE通信网络设计了防越级跳闸系统，分别对系统处理器、电压模块、输入输出模块、通讯网络、人机界面等硬件选型进行分析，给出了整套防越级跳闸系统，并通过应用找出越级跳闸系统存在的问题并进行整修，为解决供电系统越级跳闸事故做出参考。