防越级跳闸及供电监控系统设计与应用

刘建强

（陕西华电榆横煤电有限责任公司小纪汗煤矿，陕西 榆林 719000）

小纪汗煤矿隶属陕西华电榆横煤电有限责任公司，为榆横矿区第一个千万吨级现代化矿井。该矿首采2号、4-2号煤层，为低瓦斯矿井。由于矿井双回路供电系统存在线路长、分级多及阻抗小等问题，且沿用传统继电保护，当线路出现短路故障时，引起多级开关同时动作，导致越级跳闸事故的发生，影响非故障区域设备的正常供电及排水、通风系统的正常运行[1-3]。为提高矿井供电系统的自动化、信息化及智能化，实现系统安全可靠运行，杜绝“越级跳闸”事故的发生，小纪汗煤矿研发集供电监控与防越级跳闸于一体的电力保护系统，对保证矿井供电安全具有重要的现实意义。

1 防越级跳闸系统原理

矿井配电网络系统设计采用多级保护装置，如下级配电系统发生故障，则会触发本级配电系统的保护装置，当确定配电系统电流定值达到本级动作定值时，立即向上级配电系统发出闭锁保护信号，上级保护接到信号后，闭锁本级速断保护；如下级出现开关跳闸，闭锁信号自动消失，上级保护利用30～900 ms（可整定）对闭锁信号进行判断，确定无闭锁信号后自行解除，实现即使在下级开关出现拒动，上级保护也能在最小延迟的情况下动作。

防越级跳闸系统工作原理如图1所示。根据图1，如采区变电所配电网络D2点出现短路，所在线路的DL-D1保护启动，并将信息传送至采区变电所通信服务器，服务器通过保护通信将故障位置等信息传送至进线保护DL-D0，DL-D0通过保护通信逐级将信息传送至DL-C1、DL-C0及DL-B1等上级保护。采区变电所进线保护DL-D0处理故障后出口跳闸，而上级保护DL-D0保持后备状态且与DL-D1保持通信，当DL-D1跳闸成功，则DL-D0及其上级保护全部释放返回；如DL-D1未能成功跳闸，出现开关拒动等情况，则上级DL-D0进入出口跳闸程序，并向上级DL-C1保护传送故障信息，防止出现越级跳闸现象。

图1 防越级跳闸系统工作原理

2 电力监控系统

2.1 系统结构

电力监控系统结构如图2所示，该系统由监控通信网络、设备层及控制层组成。

图2 电力监控系统结构

2.2 电力监控中心

（1）监控中心架构

监控中心位于监控系统的控制层，主要由两台数据服务器、两台电力监控操作站及一套GPS对时装置组成。

（2）设备用途

数据服务器采用双机热备用工作方式，安装一套实时数据库软件用于实时数据、信息的存储及处理。另安装一套商用软件用于历史数据、信息的存储及处理；监控操作站用于操作监控系统软件；GPS对时装置实现系统网络时间与实时同步。

（3）扩展应用

基于现监控系统配置，根据应用需求，可扩展安装广播通信系统、Web服务及视频监控系统等。

2.3 监控系统通信网络

电力监控系统通信网络呈多种拓扑结构，可接入独立组网、以太网等方式，此次采用独立组网方式。通讯网络设置如图2所示，电力监控中心安装一台核心交换机，核心交换机下设两个网络交换机，分别安装在板桥风机变电所、西彭风机变电所。两网络交换机下设各监控分站，安装在各采区变电所。监控分站采用CanBus现场总线收集保护装置信息、系统数据及监控信息，通过以太网网络接口接入两变电所安装的网络交换机，然后接入核心交换机，形成通信网络系统。

3 监控系统功能及特点

3.1 监控系统功能

（1）系统具备遥调、遥控等功能，实现井下各级变电所无人值守。具有联动闭锁、预置、编组及单台等多种遥控操作方式，对井下供电回路各级开关编排成组、远控操作，同时可设置应急操作预案，当系统出现停风时，则立即切断该系统的动力电源，实现风电闭锁。

（2）电力监控操作站主机提供集控操作、供电系统数据和状态曲线图、故障预报预警及遥控闭锁等功能，现场人员利用操作站查询数据记录、评估系统状况、发现及处理事故。同时，为降低安全风险，现场人员可选择是否启动遥控操作。

（3）统计操作、次数、运行及分类报表，自动生成下限值、上限值、累计值并进行分类汇总，显示不同时段的各类图表、数据及曲线，同时具备机电管理的各项功能。当井下电器保护装置出现故障、定值变更等情况，地面监控系统能及时报警。

（4）通过编程使送电流程程序化、规范化。通过对监控系统进行编程，管控井下变电所开关恢复送电的顺序，且根据具体情况可作修改及调整。

3.2 电力监控系统运行特点

井下通讯网络利用光纤进行点对点传送，通过采区变电所交换机传导数据及信息[4-5]，即交换机接收集成保护测控装置信息后下发开关的分、合闸命令，控制开关的合闸及分闸；各智能终端传送的数据通过核心交换机合并整理后，通过高速光纤传送至地面电力监控操作站，地面集成保护测控装置接收相关数据，进行数据运算，之后通过核心交换机将结果反馈至智能终端，用以下发控制命令，实现保护跳闸。

电力监控系统可在高压线路不停电的情况下，通过操作台键盘及鼠标调整保护定值；其他供电线路均可通过管理设备实现后台运行。监控系统可显示各馈电线路母线的电压、无功功率、有功功率、功率因数和各刀闸、高压开关的状态，且利用监控系统遥控各高压开关分、合闸。

4 应用效果

小纪汗煤矿供电系统自2021年2月采用该防越级跳闸及供电监控系统后，矿井供电系统停电时间较2020年同期减少90%，未出现一起越级跳闸及相关事故；对井下电气设备实现实时监测、操作，减少故障处理时间及故障次数，保证了供电系统的稳定、可靠；实现井下各级变电所无人值守，每班减少人工投入21个，每工工资210元，则每年可节省劳务费约160万。

5 结论

1）小纪汗煤矿通过应用防越级跳闸系统，实现电力系统下级与上级保护装置联动，通过判断闭锁信号动作或闭锁上级电流速断保护，切实达到防越级跳闸目的；2021年矿井停电时间较2020年同期减少90%，同时未出现一起大面积停电及人为误操作引起的电气设备故障，杜绝越级跳闸现象。

2）小纪汗煤矿通过应用供电监控系统，实现对供电线路及电气设备参数实时监测、操作，大幅度提高发现及处理故障的效率，改善供电系统的运行性能，同时每年节省人工费约160万。

3）小纪汗煤矿成功运用防越级跳闸及供电监控系统，可为其他沿用传统继电保护的矿井提供理论依据及实践经验，具有一定的借鉴意义。