賈新立

(河北水利電力學(xué)院，河北省滄州市，061000)

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煤礦供電系統(tǒng)穿越性故障識別與隔離方案研究

賈新立

(河北水利電力學(xué)院，河北省滄州市，061000)

煤礦現(xiàn)有的多級自動(dòng)化串聯(lián)供電系統(tǒng)只能對部分故障進(jìn)行判斷與隔離，并不能對所有可能發(fā)生的故障進(jìn)行識別，在功能上存在著缺陷。根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)的特征，提出區(qū)域集控式煤礦智能變電站體系結(jié)構(gòu)，將含有相同等級電壓的變電站分別建成具有測量和收集等功能的智能變電分站，通過建設(shè)智能控制中心對各個(gè)分站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，設(shè)計(jì)并開發(fā)了故障識別與隔離系統(tǒng)，為解決煤礦電網(wǎng)故障多級穿越問題提供有力的技術(shù)支持。

煤礦供電系統(tǒng) 區(qū)域集控 故障識別 隔離方案

近年來，由于深井供電系統(tǒng)的特殊性、地下煤礦開采條件的單一性以及煤礦電網(wǎng)自動(dòng)化程度不高，使得煤礦井下供電裝置的軟硬件性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面供電系統(tǒng)。由于煤礦電網(wǎng)同等級的電壓要穿越多個(gè)變電所，若某一級發(fā)生故障未能隔離，則會(huì)穿越到上一級，造成更大的后果，因此解決煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的穿越性故障識別與隔離問題成為近年來研究的重點(diǎn)。

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)以及智能變電站技術(shù)很好地解決了煤礦中存在的一些特殊供電問題。智能電網(wǎng)是通過先進(jìn)的設(shè)備和傳感技術(shù)，以物理電網(wǎng)作為基礎(chǔ)，通過特殊的技術(shù)手段，將系統(tǒng)內(nèi)所有的智能電子設(shè)備以及傳感器有效地連接到一起，完成了對系統(tǒng)與設(shè)備之間的智能連線。智能變電站是全網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的控制命令執(zhí)行單元以及采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是智能電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)。智能變電站將各個(gè)分站收集到的信息進(jìn)行統(tǒng)一，以便于實(shí)現(xiàn)信息的共享。智能變電站具有簡潔化和集約化等特點(diǎn)，能將能量管理系統(tǒng)和五防閉鎖系統(tǒng)等應(yīng)用集中到同一平臺(tái)中，改變了以往信息的孤立性，為解決電網(wǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)的各種故障問題提供了信息支撐，為今后煤礦行業(yè)供電系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

1 故障隔離算法

故障區(qū)域的定位采用的是配網(wǎng)饋線自動(dòng)化的方法，結(jié)合發(fā)生故障時(shí)上傳的各節(jié)點(diǎn)信息將電網(wǎng)拓?fù)涑橄鬄榫仃?，最后?gòu)造算法實(shí)現(xiàn)對故障區(qū)域的定位。將煤礦電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)造成的矩陣記為D，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)變電站上傳的故障信息構(gòu)造矩陣并記為P，然后根據(jù)矩陣P與矩陣D進(jìn)行搜索，最后找到故障區(qū)域。

1.1 網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D

將電網(wǎng)中實(shí)際存在的開關(guān)視為節(jié)點(diǎn)并編號，若節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，則D即為N×N方陣，規(guī)定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j，當(dāng)dij=1時(shí)，則i有流向j的趨勢，否則dij=0。具體矩陣如式(1)所示：

(1)

1.2 故障信息矩陣P

若電網(wǎng)中存在的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，則故障信息矩陣P為1行N列的行矩陣，P中元素的順序按電網(wǎng)中斷路器的編號。當(dāng)有故障信息出現(xiàn)時(shí)，會(huì)修改P中的元素，當(dāng)某一開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，對應(yīng)的矩陣元素為1，沒有故障時(shí)則為0。

1.3 判定準(zhǔn)則

當(dāng)矩陣中某一元素fi=1時(shí)，若矩陣P所有滿足dij=1(i≠j)的元素fi=0，即滿足：

|dij=1(i≠j)=0

(2)

則故障發(fā)生在i點(diǎn)，應(yīng)對i點(diǎn)下達(dá)跳閘命令。

2 故障及不正常運(yùn)行狀態(tài)識別

2.1 漏電故障識別

在井下供電系統(tǒng)中，漏電故障發(fā)生的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他故障，煤礦電網(wǎng)使用的系統(tǒng)主要有中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)與消弧線圈接地系統(tǒng)，識別漏電故障的原理有零序無功功率方向原理和零序有功功率方向原理，不同的原理適用于不同的系統(tǒng)，取得的效果也不一樣。系統(tǒng)與原理的選擇見表1。

通過對兩原理的分析，構(gòu)造一個(gè)更加方便直觀的判斷依據(jù)。設(shè)定角度φ為零序電壓與零序電流的夾角，并以零序電壓作為參考量，得到一種更加快捷的保護(hù)判據(jù)，保護(hù)判據(jù)的判定方法見表2。

表1 系統(tǒng)與原理的選擇

表2 保護(hù)判據(jù)的判定方法

由表2可知，當(dāng)夾角φ的角度范圍為0°～90°時(shí)的線路為健康線路，在其他角度范圍下則為故障線路。據(jù)此方法可準(zhǔn)確判斷出漏電位置。

2.2 短路故障識別

電網(wǎng)中發(fā)生的短路故障是對系統(tǒng)破壞最大最嚴(yán)重的一種故障。發(fā)生短路時(shí)，除了熱效應(yīng)和電動(dòng)力，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)序和零序分壓，兩種分壓都會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的劇烈震動(dòng)。為了加強(qiáng)對短路故障的判斷與識別，采用電流突變量作為判斷是否發(fā)生短路故障的依據(jù)，確保了電路的通暢。電流突變量見式(3)：

(3)

式中 :Δik——電流突變量，A；

ik——第k個(gè)點(diǎn)的電流采樣值，A；

ik-N——第k-N個(gè)點(diǎn)的電流采樣值，A；

ik-2N——第k-2N個(gè)點(diǎn)的電流采樣值，A；

N——一個(gè)周期內(nèi)的采樣數(shù)量；

k——任意一個(gè)采樣點(diǎn)。

對式(3)進(jìn)行積分，則得到利用積分的方式計(jì)算突變量的方法如式(4)所示：

(4)

電流突變量積分示意圖如圖 1 所示。由圖1可以看出，當(dāng)最后的積分值ΔS大于定值Δik時(shí)，將直接進(jìn)行故障處理。

2.3 過載識別

過載是一種非正常的運(yùn)行狀態(tài)，過載超過一定的耐受極限或長時(shí)間過載都會(huì)引起設(shè)備故障，過載時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，當(dāng)熱效應(yīng)積累到一定程度時(shí)也會(huì)引發(fā)故障。目前，定時(shí)限和反時(shí)限配合使用是應(yīng)用最廣泛的過載保護(hù)方法，定時(shí)限部分是為了確保供電的連續(xù)性與選擇性，反時(shí)限部分可以承載的過載電流越大，過載時(shí)間就越短，即兩者成反比例關(guān)系。對電流進(jìn)行采樣，當(dāng)電流值超過規(guī)定值時(shí)，保護(hù)經(jīng)整定的延時(shí)t動(dòng)作跳閘，定值換算成過載倍數(shù)K，與時(shí)間t遵照圖1曲線。

圖1 電流突變量積分示意圖

3 穿越性故障識別與隔離方案研究

3.1 煤礦供電系統(tǒng)特征

我國煤礦的供電系統(tǒng)由地面變電所和采區(qū)變電所等部分構(gòu)成，且大都采取輻射狀分布。具體煤礦供電系統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦供電系統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，煤礦供電系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立電源為煤礦電網(wǎng)供電，一般情況下，地面變電所設(shè)兩臺(tái)主變壓器，且都采取分列的方式運(yùn)行，對從獨(dú)立電源處引出的高壓線進(jìn)行變壓，當(dāng)一回路運(yùn)行時(shí)，另一回路帶電備用。

3.2 區(qū)域集控式煤礦智能變電站結(jié)構(gòu)

結(jié)合我國煤礦供電系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量眾多以及變電所相距較近的特點(diǎn)，將現(xiàn)有資源進(jìn)行綜合整理，改善以往變電站管理模式所不能適應(yīng)區(qū)域集中管理的需要，以集控化為手段，從集中控制的角度出發(fā)，利用智能變電站技術(shù)建立集約化和智能化區(qū)域集控式煤礦智能供電系統(tǒng)。以間隔為單位，將具有相同等級電壓的變電站建成分智能變電站，智能單元作為分智能變電站的核心裝置，獨(dú)立完成測量和保護(hù)等功能，不受站控層影響，建立智能集控中心以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)分站的協(xié)調(diào)控制。煤礦區(qū)域集控式智能供電系統(tǒng)控制圖如圖 3 所示。

由圖3可知，采用MMS/GOOSE兩網(wǎng)合一技術(shù)，在站控層設(shè)立隔離與穿越性故障識別主機(jī)，集控主機(jī)對各個(gè)單元收集的故障信息進(jìn)行故障識別與隔離，實(shí)現(xiàn)區(qū)域智能控制。

3.3 故障識別與隔離研究

目前，國內(nèi)煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存在故障區(qū)域判別困難、多級串聯(lián)供電和越級跳閘3種電網(wǎng)故障，而相應(yīng)的解決方案在實(shí)行上存在較大的弊端，解決方案及其缺陷見表3。

表3 解決方案及其缺陷

由表 3 可以看出，這3種解決方案都不能完成對所有類型故障的識別與隔離且效果較差。為了更好地解決現(xiàn)存問題，提出了一種新的解決方案，具體技術(shù)原理如圖 4 所示。

由圖4可知，各個(gè)分站通過收集系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過智能單位的計(jì)算分析，最后判斷出故障所屬的類型，然后以GOOSE報(bào)文的形式上送到集控中心，集控中心根據(jù)上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，最后通過GOOSE報(bào)文將信號下發(fā)到分站。集控中心保護(hù)主機(jī)完成故障的判斷與排除，并不會(huì)影響各個(gè)分站的隔離與獨(dú)立判斷能力， 以確?？v向的選擇性。

圖3 煤礦區(qū)域集控式智能供電系統(tǒng)控制圖

圖4 區(qū)域集控式故障識別與隔離技術(shù)結(jié)構(gòu)原理圖

4 結(jié)語

利用故障隔離算法可以快速、準(zhǔn)確地定位故障區(qū)域，降低故障排除時(shí)間。以智能變電站的快速發(fā)展為基礎(chǔ)，憑借智能變電站的信息共享技術(shù)，解決了當(dāng)前煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的穿越性故障識別與隔離問題，為今后的發(fā)展提供了契機(jī)。

[1] 姚福強(qiáng),柏猛，杜兆文.GOOSE信號閉鎖在煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2016(7)

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[5] 丁靜波. 煤礦供電越級跳閘問題解決方案研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2014(2)

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Research on through fault recognition and isolation scheme for coal mine power supply system

Jia Xinli

(Hebei University of Water Resources and Electric Engineering, Cangzhou, Hebei 061000, China)

The existing multilevel automatic series power supply system can only judge and isolate some faults, but not all the possible faults, it's defective in function. According to the characteristics of coal mine power supply system, the regional centralized coal mine intelligent substation structure was proposed, substations with same level of voltage were built into intelligent substations with functions of measurement and fault collection, which were coordinated and controlled by intelligent control center, and fault recognition and isolation system was designed and developed, which provided powerful technical support for solving coal mine grid fault multilevel through problems.

coal mine power supply system, regional centralized control, fault identification, isolation scheme

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(ZD2016129)

賈新立. 煤礦供電系統(tǒng)穿越性故障識別與隔離方案研究[J]. 中國煤炭，2017，43(3):89-92，108. Jia Xinli. Research on through fault recognition and isolation scheme for coal mine power supply system[J] .China Coal，2017，43(3): 89-92，108.

TD611

A

賈新立(1980-)，男，河北滄州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。