(山西潞安矿业(集团)有限责任公司李村煤矿建设管理处山西省长治市046600)
摘要：煤矿供电系统复杂，串联供电级数多，越级跳闸现象频繁，严重影响煤矿安全。本文分析了煤矿智能供电系统故障识别与隔离技术。
关键词：智能供电系统；故障识别；隔离技术
由于煤矿电网同等级的电压要穿越多个变电所,若某一级发生故障未能隔离，则会穿越到上一级,造成更大的后果。因此，解决煤矿供电系统中的故障识别和隔离问题已成为近年来研究的重点。
一、区域集控式智能供电系统
煤矿电网多级串联供电系统集中负荷大，多个变电站间距离较短，使区域集中智能供电系统成为可能。国家电网公司技术标准《智能变电站继电保护技术规范》要求66kV、35kV及以下间隔保护、测控、智能终端、组合单元功能应按区间合并实现，因此，煤矿配电网智能变电站建设大多采用两层一网结构，不建立SMV过程层网络。在此背景下，煤矿区集中式智能供电系统是以多智能变电站为基础，构建智能集中控制中心作为各子站的公共站控制层。
各智能站利用GOOSE网络与区域集中控制中心进行通信，从而实现信息共享，故障识别和隔离系统位于车站控制层，包括主机和集中控制中心的显示器。而集合控制主机收集保护控制装置上载的故障信息，从而实现故障识别和隔离，并将分析结果显示在后台界面进行拓扑着色，用于显示故障区段和故障类型，并发出故障报警。各智能变电站在系统中承担区域集中控制的功能，除本站外，还实现了区域智能控制防误闭锁。
二、区域集控式故障识别与隔离系统
为了保证系统的可靠性和灵敏度，区域集中控制故障识别和隔离系统应满足以下原则：地面和井下的智能变电站独立识别故障，并通过GOOSE上传到区域集中控制中心；集中控制中心完成系统范围内故障区段的判断，并发出隔离和闭锁命令；集中控制中心不影响各站的独立故障判断和继电保护功能，故障识别和判断的速度应比各站屏障保护装置的保护动作速度快，并且不影响各站的保护动作特性。
1、故障区段识别算法。传统的故障区段识别算法复杂、耗时长，不能满足特殊供电场合快速隔离故障的需要。本文在构建煤矿网络树状拓扑的前提下，根据保护测控装置的检测结果，进一步判断故障区段，操作简单、快速、实用。区域集中控制中心根据各子变电站上传的故障信息，构造故障识别矩阵。其构造方法以如下：
1）网络描述矩阵D。为了保证通用性，将系统中各线路开关的智能保护器按任意顺序进行统一编号。线功率外流的方向是网络的正方向。根据每个节点的定向连接构造网络描述矩阵D，假设系统中有n个智能保护器，则构造n×n的方阵，节点i与j之间存在一条馈线，且正方向为i指向j，则dij=1，否则dij=0。
2）故障信息矩阵F。当线路某处发生两相短路故障时，电流增大。故障电流将流过整个线路，故障电流则由安装在线路开关中的智能保护器检测，并将故障信号上传。故障识别和隔离主机根据所收到的故障信息，从而形成故障信息矩阵，F＝。
3）定义故障区段矩阵L，初始化为1×n的0矩阵，查找F，当＝1时，查找D矩阵，若矩阵D所有满足＝1时的＝0，即满足，可判断则故障发生在节点后，若所有满足＝1条件的均为0，则节点为最后一个节点，应立即下发跳闸命令，=l，得到故障区间矩阵。
2、区域智能控制防误闭锁。根据故障区段识别算法的分析结果，区域集中控制中心利用GOOSE消息发布保护允许/锁定指令。对临时故障，在故障消失或局部保护装置被错误地恢复后，“本地信号”从“1”变为“0”。在这种情况下，保护将不起作用。层间保护测控装置的判断不受集中控制中心保护主机信号的影响，即使保护测控装置接收到“允许”信号，但“本地信号”变为“0”，表明层间保护的启动是由干扰引起的，而不是故障所造成的。此时，保护逻辑输出“0”，不会跳开开关，由此可见，主机的“允许”或“锁定”信号仅由层间保护和控制装置，协助完成多智能变电站的故障区段定位，确保保护选择性，不会影响间隔层保护测控装置对故障的判断结果。
3、故障识别与隔离过程。智能变电站保护控制装置的实时运算，运算结果实时更新本地信号，并利用GOOSE消息将其上传到区域集中控制中心。矩阵从第一个故障GOOSE消息开始计时到时间t，如果在t时间内接收到GOOSE消息，则对GOOSE消息进行解码，并将t清零，重新开始计时，并且将延时时间t视为故障信息收集的开始矩阵操作，其大于矩阵运算花费时间。当备选区段数超过1时，出现信息漏传或信息畸变现象，进行矩阵容错处理。
4、优化决策算法。当保护测控装置发出跳闸命令时，开关可能会出现拒动现象。根据时差协调方式，相邻的上级开关将跳开，但有时设置时间太长，不能满足保护的快速性。因此，本文提出N-1优化决策方法，及时发现开关的拒动现象，并跳开上级开关。N-1优化决策方法如图1所示，在判断集中控制中心故障区段位置后，发送“允许”信号，保护主机开始计时，如果在一段时间内接收到故障信息，则判定开关拒动，矩阵将删除开关信息并重新计算一遍，让相邻它的上一级开关跳开。假设延迟时间为t1，矩阵重新计算时间为t2，则t1+t2＜T。该优化策略可加快后备保护快速性，当整个系统发生故障时，才采用逐级时差协调作为后备保护。
图1
三、网络传输关键技术
GOOSE报文直接映射到数据链路层，省去了中间各层的打包环节，它主要用于传输跳闸和锁定等开关量信息。在GOOSE和MMS共网条件下，实际工程中通过改写网卡驱动，将GOOSE和MMS报文映射到不同的协议层，因此它们不相互影响，从而保障数据的快速和实时传输。
间隔层终端实时运算，当有故障或异常时向GOOSE报文发送故障信息，进行故障识别和隔离相关计算。另外，各保护终端通过GOOSE互通开关量和模拟信息，即终端间的信息共享，可实现小电流接地选线、差动保护等功能，通过终端间配合，可实现快速故障隔离和供电功能。GOOSE的传输机制决定了具有较好的开关量传输实时性，只能传输少量非实时模拟量。对配电网来说，在保护结构时没有太多的信息共享。因此，基于GOOSE网络，实现站间及站内信息共享完全能满足变电站的保护控制要求，当前我国一些厂家已开发出了相关产品。
GOOSE报文传输的信息包括故障状态、故障类型和故障仿真信息等。同时，智能变电站要求GOOSE和其他报文具有很高的实时性能，各种突发性、非实时信息都会影响到GOOSE、MMS等信息的实时传输。另外，网络的瞬时过载、广播风暴等将导致网络性能急剧下降，无法正常进行数据通信。基于漏桶模型的信息流控制方法，是一种基于输入速率的流量控制机制，它的基本思想是通过发放标权来控制不同数据流的平均、峰值速度，每个队列中的信息需要从相应的漏桶中获取标权，才允许进入网络漏桶模型。
为了避免排队获取标权影响重要报文的实时性，可根据不同报文的优先级来设置不同的标权流入速度。交换机根据优先级对接收到的信息进行分类，并将其放置在不同的队列中。每个队列都设置了用于流量控制的漏桶模型，在信息获取标权进入发送缓冲队列之后，根据信息优先级调度传输顺序，以确保网络流量以基本有序的方式占用网络资源。
在设计装置通信中，应考虑最大传输情况下的传输延时，特别是接收延时，以防止由于固定端口的最大接收消息量引起的网络端口溢出，而造成的报文丢失或延时过长。另外，还可使用合理的交换机虚拟局域网技术和多播地址过滤器或保护装置网卡媒体访问控制地址过滤等方式，以避免其他报文对网口的影响。
四、结语
总之，煤矿供电系统从地面到井下有多级，同一电压等级串联供电级数多且线路短，工作环境恶劣，供电故障发生概率大；变电所相距较近，重负荷集中，易于实现区域集中控制。
参考文献：
[1]丁静波.煤矿供电越级跳闸问题解决方案研究[J].煤炭科学技术，2014．
[2]陈柏峰.井下电网越级跳闸的研究及解决建议[J].工矿自动化，2015．
[3]辛建波.基于漏桶和服务分类机制的数字化变电站信息传输方法[J].电网技术，2014．