矿井电网安全监控网络化系统研究

【摘 要】本文针对矿井电网因短路故障而引起的越级跳闸以及各监控子系统之间不能进行通信的问题，提出了安全监控网络化系统，利用网络技术对供电系统进行改进实现信息共享，并对继电保护整定进行了改进，通过自适应电流保护以避免越级跳闸故障的发生。

【关键词】矿井电网；监控；网络化；继电保护；越级跳闸

引言

煤矿供电系统是整个煤矿生产的动力来源，而矿井电网安全监控系统又是供电系统安全运行的重要保障，是保证煤矿安全高效生产的重中之重。本文设计的矿井电网安全监控网络化系统可以实现网络间的通信，及时发现电力设备运行中的故障，并作出相应的决策和处理。同时，利用自适应保护技术和独立分站,构成基于独立分站的井下电网自适应保护系统，可以有效避免越级跳闸的发生，并减少和避免误操作、误判断，缩短事故停电时间。

1、系统组成

该矿井电网安全监控网络化系统采用基于纵向联锁通信模型的矿井电网安全监控网络化系统。该系统分为井上和井下两部分，井上部分包括监控主机、打印机等。井下部分包括装设于各个井下变电所的智能控制分站、智能采集器以及各种传感器。每个变电所安装一个智能控制分站，控制分站采集变电所内各进出线故障状态信息。智能控制分站与地面主机构成CAN现场总线网络，实现多主监控，快速通信，并且通过自适应电流保护消除矿井配电网长期存在的因短路故障而引起越级跳闸的安全隐患。

2、系统工作原理

2.1 系统网络通信

煤矿井下变电所一般由井下中央变电所和若干个采区变电所组成。对于各个变电所要实现的功能中最重要的就是“四遥”功能。本系统中各个变电所内的智能控制分站通过RS-485总线与测控保护装置通信，能够实时读取保护装置的工作状态。当线路出现故障时，装设于各个变电所内的保护装置会立即动作，并将故障类型通过485总线及时的送至监控分站。控制分站通过CAN总线将信息上传至地面监控主站以供主机实时分析处理故障情况。

变电所通信总控单元和保护测控单元与外部通信一般采用标准的电力系统远动规约。CDT规约是一种循环式远动规约，适用于点到点的远动通道结构，必须采用全双工信道。本系统中控制分站与变电所内的通信控制单元进行通信采用专门处理串口通信的通信模块CP340。CP340通信处理模块使智能控制分站能与变电所内的通信控制单元以点到点通信方式进行数据交换。

2.2 基于智能控制分站的自适应电流保护

煤矿井下供电系统一般是单侧电源三级干线式供电系统。井下纵向供电网络各段电缆长度较短,当不同线段发生短路时,相邻或各纵向线段中的短路电流大小几乎相同,保护装置无法判断是本段电缆还是下段电缆发生短路,从而造成上一级保护或多级保护越级跳闸。通过构造基于智能控制分站的自适应保护系统可以有效的避免越级跳闸故障的发生。

井下每个变电所内均装设智能控制分站。假设当供电系统在Kb处发生故障时，装设于各级变电所进线回路的保护装置都将出现跳闸信号。智能控制分站在比较出现跳闸信号的保护装置号码之后，根据预先设置的跳闸优先级，向优先级最高的保护装置发出跳闸指令以切除故障。如果优先级别最高的保护装置由于机械故障或其他原因没有跳闸,智能控制分站能够通过通信口接收到保护装置没有跳闸的信号，转而向优先级次之的保护装置发出跳闸指令，从而实现保护的选择性。

三相短路和两相短路的短路电流之间存在关系：

(1)

三相短路时，三相电流对称，则有：

（2）

两相短路时，两故障相电流大小相等、相位相反，则两相电流差为：

（3）

由式(2)(3)可知，三相短路和两相短路时的两相电流差大小相等，不受故障类型的影响，因此自适应电流速断保护的动作整定值为：

(4)

3、短路电流及整定计算

本系统中电网故障电流以及整定计算均采用MATLAB计算，人机界面通过VB建立。系统中各程序之间的通信和数据交换采用的是动态数据交换DDE。要在VB和MATLAB应用程序中进行数据交换，必须建立DDE链接，选择对话主题，请求并发送信息，对话完成后关闭链接。

在假设近似条件下，三相对称短路电流If只是短路线路电抗Xjs和时间t的函数，即

(4)

式中，为三相短路电流周期分量起始值；为支路提供的三相短路电流周期分量起始值。

短路电流计算是整个软件计算的核心之一，它是保护定值整定的基础。本软件中的短路电流计算是经过系统和线路简化后的短路电流计算，需要的输入参数比一般的要少的多，但足以计算某段线路上最大运行方式下的三相短路电流和最小运行方式下的两相短路电流。

4、结语

本文介绍的矿井电网安全监控网络化系统提高了煤矿供电系统的自动化水平，减少了工人误操作，并且能够快速的判断系统故障，处理十分方便。本系统采用了可视化技术和面向对象程序设计方法，提供了良好的人机交互界面。提出的继电保护整定计算与越级跳闸解决方案有效的减少了越级跳闸次数，提高了工作效率，为企业创造了效益。该系统明显提高煤矿井下供电系统的供电安全性、可靠性以及煤炭企业现代和科学管理水平，保证了煤矿的安全生产，社会效益和经济效益非常显著。

参考文献

[1]王玉梅,马星河.基于独立分站的煤矿井下高压电网的自适应保护系统方案[J]. 工矿自动化.2009,10(10)：5-8.

[2]田书,张胜朝.矿井高压电网的自适应过流保护[J].电网技术,2008,32 （6）:28-30.

[3]杜生华,王拓,邹有明.煤矿井下6~10 kV电网选择性速断过流保护系统设计[J].煤矿安全,2005,36(4)：1-3