基于GOOSE通讯的井下防越级跳闸系统设计

李江森

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

煤矿井下多以单侧电源双(多)回辐射状电网结构为主，由于各级变电站距离近，供电半径小，电路阻抗低，电流整定小，使得各级变电站中有发生短路故障时，造成上级开关越级跳闸，导致矿井供电困难甚至瘫痪，给企业造成极大损失[1]。

为有效解决供电系统出现越级跳闸的问题，众多专家学者进行了研究，文献[2]提出在上下级线路两端安设光纤纵联差动故障装置，对供电线路进行光纤纵联差动保护；文献[3]提出利用专门铺设的电气信号线进行供电保护，实现防越级跳闸的目的；文献[4]提出基于算法和准则对主站或分站进行监控，对供电故障点实行断电保护；文献[5]提出通过改变电网结构，对电网进行优化，以距离保护方案替代电流速断方案。上述多种方案对解决矿井防越级跳闸起到了较好的效果，但是造成电路设计复杂，造价高、稳定性差，甚至个别方案需要明显的限制条件，因此无法在矿井中普及。本文基于漳村矿实际供电背景，针对矿井生产中供电系统中发生的越级跳闸现象，提出基于GOOSE通信方案的井下防越级跳闸方案。

1 基于GOOSE通讯的井下故障区段定位系统架构

1.1 GOOSE通讯概述

GOOSE通讯是IEC61850重要的服务模型之一，基于P2P通信，可在Ethernet任意IED之间建立通信连接，更加高效、稳定、快速的实现系统分布式通讯[6]。GOOSE主要用于数字变电站各ICD之间实时传送跳闸信号和间隔闭锁信号等信息，而且基于发布者/订阅者通信机制，GOOSE支持多点间点与点的直接通讯，特别是在大量实时信息传送的情况[1]。

1.2 系统总体架构

系统总体架构如图1所示。

图1 系统结构

由图1可知，分层分布式光纤环网结构可具体分为管理层、网络层和间隔层。

间隔层是防越级跳闸系统核心组成单元，主要分为两部分，一部分为地面微机综保装置，另一部分为井下高开综保装置。间隔层具有GOOSE通讯功能，通过装置联合控制，实现对供电系统的保护、测控和控制[7]。

网络层主要由光纤和GOOSE交换机构成，通过井下不同供电设备GOOSE交换机的联组，实现防越级跳闸系统的通讯功能，即下级综保装置通过GOOSE交换机将闭锁信号传送至各自的上级保护，同时通过网络层，使得各综保装置信号传送至本地监控系统[6]。

管理层主要是为了实现对整个防越级跳闸系统的监控和管理，主要由通讯设备、矿用隔爆监控分站和调度中心组成。

2 基于GOOSE通讯的防越级跳闸方案

2.1 基于GOOSE通讯的防越级跳闸原理

通过在各级保护建立GOOSE信号联系，当某一级设备发生供电故障时，相应监测的保护装置迅速发出闭锁信号，对其上级保护进行闭锁，将故障锁定在最小跳闸范围。例如上级保护可依据断路器的故障进行快速闭锁，母线故障时可实现快速跳闸等。通过GOOSE通讯布置，可在多分支配电网分布下实现区域性保护，有效改善了保护时间极差配合困难的问题。

2.2 基于GOOSE通讯的井下接地故障定位原理

2.2.1 故障模型建立

在小电流接地系统中有N条输电线路，其中某线路i发生单向接地时，构建如图2所示等效零序网络图。图中ufo为接地故障点压降，Loi为线路i的零序电感，Roi为线路i的零序电阻，Coi1和C0i2分别为母线侧零序电容和负载侧零序电容，同时依据故障线路i，确定状态量方向从故障点到母线。开关K的闭合状况深刻影响系统正常运行，当开关闭合后，系统转变为中性点消弧线圈接地系统。

当系统出现单向接地故障时，流过健全线路的零序电流等于其自身对地电容电流，而所有健全线路零序电流之和等于所有流经故障线路的零序电流。随机选取并简化电路图上的一条健全线路，具体如图3所示，其中将线路上的母线区域等效为电源。

图3 母线区域故障等效电路

在等效电路中，由于负荷零序阻抗相对于其他电路元件非常大，可近似忽略，因此两个对地电容相同，各占据总对地电容的一半，在井下6 kV/35 kV实际供电系统中，对地电容还将受到众多分支线路和负荷变压器等多种因素的影响，使其变得更加复杂[7]。为了简化模型，通常将上述多种影响因素进行等效，并在等效后进行电容与模型负载侧对地电容的叠加计算。在图3中设定母线侧对地电容为取线电路总对地电容的一半，则对地电容值C01和C02将随之发生变化，即C01

2.2.2 模型方程建立

基于图3构建健全线路下零序电流和零序电压的表达式：

(1)

式中：L0为健全线路中的零序电感；R0为健全线路中的零度电阻；C1、C2为健全线路中的零序电容；i0为保护安装位置流过健全线路的零序电流值；u0为保护安装位置流过健全线路的零序电压；

经过整理并二重积分可得时域方程：

(2)

利用复化梯形公式进行处理得：

i0=i(k)

uo=u(k)

(3)

式中：i(k)为当发生故障时刻，第k个采样点零序电流；u(k)为当发生故障时刻，第k个采样点零序电压；T为相邻两个采样点之间的时间间隔。

联立式(2)和式(3)可得：

u0=R0[i2(k)-C1u1(k)]+L0[i1(k)-

(4)

由图2所示，当K闭合后，系统成为中性点经消弧线圈接地系统，但健全线路模型不发生改变，同时健全线路上的零序电流和母线上的零序电压间的等量关系也相应保持不变，因此健全线路模型适用开关K闭合后的系统。

2.2.3 接地判据确定

基于前述推导，可对对地电容C进行参数估计，同时通过前述模型对实际情况进行判定，确定线路是否发生故障，即线路符合模型则为健全线路，否则线路发生故障，假如模型判定所有线路正常，则判定母线发生故障，具体判定方法如下：

1) 对地电容平均值为负值：

(5)

式中：c(k)为对k个采样点对地电容值。

当出现式(5)情况时，直接判定为基地故障线路。

2) 对地电容平均值为正值：

式中：σ为误差等级，取0.6。

当出现式(6)情况时，说明该线路发生接地故障。当式(5)和(6)均不符合时，该线路被判定为健全线路，当所有线路均判定为健全线路，则判定接地故障发生在母线处。

2.2.4 接地故障定位

在井下供电系统中，结构网络多以单侧电源辐射状干线为主，并伴随众多分支线路，通过对电路进行拓扑节点化显示，得到如图4所示的井下供电系统结构示意，规定当电流从元件流向对应节点为反向节点，相反则为正向节点，例如HBrk01反向节点在该元件与干线连接位置。

在故障定位模型中，GOOSE通讯建立在各节点与其相关的正向和反向节点中，当短路在K4处发生时，基于前述判定模型HBrk02、HBrk08、HBrk11、HBrk06、HBrk10、HBrk12被判定发生接地故障，为进一步定位，上述保护装置分别向其正向节点发送闭锁信号，其中HBrk08、HBrk11、HBrk06、HBrk10、HBrk12接收到闭锁信号后，进行闭锁保护动作，然后HBrk02指示该线路故障地点[8]。需要注意的是，由于算法的复杂性，保护动作需要一定时间，为保证系统可靠性，在本文中对保护接受闭锁信号时间间隔设定为100 ms。

图4 井下供电系统示意

3 结 语

本文基于漳村矿实际供电系统特点，设计了一种基于GOOSE通讯的井下防越级跳闸方案，文中对所设计系统的组成和原理进行了简要介绍，并对系统防越级跳闸机制进行了阐述，与其他方案相比，本系统简单可靠，安装方便，符合井下供电系统改造规范。