GOOSE技術(shù)在煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

王向陽(yáng) 梅 東

（平煤股份公司 八礦，河南 平頂山 467012）

0 引言

供電系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在煤礦供電系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生以下故障情況，一是井下供電網(wǎng)絡(luò)中某臺(tái)開關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，上一級(jí)配有綜合保護(hù)裝置的高壓防爆開關(guān)不動(dòng)作，而是直接引起地面35kV變電站高壓開關(guān)柜發(fā)生瞬動(dòng)跳閘，造成井下高壓防爆開關(guān)失壓保護(hù)動(dòng)作跳閘；二是井下供電系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時(shí)，由于綜合保護(hù)裝置不能準(zhǔn)確的判斷出故障線路和故障點(diǎn)，造成井下高壓防爆開關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)。井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘可引起大面積停電，不但會(huì)影響正常生產(chǎn)還可能引起安全事故，為此，深入分析煤礦電網(wǎng)越級(jí)跳閘的原因并制訂相應(yīng)的對(duì)策，對(duì)煤礦井下安全供電具有十分重要的意義。

1 工程現(xiàn)狀

目前，八礦井下電氣設(shè)備選用BGP型、PBG型高壓真空隔爆開關(guān)共273臺(tái)，選用KBZ系列普通型和智能型、BKD-400Z/1140 660隔爆真空智能型低壓饋電開關(guān)共329臺(tái)。其中高低壓設(shè)備共150臺(tái)無(wú)電動(dòng)合閘，不具備智能保護(hù)功能，目前采用的智能保護(hù)大多是RS485通訊，通訊速率低。

本次自動(dòng)化改造主要涉及井下四個(gè)變電所（二水平中央變電所、戊一采區(qū)變電所、戊一車房變電所、丁一下部變電所），并將原井下低壓電費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)接入，通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井上井下變電站的一體化監(jiān)控功能。

2 建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)本次改造完成井下回路中實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘功能，滿足無(wú)人值守要求。建立地面監(jiān)控中心，按照煤礦運(yùn)行要求對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、顯示、定時(shí)打印制表及與上級(jí)系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)井上、井下供電系統(tǒng)的遙測(cè)、遙信、遙控和遙調(diào)等功能，提高地面供電開關(guān)和井下高壓防爆開關(guān)保護(hù)動(dòng)作的可靠性和靈敏性，解決線路越級(jí)跳閘、接地選線及開關(guān)柜溫度測(cè)量的問題，提高井下低壓供電系統(tǒng)饋電開關(guān)保護(hù)動(dòng)作的可靠性和靈敏性，實(shí)現(xiàn)低壓供電系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。建立用電計(jì)量考核系統(tǒng)，使礦區(qū)管理層實(shí)時(shí)掌握全礦電能消耗及重要設(shè)備電能消耗，為節(jié)能降耗提供科學(xué)指導(dǎo)方案。

3 技術(shù)方案

計(jì)劃將井下四個(gè)變電所內(nèi)高壓保護(hù)裝置更換為支持GOOSE信息的智能保護(hù)裝置，在每個(gè)變電所增加一套通訊管理設(shè)備，借助原有的井上、井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，建立井下四個(gè)變電所的電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井上、井下改造后的供電系統(tǒng)一體化無(wú)縫監(jiān)控管理。

3.1 井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘原因

井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘原因分別為：（1）上下級(jí)開關(guān)繼電保護(hù)不配合；（2）失壓脫扣器先于過(guò)流保護(hù)動(dòng)作；（3）保護(hù)裝置性能差造成越級(jí)跳閘；（4）漏電保護(hù)選擇性差造成越級(jí)跳閘。

3.2 系統(tǒng)針對(duì)井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘的解決方案

本方案利用保護(hù)裝置之間端對(duì)端直接傳輸?shù)募夹g(shù)，即IEC61850的GOOSE技術(shù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控設(shè)備之間的快速信息交換，利用下級(jí)變電站保護(hù)動(dòng)作或饋出線保護(hù)動(dòng)作信號(hào)快速閉鎖本線路保護(hù)的速斷保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)選擇性。

如下圖所示，考慮極限情況線路末端短路僅靠電流定值無(wú)法滿足選擇性，所有保護(hù)裝置在檢測(cè)到故障電流信號(hào)時(shí)均能啟動(dòng)速斷保護(hù)，速斷保護(hù)啟動(dòng)立刻向上一級(jí)發(fā)出閉鎖信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)下一級(jí)是否有閉鎖信息發(fā)出，如果檢測(cè)到閉鎖信息則閉鎖速斷出口，閉鎖時(shí)間可以整定，一般與GOOSE閉鎖信息可靠傳輸時(shí)間及下級(jí)保護(hù)可靠跳閘時(shí)間進(jìn)行配合。

圖1

如果由于某種原因通信線路出現(xiàn)故障，則不能保證下級(jí)的閉鎖信號(hào)可靠傳輸，此時(shí)本級(jí)保護(hù)裝置仍按原保護(hù)定值跳閘，避免事故擴(kuò)大。

對(duì)于由于電壓波動(dòng)、干擾、開關(guān)柜拒動(dòng)等原因造成的越級(jí)跳閘，采取如下措施：

（1）保護(hù)裝置具備失壓延時(shí)跳閘功能，解決由于電壓波動(dòng)引起的越級(jí)跳閘；

（2）采用工業(yè)級(jí)CPU芯片，提高井下保護(hù)的硬件水平和抗干擾性能，延長(zhǎng)使用壽命，解決由于干擾引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)引起的越級(jí)跳閘。

（3）采用GOOSE通訊技術(shù)，解決由于機(jī)械故障開關(guān)拒動(dòng)產(chǎn)生的越級(jí)跳閘。間隔層供電系統(tǒng)裝置能準(zhǔn)確、迅速定位故障點(diǎn)，使無(wú)故障的線路能及時(shí)送電，故障開關(guān)送不上電，防止試送電引起二次事故。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，八礦井上下已建成礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，本項(xiàng)目將在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)劃分一個(gè)VLAN專用通道，用于傳輸井下四個(gè)變電所的電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)至后臺(tái)服務(wù)器。

整個(gè)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分主站和分站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)設(shè)在地面電力集控中心，運(yùn)行人員通過(guò)主站系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下變電站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

各分站系統(tǒng)相互獨(dú)立，互不影響，自成一個(gè)子系統(tǒng)。各分站子系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)有光纖及新敷設(shè)光纖形成一個(gè)專網(wǎng)，各分站系統(tǒng)之間的專網(wǎng)支持IEC61850網(wǎng)絡(luò)，一方面把變電站監(jiān)控信息經(jīng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，另一方面在各保護(hù)繼電器之間傳送GOOSE信息，方便保護(hù)之間閉鎖信息和其它快速信息的交換。

3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用高速光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為三層，即間隔層供電系統(tǒng)、通訊管理層、地面監(jiān)控中心。地面監(jiān)控中心設(shè)在地面電力監(jiān)控調(diào)度。

間隔層供電系統(tǒng)主要包括變電所已配置的低壓第三方廠家保護(hù)裝置，本改造的高壓和低壓保護(hù)裝置，智能型燈光照明保護(hù)裝置。所有保護(hù)裝置負(fù)責(zé)采集各自線路的電流、電壓、有功、無(wú)功、開關(guān)位置信號(hào)等各種信息，將采集到的信息送至通訊管理機(jī)，再與地面監(jiān)控中心系統(tǒng)相聯(lián)。

通訊管理層是由變電所通訊管理機(jī)、交換機(jī)等通訊設(shè)備構(gòu)成，通訊管理機(jī)接收間隔級(jí)各種智能設(shè)備所采集的信息，對(duì)各種信息進(jìn)行處理后，上傳至地面監(jiān)控中心的監(jiān)控主機(jī)，并將監(jiān)控主機(jī)發(fā)出的各種下行命令，如遙控、遙調(diào)等，傳達(dá)至間隔層供電系統(tǒng)的智能設(shè)備進(jìn)行控制。

地面監(jiān)控中心的操作員工作站是系統(tǒng)的顯示管理分析中心，完成系統(tǒng)的智能管理、報(bào)表打印、圖表顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。

3.5 系統(tǒng)功能

電力監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)井上井下變電站正常運(yùn)行和事故情況下的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能。系統(tǒng)采用彩色液晶顯示，可定時(shí)自動(dòng)報(bào)表打印或召換報(bào)表打印，越限和事故報(bào)警，事故推畫面、事件順序記錄與事故追憶，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，完成站內(nèi)自動(dòng)化控制功能，向調(diào)度傳送遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)與數(shù)據(jù)，接收調(diào)度遙控命令，以及其它一些運(yùn)行管理功能。

3.5.1 電子掛牌

本系統(tǒng)可有效解決檢修和停電安保問題。設(shè)置檢修和停電時(shí)開關(guān)都必須掛電子牌，從而閉鎖送電，防止檢修時(shí)操作誤送電。

3.5.2 遙控檢測(cè)試驗(yàn)

按照煤礦井下運(yùn)行規(guī)程要求，定期將對(duì)各線路進(jìn)行試驗(yàn)，主要包括過(guò)流、漏電和絕緣試驗(yàn)。

3.5.3 超限告警

本系統(tǒng)中高壓保護(hù)可提供溫度超限告警、過(guò)流超限告警等功能，可有效防止開關(guān)、變壓器等設(shè)備因高溫失火事故，為合理利用負(fù)荷提供判斷依據(jù)和安全保證。

3.5.4 電能管理

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有電能管理功能，能提供多種分時(shí)計(jì)費(fèi)（尖、峰、平、谷）方案和費(fèi)率的種類，能夠統(tǒng)計(jì)各回路每日、每月、每年的有功電度總值和無(wú)功電度總值。

3.5.5 系統(tǒng)失壓錄波

為方便分析系統(tǒng)電壓波動(dòng)程度和原因，高壓保護(hù)在滿足以下兩個(gè)判據(jù)時(shí)會(huì)啟動(dòng)錄波并自動(dòng)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)：1）系統(tǒng)電壓波動(dòng)范圍⊿U超過(guò)設(shè)定值；2）開關(guān)自身欠壓和失壓保護(hù)動(dòng)作，錄波時(shí)長(zhǎng)將達(dá)到2s。

3.5.6 通訊處理

監(jiān)控系統(tǒng)首先處理各種不同規(guī)約的信息，發(fā)送和接收遙測(cè)、遙信、遙控、系統(tǒng)對(duì)時(shí)，配置信息的請(qǐng)求、應(yīng)答、報(bào)文，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按相同的數(shù)據(jù)格式存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)其它模塊提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

3.5.7 事件順序記錄與事故記憶

順序事件記錄包括所有報(bào)警信息，操作人員確認(rèn)報(bào)警動(dòng)作的有關(guān)信息，操作人員對(duì)斷路器所做的操作，各開關(guān)狀態(tài)的變位，系統(tǒng)通信信息，系統(tǒng)復(fù)位和重啟，保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)，控制操作及操作后狀態(tài)變化等信息。

3.5.8 開關(guān)操作與安全管理

系統(tǒng)對(duì)不同的使用人員分級(jí)授權(quán)，操作人員只能進(jìn)行權(quán)限允許的操作。獲得權(quán)限的人員可在監(jiān)控計(jì)算機(jī)或工作站上執(zhí)行遙控分合閘操作，采用口令核對(duì)和操作返校以確保操作準(zhǔn)確。

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制功能，可以對(duì)具有電動(dòng)功能的機(jī)構(gòu)進(jìn)行遙控操作，并記錄存儲(chǔ)遙控操作的相關(guān)信息。

系統(tǒng)具有防誤操作、互相閉鎖功能，當(dāng)一分閘或合閘命令被發(fā)出時(shí)，聯(lián)鎖程序進(jìn)行核查，然后確認(rèn)此指令被執(zhí)行或被取消。

3.5.9 故障錄波和諧波分析功能

故障錄波功能可以顯示、打印帶時(shí)標(biāo)的故障波形，供精確分析故障。

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有諧波監(jiān)測(cè)功能，能測(cè)量和顯示高次諧波分量。

3.5.10 在線遠(yuǎn)程維護(hù)功能

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有在線遠(yuǎn)程維護(hù)功能。通過(guò)遠(yuǎn)程維護(hù)軟件經(jīng)授權(quán)可以在線進(jìn)行畫面報(bào)表的在線編輯修改，前景數(shù)據(jù)的畫面報(bào)表的在線編輯修改，數(shù)據(jù)庫(kù)部分內(nèi)容的在線修改，部分運(yùn)行參數(shù)及限額的在線設(shè)置、狀態(tài)修改，系統(tǒng)接線圖繪制、修改，設(shè)備參數(shù)修改，報(bào)警限值設(shè)置、修改，增加、刪除操作員，修改操作員密碼，報(bào)表格式設(shè)計(jì)、修改。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦井下越級(jí)跳閘進(jìn)行了分析，概述了GOOSE報(bào)文在電力監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和傳輸過(guò)程，并結(jié)合平煤股份八礦電力監(jiān)控系統(tǒng)中GOOSE技術(shù)應(yīng)用的案例，驗(yàn)證了GOOSE報(bào)文的實(shí)時(shí)性、快速性和可靠性。有效的降低煤礦井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘事故的發(fā)生，對(duì)提高煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的意義，對(duì)今后煤礦井下變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)GOOSE技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有參考價(jià)值。