一种防止煤矿供电系统越级跳闸的方法

摘要

本发明提供一种防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，将防越级保护模块嵌入到煤矿井下各供电线路的继电保护装置中，每一个防越级保护模块进行独立的防越级保护判别，具体为：当任意一个供电节点位置的防越级保护模块F2检测到供电线路的故障信号后，由防越级保护模块F2向上级防越级保护模块F3发送1级闭锁信号，防止上级防越级保护模块F3跳闸而扩大故障范围；同时，防越级保护模块F2跳闸延时为动态调节的，即：根据自身是否接收到来自于下级防越级保护模块F1的闭锁信号，以及根据接收到的闭锁信号的级别，而动态调整跳闸延时，从而实现选择性跳闸，避免越级跳闸。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿供电技术领域，具体涉及一种防止煤矿供电系统越级跳闸的方法。

背景技术

随着我国煤炭企业向着大型化、安全化、自动化的方向发展，煤矿供电系统可靠性成为矿井安全和生产的重要指标。由于煤矿井下供配电网络运行环境和设备的特殊性，导致煤矿井下供配电系统会发生短路、过流、漏电以及由于电压波动引起的停电故障等供电故障。当供电系统发生故障时，供电系统常常会发生越级跳闸现象，越级跳闸现象是指：供电系统发生故障时，超出故障线路以外的开关也发生跳闸停电，导致非故障线路停电，致使故障停电影响范围扩大的现象。因此，有效防止煤矿供电系统越级跳闸现象，对于煤矿供电系统的供电可靠性具有重要意义。

目前，解决煤矿供电防越级跳闸问题的方法为：如文献《基于数字化变电站技术的煤矿井下防越级跳闸方案研究》介绍，供电网络结构如图1所示，采用全站网络数据共享的数字化变电站技术，具体为：

系统在地面主控室设置I回路继电保护主机，采用高速光纤通讯和纳秒级同步采样技术，将井下各高爆开关同步采样的电流、电压数据上送至主控室的继电保护主机，保护主机上配置差动保护模块(以下简称光纤纵差)取代传统过流速断保护作为线路的主保护，差动保护范围固定，实现全系统统一的故障判别和故障切除，从而解决煤矿供电系统广泛存在的“越级跳闸”问题。

然而，此项技术应用于煤矿井下供电系统，仍然无法彻底解决供电越级跳闸问题，而且还会降低井下供电的可靠性，原因如下：

(1)系统对光纤通讯通道依赖性过强，一旦光纤中断，井下各馈电线路即会失去保护功能，严重影响供电安全。由于煤矿井下作业的特点，井下光纤中断现象时有发生，所以基于此方法的供电防越级监控系统无法很好发挥作用。

(2)系统基于同步采样技术，要求采样数据必须实时传输到地面保护主机，由于数据传输通道是公共光纤网络，网络负载比较大，经常会出现数据传输延时、网络堵塞或是光纤中断现象，直接影响继电保护主机保护判别的及时性，影响供电安全。

(3)煤矿井下供电多采取双回路或多回路供电方式，且各个矿井供电方式各不相同，所以基于上述技术的继电保护主机需要根据不同的矿井、不同的供电方式编制相应的继电保护算法程序，程序逻辑不具有通用性，很难保证继电保护的可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，为一种逐级闭锁、动态调整跳闸延时的方法，可有效解决煤矿供电系统越级跳闸问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，包括以下步骤：

S1，向煤矿井下各供电线路的继电保护装置中分别嵌入防越级保护模块；

S2，对于所述供电线路中的任意一条n级煤矿供电级联线路，共由n个继电保护装置串联而成，按由下级自上级的顺序，将n个继电保护装置依次记为：继电保护装置1、继电保护装置2…继电保护装置n；将分别嵌入到继电保护装置1、继电保护装置2…继电保护装置n中的防越级保护模块依次记为：防越级保护模块1、防越级保护模块2…防越级保护模块n；其中，n为自然数，并且，n≥2；

并且，防越级保护模块1、防越级保护模块2…防越级保护模块n通过通信线路串联，各个防越级保护模块进行独立的防越级保护判别；

S3，具体的，对于任意的防越级保护模块i，其中，i∈(1、2…n)，均执行以下步骤：

S3.1，所述防越级保护模块i实时检测所属供电线路出线侧的输电信息，并基于所述输电信息，判断所述煤矿供电级联线路是否发生故障，如果否，则循环执行本步骤；如果是，则执行S3.2；

S3.2，当所述防越级保护模块i检测到供电线路发生故障时，从检测到供电线路发生故障的时刻开始，并行执行以下两个步骤：

步骤1：所述防越级保护模块i向相邻上级的防越级保护模块i+1发送1级闭锁信号；其中，所述闭锁信号的传输时间为ts；

步骤2：所述防越级保护模块i读取已设置的一级保护延时Tset0，检测自身是否在一级保护延时Tset0内接收到来自于相邻下级防越级保护模块i-1发出的闭锁信号，如果未接收到，则执行S3.3；如果接收到，则执行S3.4；

S3.3，表明所述防越级保护模块i所在的供电节点为一级供电故障节点，所述防越级保护模块i判断故障持续时间是否超过一级保护延时Tset0，如果超过，则执行S4；否则，执行S5；

S3.4，所述防越级保护模块i判断所接收到的所述闭锁信号的级别，设为x级闭锁信号，则表明所述防越级保护模块i所在的供电节点为x+1级供电故障节点；然后，并行执行以下两个步骤：

步骤1：所述防越级保护模块i向相邻上级的防越级保护模块i+1发送x+1级闭锁信号；

步骤2：防越级保护模块i将保护延时动态调整为与x级闭锁信号相对应的x级保护延时Tsetx；然后，所述防越级保护模块i检测自身是否在x级保护延时Tsetx时间内接收到来自于相邻下级防越级保护模块i-1发出的闭锁信号，如果未接收到，则执行S3.5；如果接收到，则返回执行S3.4；

S3.5，所述防越级保护模块i判断故障持续时间是否超过x级保护延时Tsetx，如果超过，则执行S4跳闸；否则，执行S5；

S4，所述防越级保护模块i进行就地保护，控制继电保护装置i即刻跳闸，切除故障线路，并发出跳闸告警信号；

S5，表明在x级保护延时Tsetx内故障消除，所述防越级保护模块i向上级防越级保护模块i+1发送解除闭锁信号；

其中，设相邻两个防越级保护模块之间传输闭锁信号的信号传输时间为ts；

各个继电保护装置进行跳闸动作的动作时间均相同，为△t；

可靠系数设置为w，为常数；

则：对于上述的一级保护延时Tset0、二级保护延时Tset1…(n-1)级保护延时Tset(n-1)，需满足以下条件：

Tset0>ts；

ts+Tset1+w>Tset0+△t；

ts+Tset2+w>Tset1+△t；

…

ts+Tset(n-1)+w>Tset(n-2)+△t。

优选的，S3.1中，所述供电线路出线侧的输电信息包括电压值或电流值；

判断所述煤矿供电级联线路是否发生故障，具体指：判断所述煤矿供电级联线路是否发生短路故障或漏电故障。

优选的，当所述防越级保护模块i实时检测所属供电线路出线侧的电流值，并判断所述煤矿供电级联线路是否发生短路故障时，采用以下方法判别：

所述防越级保护模块i实时检测所属供电线路出线侧的电流值，并判断当前时刻采样得到的电流值与前一时刻采样得到的电流值之间的突变值是否大于设定阈值，如果不大于，则直接得出所述煤矿供电级联线路未发生短路故障；如果大于，则进一步对当前时刻采样得到的电流值进行计算，得到电流有效值和电流相位角；然后，基于所述电流有效值和电流相位角，得出所述煤矿供电级联线路是否发生短路故障的结论。

优选的，S5中，相邻两个防越级保护模块之间传输闭锁信号的信号传输时间ts小于1毫秒；

继电保护装置进行跳闸动作的动作时间△t为70～80毫秒；可靠系数w为10毫秒。

优选的，一级保护延时Tset0为3毫秒；二级保护延时Tset1为100毫秒；三级保护延时Tset2为200毫秒。

本发明提供的防止煤矿供电系统越级跳闸的方法具有以下优点：

本发明提供的防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，每一级保护开关逐级闭锁上级开关，动态调整本级开关的保护跳闸延时，因此，不但有效防止越级跳闸，而且还实现了本级开关故障拒动或通讯链路中断时的后备保护。

附图说明

图1为现有技术提供的供电网络结构图；

图2为本发明提供的防止煤矿供电系统越级跳闸的系统的设置原理图；其中，1为供电线路；2为通信线路；

图3为一种煤矿供电级联线路的具体示意图；

图4为本发明提供的防越级保护模块运行主程序图；

图5为本发明提供的数据采样流程图；

图6为本发明提供的设定3级故障跳闸时间时的防越级跳闸方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

结合图2，本发明提供一种防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，基本实现原理为：

设计防越级保护模块，将防越级保护模块嵌入到煤矿井下各供电线路的继电保护装置中，每一个防越级保护模块进行独立的防越级保护判别，具体为：当任意一个供电节点位置的防越级保护模块F2检测到供电线路的故障信号后，由防越级保护模块F2向上级防越级保护模块F3发送1级闭锁信号，防止上级防越级保护模块F3跳闸而扩大故障范围；同时，防越级保护模块F2跳闸延时为动态调节的，即：根据自身是否接收到来自于下级防越级保护模块F1的闭锁信号，以及根据接收到的闭锁信号的级别，而动态调整跳闸延时，从而实现选择性跳闸，避免越级跳闸。

具体的，本发明包括以下步骤：

S1，向煤矿井下各供电线路的继电保护装置中分别嵌入防越级保护模块；

S2，对于所述供电线路中的任意一条n级煤矿供电级联线路，共由n个继电保护装置串联而成，按由下级自上级的顺序，将n个继电保护装置依次记为：继电保护装置1、继电保护装置2…继电保护装置n；将分别嵌入到继电保护装置1、继电保护装置2…继电保护装置n中的防越级保护模块依次记为：防越级保护模块1、防越级保护模块2…防越级保护模块n；其中，n为自然数，并且，n≥2；

并且，防越级保护模块1、防越级保护模块2…防越级保护模块n通过通信线路串联，各个防越级保护模块进行独立的防越级保护判别；

S3，具体的，对于任意的防越级保护模块i，其中，i∈(1、2…n)，均执行以下步骤：

S3.1，所述防越级保护模块i实时检测所属供电线路出线侧的输电信息，并基于所述输电信息，判断所述煤矿供电级联线路是否发生故障，如果否，则循环执行本步骤；如果是，则执行S3.2；

具体实现上，既可通过检测供电线路出线侧的电压值，从而判断煤矿供电级联线路是否发生故障；也可以通过检测供电线路出线侧的电流值，从而判断煤矿供电级联线路是否发生故障。具体检测方式非常多样，并且，根据实际需求，既可检测煤矿供电级联线路是否发生短路故障，也可以检测煤矿供电级联线路是否发生漏电故障。

作为一种具体实现方式，当所述防越级保护模块i实时检测所属供电线路出线侧的电流值，并判断所述煤矿供电级联线路是否发生短路故障时，采用以下方法判别：

所述防越级保护模块i实时检测所属供电线路出线侧的电流值，并判断当前时刻采样得到的电流值与前一时刻采样得到的电流值之间的突变值是否大于设定阈值，如果不大于，则直接得出所述煤矿供电级联线路未发生短路故障；如果大于，则进一步对当前时刻采样得到的电流值进行计算，得到电流有效值和电流相位角；然后，基于所述电流有效值和电流相位角，得出所述煤矿供电级联线路是否发生短路故障的结论。

S3.2，当所述防越级保护模块i检测到供电线路发生故障时，从检测到供电线路发生故障的时刻开始，并行执行以下两个步骤：

步骤1：所述防越级保护模块i向相邻上级的防越级保护模块i+1发送1级闭锁信号；其中，所述闭锁信号的传输时间为ts；

步骤2：所述防越级保护模块i读取已设置的一级保护延时Tset0，检测自身是否在一级保护延时Tset0内接收到来自于相邻下级防越级保护模块i-1发出的闭锁信号，如果未接收到，则执行S3.3；如果接收到，则执行S3.4；

S3.3，表明所述防越级保护模块i所在的供电节点为一级供电故障节点，所述防越级保护模块i判断故障持续时间是否超过一级保护延时Tset0，如果超过，则执行S4；否则，执行S5；

S3.4，所述防越级保护模块i判断所接收到的所述闭锁信号的级别，设为x级闭锁信号，则表明所述防越级保护模块i所在的供电节点为x+1级供电故障节点；然后，并行执行以下两个步骤：

步骤1：所述防越级保护模块i向相邻上级的防越级保护模块i+1发送x+1级闭锁信号；

步骤2：防越级保护模块i将保护延时动态调整为与x级闭锁信号相对应的x级保护延时Tsetx；然后，所述防越级保护模块i检测自身是否在x级保护延时Tsetx时间内接收到来自于相邻下级防越级保护模块i-1发出的闭锁信号，如果未接收到，则执行S3.5；如果接收到，则返回执行S3.4；

S3.5，所述防越级保护模块i判断故障持续时间是否超过x级保护延时Tsetx，如果超过，则执行S4跳闸；否则，执行S5；

S4，所述防越级保护模块i进行就地保护，控制继电保护装置i即刻跳闸，切除故障线路，并发出跳闸告警信号；

S5，表明在x级保护延时Tsetx内故障消除，所述防越级保护模块i向上级防越级保护模块i+1发送解除闭锁信号；

其中，设相邻两个防越级保护模块之间传输闭锁信号的信号传输时间为ts；

各个继电保护装置进行跳闸动作的动作时间均相同，为△t；

可靠系数设置为w，为常数；

则：对于上述的一级保护延时Tset0、二级保护延时Tset1…(n-1)级保护延时Tset(n-1)，需满足以下条件：

Tset0>ts；

ts+Tset1+w>Tset0+△t；

ts+Tset2+w>Tset1+△t；

…

ts+Tset(n-1)+w>Tset(n-2)+△t。

为方便理解，以一个防越级跳闸项目为例，说明本发明提供的防止煤矿供电系统越级跳闸的方法的具体过程；

首先，初始参数设置为：ts小于1毫秒；△t为80毫秒；可靠系数w为10毫秒。一级保护延时Tset0为3毫秒；二级保护延时Tset1为100毫秒；三级保护延时Tset2为200毫秒。

如图3所示，为一种煤矿供电级联线路的具体示意图，按由下级自上级的顺序，保护开关205、保护开关201、保护开关104、保护开关101和保护开关6131#组成一条煤矿供电级联线路，保护开关205、保护开关201、保护开关104、保护开关101和保护开关6131#分别连接的防越级保护模块记为：防越级保护模块205、防越级保护模块201、防越级保护模块104、防越级保护模块101和防越级保护模块6131#。

为叙述简单，将防越级保护模块简写为FYJ；

FYJ205、FYJ201、FYJ104、FYJ101和FYJ6131#分别实时检测各自出线侧的电流情况，考虑极限情况，当线路末端，即保护开关205出线侧发生短路故障时，所有级联线路(205、201、104、101、6131#)的保护开关几乎同时流过短路电流，因此，各防越级保护模块几乎同时检测到其所在供电节点的出线侧发生短路故障，从检测到发生短路故障时刻，假设为t＝0时刻，各防越级保护模块同时进行以下操作：

步骤1：FYJ205向FYJ201发送1级闭锁信号，信号传输时间<1毫秒；

同时，FYJ201向FYJ104发送1级闭锁信号，信号传输时间<1毫秒；

同时，FYJ104向FYJ101发送1级闭锁信号，信号传输时间<1毫秒；

同时，FYJ101向FYJ6131#发送1级闭锁信号，信号传输时间<1毫秒；

步骤2：对于FYJ205，在向FYJ201发送1级闭锁信号的同时，检测在Tset0＝3毫秒的时间内，故障是否消除，如果消除，则向FYJ201发送解除闭锁信号的通知消息；否则，当达到3毫秒的时间时，进行跳闸，切除故障线路，并发出跳闸告警信号；如果正常情况下，跳闸动作时间在80毫秒内，可靠系数设置为10毫秒时，则：在Tset1＝100毫秒时间内，FYJ205能够成功切除故障线路，则整个供电线路应恢复为正常供电情况，故障已解除；但是，也存在FYJ205跳闸失败的情况，则故障未解除；

对于FYJ201，在向FYJ104发送1级闭锁信号的同时，检测在Tset0＝3毫秒的时间内，是否接收到来自FYJ205的闭锁信号，由于相邻供电节点之间信号传输时间<1毫秒，因此，如果不发生通信故障，在正常情况下，FYJ201能够在3毫秒的时间内接收到来自FYJ205的1级闭锁信号，则此时FYJ201不跳闸，并将保护延时动态调整为Tset1＝100毫秒；然后，判断100毫秒内故障是否消除，如果消除，则向FYJ104发送解除闭锁信号的通知消息；否则，当达到100毫秒的时间时，进行跳闸，切除故障线路，并发出跳闸告警信号；此种情况是指FYJ205跳闸失败的情况；

对于FYJ104，在向FYJ101发送1级闭锁信号的同时，检测在Tset0＝3毫秒的时间内，是否接收到来自FYJ201的闭锁信号，由于相邻供电节点之间信号传输时间<1毫秒，因此，如果不发生通信故障，在正常情况下，FYJ104能够在3毫秒的时间内接收到来自FYJ201的1级闭锁信号，则此时FYJ104不跳闸，并将保护延时动态调整为Tset1＝100毫秒；然后，判断100毫秒内能否接收到来自FYJ201的2级闭锁信号，在正常情况下，能够接收到，则此时FYJ104不跳闸，并将保护延时动态调整为Tset2＝200毫秒；然后，判断200毫秒内故障是否消除，如果消除，则向FYJ101发送解除闭锁信号的通知消息；否则，当达到200毫秒的时间时，进行跳闸，切除故障线路，并发出跳闸告警信号；此种情况是指FYJ205和FYJ201均跳闸失败的情况。

其他防越级保护模块的工作原理与上述描述的工作原理相同，在此不再赘述。

需要强调的是，对于上述的每一个防越级保护模块，在其工作过程中，只要在任意时刻检测到故障已成功解除的消息，或者，接收到下级防越级保护模块发送的解除闭锁信号的通知消息时，均表明当时供电线路已恢复正常，本级防越级保护模块不需要跳闸，因此，解除闭锁。

由此可见，本发明提供的防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，为一种逐级闭锁、动态调整跳闸延时的方法，每一级保护开关逐级闭锁上级开关，动态调整本级开关的保护跳闸延时，因此，不但有效防止越级跳闸，而且还实现了本级开关故障拒动或通讯链路中断时的后备保护。

在实际应用中，本发明提供的防越级保护模块为软件程序，是基于Nucleus实时操作系统设计，程序运行后创建防越级跳闸保护高级中断任务以及其他中高级中断任务，初始化内存数据并进行装置健康检查(自检)，自检成功后启动各个中断任务程序并行完成相关功能，如图4所示，为防越级保护模块运行主程序图；如图5所示，为数据采样流程图；程序中数据采样频率为3kHz，A/D采样结果的读取、故障信息处理、防越级跳闸保护判别以及通讯等均是在相应的中断任务中完成。

采样中断任务每0.333ms(60点/周期)执行一次。在这个任务中启动A/D转换，读取A/D转换结果存放于RAM中，并且对采样得到的数据进行一些必要的前期滤波处理，15个周期的采样值循环存放以供故障检测、防越级判别等任务使用。

故障检测启动程序位于采样中断程序中，因此是每0.333ms执行一次。

故障检测程序按相电流差突变量值判断短路保护是否启动，即：

Δi(k)＝|i(k)+i(k-N/2)|-|i(k-N/2)+i(k-N)|，采用双半周比较算法，该方法数据窗口较短，可以补偿频率偏离产生的不平衡电流。检测到短路故障以后，设置短路故障启动标志。

防越级保护判别程序在高级中断中，50μs启动一次，程序检测到短路故障启动标志后，即刻向上级保护开关通过光纤通讯的方式发送1级闭锁信号，同时检测下级开关是否有闭锁信号输入，如果故障持续存在Tset0时间未收到下级开关发送的闭锁信号，则本开关即刻跳闸，切除故障线路；如果故障持续存在Tset0时间内收到下级开关发送的闭锁信号，首先判别闭锁信号的级别，如果是1级闭锁信号，则本开关向上级开关发送2级闭锁信号，同时调整本开关电流速断保护延时为Tset1，故障持续存在Tset1时间后保护跳闸，切除故障线路；如果故障持续存在时间Tset1时间内又收到下级开关发送的2级闭锁信号，则本开关向上级开关发送3级闭锁信号，同时调整本开关电流速断保护延时为Tset2，其中，本例中，装置设定3级故障跳闸时间，故障持续存在Tset2时间后保护跳闸，切除故障线路。如图6所示，为设定3级故障跳闸时间时的防越级跳闸方法流程图。

由此可见，每级开关根据收到的闭锁信号动态调整开关保护跳闸时间为Tset0、Tset1或Tset2，同时动态调整向上级开关发送闭锁信号的级别为1级、2级或3级。通过此种方式，每一级保护开关逐级闭锁上级开关，动态调整本级开关的保护跳闸延时，因此，不但有效防止越级跳闸，而且还实现了本级开关故障拒动或通讯链路中断时的后备保护；由于防越级保护判别程序50μs启动一次，因此在100μs内即可完成防越级保护逻辑判别，另外考虑光纤传输延时(极限延时1ms)和光纤交换机延时(极限延时1ms)，整个系统的防越级保护判别可在3ms以内完成，大大提高供电可靠性。

综上所述，本发明提供的防止煤矿供电系统越级跳闸的方法，与现有技术中的光纤纵差方法相比，在解决煤矿供电越级跳闸问题上具有如下优点：

(1)本方法被设计为防越级保护程序模块，嵌入到各级继电保护装置中，实现就地保护和防越级判别，继电保护动作更迅速，防越级判别时间更短。

(2)各上下级继电保护装置的防越级保护程序模块自动组成最小的防越级网络单元，并共同形成整个系统的防越级跳闸网络，使得单独区域的网络中断或网络堵塞不影响整个系统的防越级跳闸保护功能，使防越级跳闸供电网络更坚强，供电更可靠。

(3)各级继电保护装置的防越级保护程序模块是通用的，不因供电方式或矿井的不同而改变，所以防越级继电保护程序更稳定，可靠性更高。

(4)因此，本发明提供的“逐级闭锁、动态调整跳闸延时”的方法，能够彻底解决煤矿供电越级跳闸问题，避免井下大面积、长时间停电，消除由此产生的瓦斯积聚、浓度上升的安全隐患，由此提高井下供电可靠性。

(5)基于此方法的煤矿供电防越级跳闸监控系统，可使煤矿供电故障率降低30％，设备使用寿命延长20％以上，生产效率提高10％以上，直接和间接经济效益100万元/年以上，同时可靠供电也使煤矿安全生产水平大大提高，具有重要的社会效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。