专利名称：煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿供配电技术领域，特别涉及一种煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统。
背景技术：
煤矿井下供配电系统普遍存在线路短、多级变电所级联的特点。这种拓扑结构导致过流保护整定困难，也无法通过增加多个时间级差来保证保护的纵向选择性，因而在发生短路故障时极易出现越级跳闸的情况。这种越级跳闸事件的 发生，给煤矿的安全生产带来极大的威胁。现有的防越级跳闸的技术主要采取以下几种方式一种是通过光纤纵差保护来实现，将两个开关的电气量转换成数字信号后通过光纤进行双侧通讯以对开关两侧的电气量进行比较从而实现差动保护，这就要求在两两开关之间设置纵差保护装置，由于两两开关涉及两相邻开关和两不相邻开关等多种开关组合，故需要设置许多的纵差保护装置，存在煤矿井下设置不方便且成本很高的问题。第二种是通过在各开关连接的保护装置之间设置物理连线，通过告警接点信号的传递配合实现，这种硬接点的连接方式在煤矿井下十分不便，而且煤矿井下并非单线连接，当电力系统的运行方式变化时其拓扑结构会发生改变，闭锁关系也会发生改变，为能有效的防治越级跳闸，就需要对下级线路进行线路变更，在煤矿井下变更连接线路十分复杂不便。第三种是将各开关连接的保护装置的采样数据都通过光纤集中发送至一个集中保护装置中，集中保护装置收到所有数据并进行全网判断跳闸开关，其缺点是其采用点对点光纤通信，传送至集中保护装置的采样数据的数据信息量非常大，这就对集中保护装置的数据接收和处理的要求非常高，并需要每个开关连接的保护装置都引光纤至集中保护装置，而且由于集中保护装置对收到的所有数据进行同步计算处理，一旦某一开关连接的保护装置的采样数据错误，则造成全网数据处理错误导致误判甚至瘫痪。
实用新型内容本实用新型针对现有的煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸的技术中光纤纵差保护在煤矿井下设置不方便、各开关连接的保护装置之间硬连接的线路变更复杂、通过集中保护装置集中处理的方式传输的数据量大并由于某一保护装置采样错误造成误判甚至瘫痪的问题，提供一种新型的防越级跳闸保护系统，该系统配置简单，采取下级闭锁上级的逐级闭锁模式实现保护的纵向选择性，有效的解决短路故障时越级跳闸的问题。本实用新型的技术方案如下一种煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统，其特征在于，包括拓扑结构建立装置，将各开关连接的保护装置连接在局域网上，并通过拓扑寻址的方式建立电力系统拓扑结构；故障检测装置，与拓扑结构建立装置相连，用于确定检测到故障的开关；广播式报文播放装置，分别与拓扑结构建立装置和故障检测装置相连，根据拓扑结构建立装置建立的电力系统拓扑结构由故障检测装置确定的检测到故障的开关所连接的保护装置向上级发出闭锁信号，同时检测是否收到下级的闭锁信号；闭锁和跳闸开关确定装置，与广播式报文播放装置相连，通过对检测到故障的开关所连接的保护装置是否收到下级的闭锁信号的判断来确定闭锁开关和跳闸开关，当收到下级的闭锁信号时确定所述检测到故障的开关为闭锁开关，否则为跳闸开关；闭锁和跳闸开关执行装置，与闭锁和跳闸开关确定装置相连，将确定的闭锁开关进行闭锁，将确定的跳闸开关进行跳闸。所述报文播放装置通过GOOSE报文的方式发送闭锁信号。所述局域网为以太网，所述拓扑结构建立装置通过拓扑寻址并更新的方式确定并更新各开关所连接的保护装置的上下级关系。在确定闭锁开关后所述闭锁和跳闸开关执行装置闭锁速断保护，在确定跳闸开关后所述闭锁和跳闸开关执行装置经过一个短延时后跳闸。所述短延时的延时时间与GOOSE报文的闭锁信号的可靠性传输时间相配合，所述延时时间设置在40晕秒至100晕秒之间。本实用新型的技术效果如下本实用新型涉及的煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统，包括拓扑结构建立装置、故障检测装置、广播式报文播放装置、闭锁和跳闸开关确定装置以及闭锁和跳闸开关执行装置。通过拓扑结构建立装置将各开关连接的保护装置连接在局域网上，并通过拓扑寻址的方式建立电力系统拓扑结构，使得该保护系统利用现有的网络通信通道，无需增加如纵差保护装置、集中保护装置等特殊设备，故对煤矿系统的供配电设备升级改造方便，该系统配置简单，在故障检测装置确定了检测到故障的开关后，即可通过广播式报文播放装置使得检测到故障的开关所连接的保护装置向上级发出闭锁信号，同时检测是否收到下级的闭锁信号，即采用下级闭锁上级的逐级闭锁模式实现保护的纵向选择性，通过闭锁和跳闸开关确定装置根据检测到故障的开关所连接的保护装置是否收到下级的闭锁信号的判断来确定闭锁开关和跳闸开关，即可有效的解决短路故障时越级跳闸的问题。本实用新型系统避免了光纤纵差保护需在煤矿井下设置过多的纵差保护装置不方便的问题，通过高速通信技术实现防越级跳闸保护功能，同时避免了在各开关连接的保护装置之间硬连接在运行方式变化时会涉及变更线路的问题，广播式报文播放装置中的报文广播式播放替换现有的点对点光纤通信方式，故通过局域网传输的是闭锁信号，并非在点对点光纤通信中传输数据量庞大的采样数据，所以本实用新型的信息传输快，通过计算机技术和数据通信技术的结合实现故障的快速隔离与定位。此外，通过故障检测装置确定检测到故障的开关，再通过广播式报文播放装置进行广播式报文播放，避免了当故障发生在线路末端短路仅靠电流定值无法满足选择性导致全部越级跳闸的问题。本系统中的广播式报文播放装置的报文广播式播放以及闭锁和跳闸开关确定装置确定闭锁开关和跳闸开关，采用了分布式控制和集中控制相结合，优化了系统结构，提升了相应处理能力，本系统有效的实现了煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护。报文播放装置通过GOOSE报文的方式发送闭锁信号，即在报文播放装置中应用IEC61850的GOOSE技术，根据拓扑结构建立装置建立的电力系统拓扑结构由故障检测装置确定的检测到故障的开关所连接的保护装置以GOOSE报文的方式向上级发出闭锁信号，可实现各检测到故障的开关所连接的保护装置之间的快速对等信息交换。拓扑结构建立装置通过拓扑寻址并更新的方式确定并更新各开关所连接的保护装置的上下级关系，拓扑结构建立装置通过拓扑寻址的方式建立电力系统拓扑结构，电力系统的运行方式确定后，通过拓扑寻址的方式各开关所连接的保护装置注册获得各自的拓扑地址，得到相互之间的上下级关系，当电力系统的运行方式改变后，只需再次通过拓扑寻址的方式将各开关所连接的保护装置重新注册获得各自更新的拓扑地址，即可重新得到各开关所连接的保护装置相互之间实时的上下级关系。在确定闭锁开关后所述闭锁和跳闸开关执行装置闭锁速断保护，在确定跳闸开关后所述闭锁和跳闸开关执行装置经过一个短延时后跳闸，能够进一步保证信息传输的可靠性。
图I为本实用新型煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统的结构示意图。图2为本实用新型下级闭锁上级的逐级闭锁模式示意图。图3为本实用新型系统中的开关所连接的保护装置的故障处理流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行说明。本实用新型公开了一种煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统，该系统的结构示意图如图I所示，包括拓扑结构建立装置、故障检测装置、广播式报文播放装置、闭锁和跳闸开关确定装置以及闭锁和跳闸开关执行装置，其中，故障检测装置与拓扑结构建立装置相连，故障检测装置和拓扑结构建立装置均与广播式报文播放装置相连，广播式报文播放装置依次连接闭锁和跳闸开关确定装置以及闭锁和跳闸开关执行装置。拓扑结构建立装置，将各开关连接的保护装置连接在局域网上，并通过拓扑寻址的方式建立电力系统拓扑结构，由于母线上设置的各开关都分别连接有一保护装置，将各保护装置连接到局域网上，优选以太网，、拓扑寻址的方式是电力系统的运行方式确定后，各开关所连接的保护装置在以太网注册获得各自的拓扑地址，得到各保护装置相互之间的上下级关系，上下级原则是随着其开关距离供配电电源的距离的增加，级别越低，即靠近供配电电源侧的保护装置是上级，远离供配电电源侧的保护装置是下级，此时每个保护装置均具有自己的下级列表，建立统一的电力系统拓扑结构。如煤矿供配电系统的一个供电线路上的开关所连接的保护装置分为四个层级，由高至低为I级、2级、3级和4级，则I级保护装置的下级列表包括2、3和4级的保护装置，2级保护装置的下级列表包括3和4级的保护装置，3级保护装置的下级列表包括4级保护装置，4级保护装置无下级列表。当电力系统的运行方式改变后，各开关所连接的保护装置在以太网重新注册获得更新的拓扑地址，即可重新建立各保护装置相互之间的上下级关系，建立更新的电力系统拓扑结构。故障检测装置用于确定检测到故障的开关，在煤矿供配电系统中如发电机、变压器和线路等电气元件发生短路故障时，电流由电源侧流向故障点，经过供电线路上的开关，若故障点的故障电流超出其经过的开关所连接的保护装置速断保护及过流保护定值区间的时候，该保护装置所连的开关为检测到故障的开关。如在上述实施例中的四级保护装置中，若I级、2级、3级和4级保护装置的过流定值均为2A，故障点发生在3级和4级之间，故障电流为3. 5A，当电流由电源侧流向故障点时，则1、2和3级保护装置检测到故障。若I级、2级、3级和4级保护装置的速断保护定值分别为4A、3A、2A和1A，故障点发生在3级和4级之间，故障电流为3. 5A，当电流由电源侧流向故障点时，则2和3级保护装置检测到故障。设置故障检测装置确定检测到故障的开关，使得所有流过故障电流的保护装置均能启动速断保护。广播式报文播放装置，根据拓扑结构建立装置建立的电力系统拓扑结构由故障检测装置确定的检测到故障的开关所连接的保护装置向上级发出闭锁信号，同时检测是否收到下级的闭锁信号，该广播式报文播放装置可以采用GOOSE报文的方式发送闭锁信号，即在报文播放装置中应用IEC61850的GOOSE通信技术，实现各检测到故障的开关所连接的保护装置之间的快速对等信息交换。即基于IEC61850的GOOSE通信技术，并利用对等通信技术，采用下级闭锁上级的逐级闭锁模式，实现保护的纵向选择性。下级闭锁上级的逐级闭锁模式示意图如图2所示，标示A为故障点，标示a、b、C、d、e、a’、C’、e’为开关，各开关均连接自己的保护装置，由于该图为一次装配图，故未画出各保护装置。开关a和a’为第一条电源母线的开关，开关c和c’为第二条电源母线的开关，开关e和e’为第三条电源母线的开关，开关a、b、C、d、e各自的进线端子和出线端子通过供电电缆连接形成一个供电线路，故障点A发生在该供电线路的右端，电流由电源侧流向故障点A时，开关a、b、C、d、e均为检测到故障的开关，开关a、b、c、d、e各自连接的保护装置均向以太网发送带有自己开关标示的故障报文(即闭锁信号)，各保护装置仅识别电力系统拓扑结构中的自己下级列表中的保护装置所发出的闭锁信号，也就是说，检测到故障的开关所连接的保护装置根据电力系统拓扑结构向自己的上级发出闭锁信号，开关a的保护装置接收开关b、C、d、e的保护装置发送的闭锁信号(图中仅标出了开关b的保护装置发送的闭锁信号)，开关b的保护装置接收开关c、d、e的保护装置发送的闭锁信号(图中仅标出了开关c的保护装置发送的闭锁信号)，开关c的保护装置接收开关d、e的保护装置发送的闭锁信号(图中仅标出了开关d的保护装置发送的闭锁信号)，开关d的保护装置接收开关e的保护装置发送的闭锁信号，同时开关a、b、C、d、e均检测是否收到下级的闭锁信号。闭锁和跳闸开关确定装置根据检测到故障的开关所连接的保护装置是否收到下级的闭锁信号的判断来确定闭锁开关和跳闸开关，即可有效的解决短路故障时越级跳闸的问题。图2所示实施例中，所述检测到故障的开关a、b、c、d均能收到下级的闭锁信号，故开关a、b、C、d均为闭锁开关，而开关e仅向上级发送闭锁信号，却没有收到闭锁信号，故开关e为跳闸开关，这就使得所有流过故障电流的保护装置均能启动速断保护，避免了当故障发生在线路末端短路仅靠电流定值无法满足选择性导致全部越级跳闸的问题，实现对故障的快速隔离与定位。闭锁和跳闸开关执行装置根据确定的闭锁开关和跳闸开关分别进行闭锁和跳闸，从而实现煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护。其中，在确定闭锁开关后，闭锁和跳闸开关执行装置闭锁速断保护；在确定跳闸开关后，所述闭锁和跳闸开关执行装置经过一个短延时后再跳闸。短延时的延时时间与GOOSE报文的闭锁信号的可靠性传输时间相配合，该延时时间通常设置在40毫秒至100毫秒之间，在拓扑结构四级及以下时设置延时时间稍大于40毫秒即可保证并提高信息传输的可靠性。图3为本实用新型系统中的开关所连接的保护装置的故障处理流程示意图。该流程为单个保护装置的故障处理流程，其结合了广播式报文播放装置、闭锁和跳闸开关确定装置以及闭锁和跳闸开关执行装置的工作流程，在故障检测装置进行故障检测之后就确定了该保护装置所连接的开关为检测到故障点的开关，保护启动后，该保护装置向上级发送闭锁报文(或称闭锁信号，或称故障报文)，并进行接收下级闭锁报文计时，接收闭锁报文的确认时间最大为100ms，同时也作为保护延时，在实际应用中四级及以下时该延时 时间略大于40ms时即可保证信息传输的可靠性。检测是否收到下级的闭锁报文，保护装置在保护启动的前提下，如果收到任何低层级的保护装置的保护闭锁信号，将进入保护闭锁状态，闭锁计时最大为200ms，从保护启动算起，总的保护延时闭锁时间不大于300ms，当故障不存在时则保护退出，若故障依然存在，此时认为是异常，则保护装置进行保护动作，即跳闸并切除故障。当进行是否收到下级闭锁报文判断后发现没有收到下级闭锁报文时，若此时满足保护定值则该保护装置执行保护动作，即跳闸并切除故障；若不满足保护定值(比如不能同时满足过流定值规定的电流和时间)则认为故障消除，则保护退出。应当指出，以上所述具体实施方式
可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型创造，但不以任何方式限制本实用新型创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型创造专利的保护范围当中。
权利要求1.一种煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护系统，其特征在于，包括 拓扑结构建立装置，将各开关连接的保护装置连接在局域网上，并通过拓扑寻址的方式建立电力系统拓扑结构； 故障检测装置，与拓扑结构建立装置相连，用于确定检测到故障的开关； 广播式报文播放装置，分别与拓扑结构建立装置和故障检测装置相连，根据拓扑结构建立装置建立的电力系统拓扑结构由故障检测装置确定的检测到故障的开关所连接的保护装置向上级发出闭锁信号，同时检测是否收到下级的闭锁信号； 闭锁和跳闸开关确定装置，与广播式报文播放装置相连，通过对检测到故障的开关所 连接的保护装置是否收到下级的闭锁信号的判断来确定闭锁开关和跳闸开关，当收到下级的闭锁信号时确定所述检测到故障的开关为闭锁开关，否则为跳闸开关； 闭锁和跳闸开关执行装置，与闭锁和跳闸开关确定装置相连，将确定的闭锁开关进行闭锁，将确定的跳闸开关进行跳闸。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述报文播放装置通过GOOSE报文的方式发送闭锁信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述局域网为以太网，所述拓扑结构建立装置通过拓扑寻址并更新的方式确定并更新各开关所连接的保护装置的上下级关系。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在确定闭锁开关后所述闭锁和跳闸开关执行装置闭锁速断保护，在确定跳闸开关后所述闭锁和跳闸开关执行装置经过一个短延时后跳闸。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述短延时的延时时间与GOOSE报文的闭锁信号的可靠性传输时间相配合，所述延时时间设置在40毫秒至100毫秒之间。
专利摘要本实用新型涉及一种煤矿供配电系统中短路故障的防越级跳闸保护装置，该装置包括拓扑结构建立装置、故障检测装置、广播式报文播放装置、闭锁和跳闸开关确定装置以及闭锁和跳闸开关执行装置，故障检测装置与拓扑结构建立装置相连，广播式报文播放装置分别与拓扑结构建立装置和故障检测装置相连，闭锁和跳闸开关确定装置分别与广播式报文播放装置以及闭锁和跳闸开关执行装置相连。该装置采取下级闭锁上级的逐级闭锁模式实现保护的纵向选择性，有效的解决短路故障时越级跳闸的问题。
文档编号H02H7/22GK202363888SQ201120470029
公开日2012年8月1日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者刘海波, 姜海涛, 徐文, 温彦军, 衣余法, 麻生 申请人:北京天能继保电力科技有限公司