基于高速工业网的防越级跳闸解决方案

一、     前言

越级跳闸的原因很多，按设备类型大抵可分为两种，一次设备缺陷引起的断路器越级跳闸和二次设备缺陷引起的断路器越级跳闸[6]。在矿井的继电保护应用中，根据电流大小做保护判断的技术，容易因机构动作时间长、定值整定误差及保护线路距离短而发生越级跳闸的事故，在越级跳闸后需要长时间的排查故障来恢复送电，防越级跳闸一直是困扰煤矿供电维护人员及继电保护工作者的难题，工程界涌现出了不少新的原理及新的解决手段，如集中保护、光线纵联差动保护等多种技术，本文分析这些技术的优缺点，并阐述优化的智能解决方案，以着手解决二次设备的越级跳闸问题。

二、几种技术比较分析

在上世纪80年代，为了解决一个系统多个保护的动作配合的问题，曾出现了一种集中式保护的技术，集中式保护通过在保护安装处安装传感器测量电流电压等信息，采集断路器、隔离开关、手车位置、试验位置等开关量状态实现对保护安装处的信息量的采集，并对应保护安装处的断路器有合分闸控制继电器及各种信号输出继电器，集中式保护有个特点是“一个大脑、多个探手”，如图1所示：

                                  图1

这种系统的优点是可以同时刻采集各断路器安装处的电量信息，能综合的判断整个被保护系统的状态，在故障发生时能做出精确的综合判断，但这种集中式的系统也存在着鲜明的缺点，一、工程应用不灵活，系统每增加一个供电结点，这种集中式的保护需要增加传感器等硬件，而且软件也必须重新作出调整，可扩展性差；二、电流、电压等信号经互感器变换成额定100V/5A的弱电信号，弱电信号线与断路器的控制线长距离并行走线，容易受到干扰而使系统不稳定，给系统带来潜在的风险；三、继电保护的快速性要求，使cpu必须保证傅立叶算法及逻辑判断的实时性，而CPU必然要将优先级向这两个算法上倾斜，系统增加保护结点，必然会增多要采集的数据通道，增加CPU用于DFT的开销，从而降低CPU的实时性，使系统的判断速度下降；四、整个系统采用大量长距离的信号线和控制线；最后，也是最致命的是，这种系统只有一个大脑，脑死亡必然会带来整个系统的崩溃。

在此基础上，发展出多CPU采集单元的保护技术，此种保护的方案是设计一个决策CPU,设计带CPU的采集终端，通过通信网连成 网络，采集终端用于采集断路器安装处的电压、电流等交流量信息，采集断路器位置、刀闸位置、实验位置等输入开关量信息，有能控制断路器跳合闸、接通信号回路等的继电器，采集单元内部的ADC（模数转换器）将模拟信号转换成数字信号，并作DFT运算，将DFT计算的结果，包括电流、电压实虚部、功率方向、功率及开关量输入状态等传送给决策CPU，决策CPU根据接收到的各断路器信息实现综合判断，此系统的构成如图2所示：

                                   图2

与上一种集中式保护相比，改进后的方案在断路器安装处与决策CPU之间删除了电压、电流采集线，删除了开关量输入的连接线及控制输出的控制线，通过通信线构成网络，从此角度看有较大的改进，但是，引入了新的问题，在集中式保护判断的要求是同一时刻的数据，如果是非同一时刻的数据，采集CPU1反映出故障，而采集CPU2因为时间较早几个毫秒没有测到故障，因此判断出采集CPU1～采集CPU2处故障，而做出错误的判断；其次，这个系统仍不具备很好的扩展性，在系统需要扩展，需要增加采集终端的时候，决策CPU得重新设计保护逻辑，同时没有对致命的问题作出改进，决策CPU的故障会让整个保护系统失去保护的功能，因此，在国标《DL/T769-2001中华人民共和国电力行业标准 电力系统微机继电保护技术导则》中明确指出“应用于厂、站自动化系统中的微机保护装置功能应相对独立”。

基于集中保护的种种缺陷，国内06年出现了基于光纤网的纵联线路链式的过电流保护技术[2]，链式过电流保护的原理如图3所示，级联线路中各级线路的过电流保护，经过光纤

                                  图3

传输通道形成一个系统，形成一个有机的过电流保护链。过电流保护链中的各个过电流保护装置应完成的基本功能是：检测本级线路的过电流状态；传送本级检测结果到上一级过电流保护装置；接收下一级过电流保护装置的检测结果；根据本级检测结果和下一级的检测结果决定本级保护装置是否跳闸。

其判断条件是，本级检测到故障，下一级没有故障，在满足这两个条件的基础上，保护器动作跳闸。文献对于通信出错做了冗余的处理措施，链式过电流保护中的各过流保护装置实时监控通信通道的通信情况，并能在出错时及时报警，避免通信出错时保护的误动和拒动。针对通信出错，采用了后备保护的方案，因通信出错，后级保护装置对前级保护装置的闭锁作用，可能造成各级保护装置都不动作，因此加后备保护予以解决。

此种方案较集中式保护作出了巨大的改进，将决策权力下发各个独立的保护，解决了集中式保护一个CPU运算能力不够的问题，而且系统的扩容对于各保护来讲没有带来改变，工程的通用性很好，最主要的，避免了一个CPU死机带来整个保护崩溃的问题。

但是，这种方案也存在着缺陷，首先，在通信故障时，整个系统的保护因级联闭锁的原因不动作，需要采用后备保护的冗余措施，因而使跳闸切除故障的时间延长；其次，对于复杂的应用场合，如下图4所示的系统，在A点发生故障时，因保护1的下级并联有保护2和保护3，按照本方案，很难处理这种应用。为此，我们在工业网的基础上，提出一种基于基因图谱的判断方法。

                                                  图4

三、基因图谱的纵差解决方案

通过工业网构建一高速通信网络，每一台保护是整个网络中的一个结点，按照优先级编排各保护的ID身份，采用广播网的方式，任一台发送数据，网上所有的结点都可以接收到数据。采用高速网的好处是，任何2台保护间可以以极短的时间通信，我们将2台保护完成一次会话的时间定在10ms内，单向发送数据的时间为5ms。在保护上增加通信适配器搭建通信网，如图4所示：

保护方案基于高速数字信号处理器DSP实现，采用高精度的ADC转换模块及电源纹波处理技术，确保保护的精度误差控制在1%，采用高速DSP的好处是，所有通道的DFT运算可以在每1ms的时间都运算一次。工业网的通信采用中断技术，这样可以使故障信息能立刻发送，网上所有的保护能立刻接收，确保保护间传送信息的实时性，DSP硬件方案如图5所示。

为了使保护灵活地适应现场应用及维护，保护内部设有远程升级模块，远程监控系统可以实现程序的更新升级。

                   　                     图5

根据网络的拓扑特性，设置保护的ID编号，以确保任何地方发生故障，对应的保护会优先占用通信网络，图4中，在6DL至7DL处C点故障时，保护3、保护4、保护5都不反映故障不会申请占用通信网络，而保护1能反映故障但没有保护2的级别高，所以被保护2占用网络广播。

根据网络拓扑的特点，构建一个基因图谱，基因图谱传送到每一套保护中，这样保护根据基因图谱可以知道自己在拓扑结构中的继承关系，知道整个网络的特点，这样在接收到故障信息时能作出判断，判断是否需要响应接收到的命令。

如当A处发生故障，1DL会检测到故障，1DL根据基因拓扑图，知道它有两个直系下级，而2DL与3DL也知道相互间的兄弟关系，也了解与1DL是父子关系，那么当1DL发

送过来的故障信息被2DL及3DL同时接受到的时候，2DL和3DL都会作出回应，而1DL收到2DL传来的信息是没有发生短路的信息，那么就可以判断为区内故障而动作。

例如第二种情况，当B点发生故障，按照正常的优先级应该是3DL最先发现故障，假设不可预见的原因，1DL较3DL先判断出故障，1DL占用广播告知系统它检测到故障的信息，此时2DL和3DL都会收到信息并回应，当3DL收到1DL的信息时会立刻查询本身的判断结果，如果没有故障会用1ms的时间再次判断并将故障信息发送给1DL，当1DL收到直系下级的故障信息后便知道它的直系下级会处理故障的事，此次故障与自己无关，同样，4DL也会收到3DL发送出来的故障信息，对于自己的直系上级，它会立刻做出没有检测到故障的回应，3DL根据无故障信息的回应会立刻判断信息在区内而动作。

再看一种4DL与5DL之间线路D点发生短路故障的情况，此时可能检测到故障的保护有1DL、3DL及4DL，假设3DL首先检测到故障，那么3DL占用网络向系统广播信息，在发送信息的时候1DL也检测到故障，但网络被3DL占用，1DL在等待的期间，收到3DL传来的故障信息，1DL便取消发送故障信息的尝试，任由它的下级亲属去处理本次故障信息，而4DL在收到信息后会做出故障的判断，在没收到5DL信息的情况下占用网络广播故障信息，5DL收到4DL的故障信息作出回应，向4DL报告保护没检测到故障，4DL于是判断为区内故障而动作，此种复杂的应用情况向网络发送数据的保护有3DL、4DL及5DL，用于通信的时间约为15ms，故障判断的时间4ms，分别是3DL判断出故障，4DL根据3DL的要求响应判断占用1ms，需要说明的是，在3DL数据传输的过程，4DL几乎可以肯定的已同步判断出故障，5DL根据4DL直系上级保护的要求用1ms的时间作出判断并发送会数据，因此整个判断时间为1ms（3DL）+5ms（3DL）+1ms（4DL）+4ms（4DL）+1ms（5DL）+4ms（5DL）+1ms（4DL），整个判断过程小于等于17ms，在判断出故障跳闸跳闸继电器的时间小于等于40ms，从实际试验结果来看，动作时间最大约40ms左右，算法的时间得到验证。

正常的运行时，每个保护间隔一段短的时间会发送测试数据来验证自身网络通信的可靠性，当某个结点长时间不能收发数据的时候，保护会通过485通信网往后台报告故障信息，因为采用基因图谱的判断方式，系统还可以升级成直系上级保护作为本级保护的后备保护方式。

本方案延续了级联纵差方案中分散式判断的方法，每一个保护都是独立的保护单元，避免了集中式保护因CPU死机而使整个供电系统失去保护功能，将决策权下放至各单元，使保护的可靠性大为提高，另外，针对复杂的供电系统，提出了基因图谱的解决方法，解决了复杂的供电应用越级跳闸的问题，而且基因图谱的解决手段，可以使发生故障的时刻，只有几台保护占用网络，通信数据大为减少，避免了通信资源的竞争，使系统的判断时间大为缩短，为快速切除故障提供切实的保障。

四、结束语

文中的方案及理论在ZBT-11保护中得到了广泛的应用，从试运行及实际工程应用案例来看动作迅速，防越级效果明显，很好地解决了煤矿供电中的越级跳闸问题，增强了供电系统的可靠性。

本文刊登于2014年3月《煤矿机电》

参考文献：

1、《煤矿井下供电短路保护新设想》宁传文 《煤炭技术》 2005 年9 月第24 卷第9 期

2、《级联线路的链式过电流保护方案研究》冯建勤, 冯巧玲《继电器》2006年4月16日第3 4卷第8期

3、《一种适用于中低压短线路的光纤纵差保护方案》贺敏, 陆于平 , 宋斌, 相咸政 《继电器》 2003年9月15日 第31卷第9期

4、《光纤纵差保护在防止矿井供电短路时越级跳闸的研究》何立新《煤-成果应用》141期

5、《DL/T769-2001中华人民共和国电力行业标准 电力系统微机继电保护技术导则》

6、《10kV 越级跳闸事故原因和处理过程探讨》朱县盛 中国高新技术企业 2011年01期