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【摘 要】越级跳闸会对煤矿井下安全生产带来严重后果。本文从全局角度出发，建立以光纤为通信介质的防越级跳闸系统，系统包括主站监控系统和监控分站两级组网，同时提出了采用递归搜索网络分析方法对故障点进行定位隔离。案例分析结果表明，该防越级跳闸系统能够保证对供电系统监控的实时性，提出的递归算法相比于其他方法更加快速和有效。
【关键词】煤矿井下 越级跳闸 网络分析 供电系统
【中图分类号】TD611 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）31-0106-03
煤矿井下供电系统的安全性和运行状态直接影响着煤矿的生产和安全。煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，工作环境恶劣，容易发生短路事故。由于井下高压供电系统线路短、多级变电所级联，当发生短路故障时常规继电保护装置不能通过整定值和时间级差的方式有选择地跳开故障点开关，出现越级跳闸问题，威胁矿井安全。因此，解决煤矿井下供电系统短路引起的越级跳闸问题，对煤矿安全生产意义重大。
目前，国内外对矿井供电系统越级跳闸问题进行了广泛深入的研究，主要集中在以下几个方面。（1）基于电力监控系统的方案。这种系统由监控主机、通信分站和综合保护装置组成。监控主机对供电系统各节点故障信息采集，利用通信系统汇集，并进行逻辑比较和综合判断。这种方案通信系统采用两级结构，第一级为监控中心和通信分站之间采用CAN总线网络，第二级为通信分站与各综合保护装置采用RS485总线网络。基于电力监控系统的方案从短路发生到控制断路器跳闸所需时间较长。（2）基于CAN总线方案。该防越级跳闸方案的基础是构建一个专用CAN总线通信网络，各个综合保护装置通过CAN总线进行连接，通过各个综合保护装置之间的数据交换快速判断故障位置，确定需要启动保护动作的装置所在的位置。基于CAN总线方案需跟随供电系统不同运行方式变化相应地判断规则，控制较为复杂，实际运用中存在很多问题，甚至会增加越级跳闸的风险。（3）基于独立监控分站的方案。该方案中每段线路的综合保护装置采用电气信号与独立监控分站并联联络，各综合保护装置检测短路故障，并将故障信号汇总到独立监控分站，监控分站根据接收的电平信号数量的多少和相应的事先约定的编号进行逻辑分析判断，可确定应该由哪级跳闸，然后向该级发出跳闸指令。该方案存在抗干扰能力差，对监控分站的依赖性强，系统整体可靠性不高的缺点。（4）基于分布式分站方案。该方案与基于独立监控分站的方案通信方式相同，只是增加了各级独立分站的部署，此方案各级独立分站相互独立，其中某一分站发生故障不会使整个越级跳闸系统瘫痪，具有相对高的可靠性，但同样存在各级分站间连线复杂，传输信号抗干扰能力差、远距离传输衰减严重等缺点。
上述方法主要侧重于井下防越级跳闸系统的整体框架构建，而对于短路故障点的快速搜索定位和隔离的方法涉及较少。本文研究的内容是建立以光纤为通信介质的井下供电监控系统，通过系统网络拓扑分析和快速递归算法，迅速定位短路故障点并加以隔离，有效防止越级跳闸事故的发生。
一 煤矿井下防越级跳闸系统设计
1.防越级跳闸系统整体设计
根据煤矿井下高压供电线路的实际情况和防越级跳闸的要求，建立以光纤为介质的高速通信网络，为井下高压供电系统的每台高爆开关提供可靠、全时、动态、高速的信息通道，形成全局防越级跳闸保护系统，提高高压供电线路的可靠性和保障故障隔离动作时间的实时性。系统整体框架如图1所示。
该系统具有如下特点：（1）系统功能全面性。系统在实现保护的同时还可以实现遥测、遥信、遥控、遥调即“四遥”和防误操作功能，为采区变电所的“无人值守”创造了条件。（2）系统组网安全性。系统的光纤通信网络、矿用隔爆型光传输接口和保护主机均采用备份配置，一套系统发生故障时不会影响另一套系统的可靠运行。（3）系统先进性。该设计实现零时限速断保护，彻底解决煤矿井下短路故障越级跳闸问题，实现多备份
煤矿井下保护，井下电度计量由地面装置集中实现，将光纤通信和网络数据共享的数字化变电站技术引入井下保护的系统。
2.监控分站系统设计
电力监控分站作为监控中心和综合保护装置的连接系统，起到将综合保护装置的测量信息（遥测、遥信的数据）上传至监控中心，同时将监控中心的指令（遥控、遥调）发送给相应的综合保护装置的作用。监控分站具有如下功能：（1）每个监控分站至少能挂接32个综合保护装置，通过光纤与它们通信;（2）接收所挂接的综合保护装置的采集数据，并对数据进行统计分析，将结果上传到监控中心，同时就地通过液晶屏显示;（3）接收监控主机的控制指令（遥控指令），同时将指令传送给相应的综合保护装置执行，并把执行结果传回分站;（4）能在线显示出现故障的电力设备的位置及原因，并报警;（5）系统具有多种通信接口，能适应各种通信方式;（6）采用全中文液晶显示，能清楚地实时显示电网的电流、电压、零序电流、零序电压、绝缘电阻、故障原因等;（7）具有超强的通信功能，在出现通信故障时，无须人工干预，系统能在极短的时间内自动检测，重新启动恢复通信。
二 网络分析方法研究
由于煤矿井下级联变电所和T接线路多，造成供电网络复杂，因此采用的电网络分析方法不但要有准确性而且要满足故障隔离实时性的要求。网络等值法和最小路法都需对网络进行等值，而大多数的等值过程通过计算机实现比较复杂，尤其是对于较为复杂的供电网络而言，等值过程更为繁杂。递归算法是一种直接或者间接地调用自身的算法。在计算机编程中，它往往使算法的描述简洁且易于理解，编程工作量也大大减少，同时其运行快速的特点也满足了短路故障隔离的实时性要求。该方法的优点在于：（1）无须进行网络等值，原理简单清晰，计算精度高，易于在计算机上实现;（2）当需要分析某负荷点附近的故障情况时，无须分析所有元件运行情况，可以有针对性地对网络进行分析，大大减少计算量;（3）在分析过程中无须形成网络的邻接矩阵或特殊的链表关系，直接采用最基本的节点数据表和支路数据表对网络进行搜索，与现场数据接口方便;（4）网络分析采用递归算法，可大大减少编程工作量，提高程序执行效率，达到系统实时性的要求。
递归算法实现过程如图2所示，其中A为供电节点，B、C、D为负荷节点，D为所求负荷节点，以D节点作为根节点，搜索到支路1，节点表加1，然后以另一节点B递归搜索，搜索到支路0，节点表再加1，再以另一节点C递归搜索，无支路，返回上级递归，继续以B节点搜索，搜索到支路2，另一节点A为供电节点，则搜索完成标示设为真，递归返回。
三 算例验证
设系统供电模式为单电源辐射式供电系统，母线为二分段接线，如图4所示。其中配电变压器高压等级为10kV，低压等级为0.4kV，每条母线带有4组负荷，同时安装有图1所示的全局防越级跳闸系统作为通信和监控系统，保证数据的实时传输。
在计算过程中假设负荷点L4、L6和L7处发生了短路故障，采用本文提出的分析方法均能快速对故障点进行定位并断开负荷所属高压侧断路器，没有因为短路而发生越级跳闸的情况，保证了非故障点的正常工作，说明了该网络分析方法的有效性。
在使用相同计算机系统情况下对上述案例进行计算分析，采用本方法比网络等值法的计算速度大约快5%，比最小路法快3%，因为本算例网络比较简单，所以差别并不是很大，如果采用实际煤矿井下供电网络，本方法的计算速度优势将会更加明显。
四 结论
煤矿井下防越级跳闸对煤矿的安全生产有着至关重要的作用，通过本文的研究可以得到如下结论：（1）建立的采用光纤通信的防越级跳闸系统能够保障数据通信的实时性，使得主站监控系统能够迅速判断隔离故障点;（2）监控分站作为连接主站监控中心和综合保护装置的中间环节，起到重要的桥梁作用;（3）快速全局分析的递归算法为准确定位故障点、防止越级跳闸提供了技术支持。
参考文献
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〔责任编辑：庞远燕、汪二款〕
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