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[摘 要]基于面保护原理的煤矿供电系统继电自动保护系统，能够全面采集供电系统各处的相关信息，经过分析判断，最后准确做出故障保护动作。使用面保护，可以提高保护动作的准确性，减少保护动作的误动、拒动及越级跳闸，有效地防止大面积停电事故，提高了煤矿供电系统的安全性，确保了人身安全及矿井供电系统安全。
[关键词]煤矿供电 面保护 继电自动保护研究分析
中图分类号：TD611.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0085-01
一、煤矿供电系统继电保护存在问题
随着煤矿安全生产电气化程度的提高，井下电力大功率设备的增加，供电系统对继电保护的安全性、可靠性提出了更高的要求。而在煤矿井下供电系统中，负载与电源侧大多采用长度较短、截面较大的多段电缆线路构成供电网络，供电线路阻抗小。在进行三段式电流保护整定过程中，电缆阻抗小，线路首末两端的短路电流比较接近，使得整定的电流速断保护范围小。一旦考虑可靠系数后，电流速断保护的范围将更小，甚至为零。这样致使上下级电流保护整定配合艰难，目前煤矿井下普遍采用微机保护，保护动作与否只取决于整定的短路电流的大小，一旦短路电流过大，同时满足上下级保护动作条件，即将会造成越级跳闸，导致大面积停电。
煤矿传统过电流保护配置是依靠时间的配合。受上一级供电管理部门的要求，过电流保护时限不能超过一定的时限要求。由于煤矿井下供电线路级数较多，按照通常的0.5s的时间差无法实现供电线路级数多的过电流保护时限配合。
二、解决方法
根据《煤矿安全规程》，要求煤矿井下的继电保护装置不仅要具有短路、过负荷、接地、欠电压释放、缺相等常规的保护功能，还应能够满足矿井综合自动化管理的要求，可实现数据的远程检测与调控，还应改变以往继电保护装置只能整定固定时限的弊端，实现无级调整，使上下级保护能够更好的配合。为了防止上述越级跳闸情况的发生，本设计采用面保护原理。在故障发生时，对系统信息进行采集、处理、判断，做出更加为正确的动作决策，提高和改善煤矿供电系统现有的保护性能。
三、面保护技术的发展现状
八十年代末，随着现代通信技术和网络技术飞速发展，出现了针对整个系统的面保护原理。根据面保护的定义和相关资料的描述面保护需具备三个必要条件：①通信；②CPU；③并行处理。现如今煤矿井下的保护大都属于点保护，比如过流保护、接地保护、漏电保护等都属于点保护。其保护的动作与否只利用了设备自身的故障信息（电压、电流、零序电流等）并没有利用系统中的其它保护装置的信息。因此有效地将面保护原理利用于煤矿供电系统，在完成煤矿供电系统故障的隔离和防越级跳闸上意义重大。
四、面保护技术的研究意义
“面保护”是相对于传统的继电保护而言，传统的继电保护装置只采集故障点信息。“点保护”只依据保护装置安装处的故障电流或电压等信息，即其动作依据仅仅是电力系统中一个测点的信息，获得的信息量太少，难以对系统的动态行为和故障原因做出正确判断，因而难以提高其动作正确率。面保护原理的先进之处在于除了采集故障点的信息外，还通过通信获得其他相关的非故障点的信息进行判断，通过更为全面的分析做出更为正确的动作决策以保护自身设备和供电系统，面保护不需要依靠延时来实现保护动作的配合，缩短了切除故障时间，有利于延长设备的寿命和检修周期。面保护原理克服了传统点保护信息不全的弱点，故障段判据简单明了。所有保护装置安装点的测控单元同时并行采集信息、综合判断故障、执行动作命令，通过上位机可以对供电系统进行运行状态、运行参数的实时监控。因此研究基于CAN总线通信控制的面保护技术，对于矿井安全供电具有很重要的现实意义。
五、面保护控制逻辑设计
由于煤矿井下供电系统采用多段短电缆组成干线式纵向供电网，供电系统各段短路故障电流差值较小，因而采用在各级增加时限级差来构成纵向选择性速断短路保护系统。然而，时限级差的设定受到上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的制约，不能构成有效的纵向选择性速断短路保护系统，所以在井下供电系统发生短路故障时，系统保护发生越级跳闸是不可避免，而且由于限级差与跳闸操作机构的时间也很难配合，每个断路器的灵敏性不一致，在发生短路故障时常导致系统保护发生越级跳闸。
供电系统面保护采用的故障保护控制策略是：系统启动初始化后，由上位机向所有的断路器发出闭锁信号，闭锁系统所有的断路器。上位机根据每个断路器的测控单元采集并通过CAN-bus现场总线上传上来的系统运行状态和运行参数，按照一定的保护控制算法对供电系统的运行状态进行综合分析、判断。当上位机通过对测控单元上传上来的所有信息进行综合判断后得出供电系统发生故障并能判断出故障类型和故障区域时，由上位机向距故障发生点最近的上级断路器的测控单元发送保护解锁信号，解除该处断路器闭锁，启动故障保护。上位机发送完保护解锁信号后，不再参与本次保护相关动作执行，只完成对供电系统的监控，直到下一次故障的到来。测控单元接收到解锁信息后，测控单元启动保护功能，并按照一定的保护控制策略对系统进行故障保护。如果断路器发生拒动，测控单元向上级断路器的测控单元发送保护解锁信号，解除上级断路器闭锁，允许上级断路器动作，保护供电系统。保护解锁动作逻辑关系依次往上级类推。由上位机与测控单元组成的面向整个系统的保护控制方法，可以有效的防止井下供电系统故障时越级跳闸情况的发生，提高供电系统的选择性与可靠性。供电系统运行正常后，上位机向各个保护发送保护闭锁信号。当a点发生故障后，上位机根据接收到的由测控单元上传的信息进行故障判断，判断处故障类型和故障区域后向保护3发送保护解锁信号，保护3接收到保护解锁信号后启动故障保护；如果保护3发生拒动，由保护3向上级保护2发送保护解锁信号，解除保护2的闭锁状态，由保护2进行故障保护；若保护2也发生拒动或由于其它原因造成保护没有动作，故障没有切除，由保护2向上级保护1发送保护解锁信号，开放保护1。
六、结束语：
本设计主要的内容包括测控单元、通信网络、上位监控系统以及面保护控制策略的研究。本论文讨论的测控单元主要包括交流采样模块、显示模块、通信模块、键盘模块、有功无功检测模块、频率检测模块及温度检测模块，并在硬件设计的基础上进行了相应的软件设计。通过CAN现场总线将测控单元所采集的各个开关的运行状态和运行参数上传到上位机监控系统，通过上位机监控系统对煤矿供电系统进行监控，实现上位机对供电系统的遥测、遥信、遥控功能。通过对各个模块的单独调试和联合调试，在一定程度上验证了该系统设计的正确性。
参考文献
[1] 孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报，2010，35（11）：1925-1929.
[2] 曹保银，周孟然.基于煤矿供电系统和电气设备的保护[J].2006，27（6）.
[3] 中华人民共和国.煤矿井下供电的三大保护细则[M].北京：煤炭工业出版社，2004
[4] 中国煤炭建设协会.煤矿井下供配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007
作者简介
李鹏，宁夏大学物电学院，电气工程与自动化，双马煤矿筹建处机电动力科，助理工程师
[关键词]煤矿供电 面保护 继电自动保护研究分析
中图分类号：TD611.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0085-01
一、煤矿供电系统继电保护存在问题
随着煤矿安全生产电气化程度的提高，井下电力大功率设备的增加，供电系统对继电保护的安全性、可靠性提出了更高的要求。而在煤矿井下供电系统中，负载与电源侧大多采用长度较短、截面较大的多段电缆线路构成供电网络，供电线路阻抗小。在进行三段式电流保护整定过程中，电缆阻抗小，线路首末两端的短路电流比较接近，使得整定的电流速断保护范围小。一旦考虑可靠系数后，电流速断保护的范围将更小，甚至为零。这样致使上下级电流保护整定配合艰难，目前煤矿井下普遍采用微机保护，保护动作与否只取决于整定的短路电流的大小，一旦短路电流过大，同时满足上下级保护动作条件，即将会造成越级跳闸，导致大面积停电。
煤矿传统过电流保护配置是依靠时间的配合。受上一级供电管理部门的要求，过电流保护时限不能超过一定的时限要求。由于煤矿井下供电线路级数较多，按照通常的0.5s的时间差无法实现供电线路级数多的过电流保护时限配合。
二、解决方法
根据《煤矿安全规程》，要求煤矿井下的继电保护装置不仅要具有短路、过负荷、接地、欠电压释放、缺相等常规的保护功能，还应能够满足矿井综合自动化管理的要求，可实现数据的远程检测与调控，还应改变以往继电保护装置只能整定固定时限的弊端，实现无级调整，使上下级保护能够更好的配合。为了防止上述越级跳闸情况的发生，本设计采用面保护原理。在故障发生时，对系统信息进行采集、处理、判断，做出更加为正确的动作决策，提高和改善煤矿供电系统现有的保护性能。
三、面保护技术的发展现状
八十年代末，随着现代通信技术和网络技术飞速发展，出现了针对整个系统的面保护原理。根据面保护的定义和相关资料的描述面保护需具备三个必要条件：①通信；②CPU；③并行处理。现如今煤矿井下的保护大都属于点保护，比如过流保护、接地保护、漏电保护等都属于点保护。其保护的动作与否只利用了设备自身的故障信息（电压、电流、零序电流等）并没有利用系统中的其它保护装置的信息。因此有效地将面保护原理利用于煤矿供电系统，在完成煤矿供电系统故障的隔离和防越级跳闸上意义重大。
四、面保护技术的研究意义
“面保护”是相对于传统的继电保护而言，传统的继电保护装置只采集故障点信息。“点保护”只依据保护装置安装处的故障电流或电压等信息，即其动作依据仅仅是电力系统中一个测点的信息，获得的信息量太少，难以对系统的动态行为和故障原因做出正确判断，因而难以提高其动作正确率。面保护原理的先进之处在于除了采集故障点的信息外，还通过通信获得其他相关的非故障点的信息进行判断，通过更为全面的分析做出更为正确的动作决策以保护自身设备和供电系统，面保护不需要依靠延时来实现保护动作的配合，缩短了切除故障时间，有利于延长设备的寿命和检修周期。面保护原理克服了传统点保护信息不全的弱点，故障段判据简单明了。所有保护装置安装点的测控单元同时并行采集信息、综合判断故障、执行动作命令，通过上位机可以对供电系统进行运行状态、运行参数的实时监控。因此研究基于CAN总线通信控制的面保护技术，对于矿井安全供电具有很重要的现实意义。
五、面保护控制逻辑设计
由于煤矿井下供电系统采用多段短电缆组成干线式纵向供电网，供电系统各段短路故障电流差值较小，因而采用在各级增加时限级差来构成纵向选择性速断短路保护系统。然而，时限级差的设定受到上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的制约，不能构成有效的纵向选择性速断短路保护系统，所以在井下供电系统发生短路故障时，系统保护发生越级跳闸是不可避免，而且由于限级差与跳闸操作机构的时间也很难配合，每个断路器的灵敏性不一致，在发生短路故障时常导致系统保护发生越级跳闸。
供电系统面保护采用的故障保护控制策略是：系统启动初始化后，由上位机向所有的断路器发出闭锁信号，闭锁系统所有的断路器。上位机根据每个断路器的测控单元采集并通过CAN-bus现场总线上传上来的系统运行状态和运行参数，按照一定的保护控制算法对供电系统的运行状态进行综合分析、判断。当上位机通过对测控单元上传上来的所有信息进行综合判断后得出供电系统发生故障并能判断出故障类型和故障区域时，由上位机向距故障发生点最近的上级断路器的测控单元发送保护解锁信号，解除该处断路器闭锁，启动故障保护。上位机发送完保护解锁信号后，不再参与本次保护相关动作执行，只完成对供电系统的监控，直到下一次故障的到来。测控单元接收到解锁信息后，测控单元启动保护功能，并按照一定的保护控制策略对系统进行故障保护。如果断路器发生拒动，测控单元向上级断路器的测控单元发送保护解锁信号，解除上级断路器闭锁，允许上级断路器动作，保护供电系统。保护解锁动作逻辑关系依次往上级类推。由上位机与测控单元组成的面向整个系统的保护控制方法，可以有效的防止井下供电系统故障时越级跳闸情况的发生，提高供电系统的选择性与可靠性。供电系统运行正常后，上位机向各个保护发送保护闭锁信号。当a点发生故障后，上位机根据接收到的由测控单元上传的信息进行故障判断，判断处故障类型和故障区域后向保护3发送保护解锁信号，保护3接收到保护解锁信号后启动故障保护；如果保护3发生拒动，由保护3向上级保护2发送保护解锁信号，解除保护2的闭锁状态，由保护2进行故障保护；若保护2也发生拒动或由于其它原因造成保护没有动作，故障没有切除，由保护2向上级保护1发送保护解锁信号，开放保护1。
六、结束语：
本设计主要的内容包括测控单元、通信网络、上位监控系统以及面保护控制策略的研究。本论文讨论的测控单元主要包括交流采样模块、显示模块、通信模块、键盘模块、有功无功检测模块、频率检测模块及温度检测模块，并在硬件设计的基础上进行了相应的软件设计。通过CAN现场总线将测控单元所采集的各个开关的运行状态和运行参数上传到上位机监控系统，通过上位机监控系统对煤矿供电系统进行监控，实现上位机对供电系统的遥测、遥信、遥控功能。通过对各个模块的单独调试和联合调试，在一定程度上验证了该系统设计的正确性。
参考文献
[1] 孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报，2010，35（11）：1925-1929.
[2] 曹保银，周孟然.基于煤矿供电系统和电气设备的保护[J].2006，27（6）.
[3] 中华人民共和国.煤矿井下供电的三大保护细则[M].北京：煤炭工业出版社，2004
[4] 中国煤炭建设协会.煤矿井下供配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007
作者简介
李鹏，宁夏大学物电学院，电气工程与自动化，双马煤矿筹建处机电动力科，助理工程师