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摘要：单相接地故障是煤矿电网常见的故障，长时间带接地故障运行，过电压可能引起非故障相绝缘击穿，导致事故扩大，因此必须及时找出并切除接地故障。智能变电站能实现全站信息的共享，因此可以根据共享的信息构造多支路信息综合保护判据，为解决接地保护无选择问题提供了新的契机。研究煤矿智能变电站实现煤矿高压电网选择性接地保护的方案，证明了它们的准确性和有效性，保证了煤矿高压电网接地保护的选择性。
关键词：煤矿高压电网;选择性接地保护;智能变电站;
煤矿供电系统的安全性和可靠性是煤矿安全和正常生产的重要保障，由于井下环境复杂、设备工作条件恶劣，导致单相接地故障经常发生[1-2]。单相接地过电压会严重破坏系统的绝缘性能，可能导致绝缘击穿而引起故障扩大，为了提高供电可靠性，保证非故障区域的正常供电，必须及时找出并有选择性地切除单相接地故障。目前接地保护的横向选择性通过各级接地保护装置的工作原理实现，上、下级接地保护装置之间的纵向选择性主要靠时间差配合来实现，选择性接地保护采用的原理主要有零序电流原理、零序功率方向原理、首半波原理、谐波电流原理等，这些接地保护原理都有自身的适用范围和缺陷，经常导致选择性失效[3-6]。多种保护原理融合的综合选线原理能很大程度上提高选线的可靠性，但是现有的单台微机保护装置只能使用自身获取的故障信息，无法获取其他接地保护装置的信息，因而单台装置的信息比较少，无法很好地保证横向选择性。由于保护动作值的整定受系统绝缘参数、接地方式等的影响，很难实现上下级的合理配合，因此，单装置的保护难以保证纵向选择性。
为了保证接地保护的横向选择性和纵向选择性，应采用集中保护原理，将各配电开关处采集的电气量集中进行比较，在各保护装置信息共享的基础上，构造相应的算法和判据，实现横向和纵向选择性，纵向可以保证选择性接地保护的可靠性，智能变电站技术能够实现全站底层数据的数字化和共享化，为煤矿高压电网选择性接地保护的数字化实现方案提供了支撑。本文提出了零序全电流功率方向多支路综合判据接地保护技术，实现了煤矿高压电网接地保护的横向选择性，提出了电网拓扑节点优化矩阵算法故障区段定位技术，实现了煤矿高压电网接地保护的纵向选择性，并设计了煤矿智能变电站实现选择性接地保护的方案。
中性点经消弧线圈并电阻接地系统中，消弧线圈过补偿、全补偿和欠补偿程度小时，流过故障支路的零序无功电流矢量的方向在y轴正半轴，当欠补偿的程度比较大时，流过故障支路的零序无功电流矢量的方向在y轴负半轴。考虑消弧线圈电阻和线路对地绝缘电阻等造成的有功电流分量，故障线路零序全电流的矢量落在第二象限或第三象限内，而非故障支路零序全电流矢量落在第一象限内。零序全电流矢量关系如图2所示。
因此，全电流故障选线原理不用区分中性点是不接地方式或经消弧线圈接地方式，根据线路全电流所在的象限判别故障支路，全电流在第一象限的支路判定为非故障支路，否则，判定为故障支路。
对煤矿小电流接地系统的单相接地故障进行故障选线的仿真分析，来验证零序全电流功率方向原理的可靠性和灵敏性。
设单相接地故障发生在线路L2末端，使用PSCAD图形显示窗口观测各条支路的零序全电流与系统零序电压的相位关系。
消弧线圈全补偿时，设在0.2S时刻发生故障，类型为金属性接地，各条线路首端零序全电流相对于系统零序电压的相位。
消弧线圈过补偿时，设在0.2S时刻发生故障，故障类型为金属性接地，线路L2首端零序全电流相对于系统零序电压的相位。
对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统中经过渡电阻接地、电弧接地故障类型进行仿真，仿真结果表明零序全电流功率方向原理能够准确选出故障线路也不用区分中性点的接地方式，具有先进性。
煤矿智能变电站在逻辑功能上宜由过程层、间隔层和站控层三层组成，并用过程层网络和站控层网络两层网络实现连接和通信。煤矿变电站包括地面变电站、井下中央变电站、采区变电站等多个变电站，总的开关间隔数量大（100-200），若将整个煤矿多个变电站建成一个智能变电站，则网络上的数据流量过大，且网络的可靠性和信息传输的实时性得不到保证，因此宜按照区域集控式智能变电站的建设模式。
集控中心交换机和各变电站交换机之间的组网宜采用双重化配置的星型光纤以太网，保证信息传输的实时性和可靠性，本文实现接地保护对快速性没有严格要求，也可以采用环网方式或其他组网方式，但要保证网络的可靠性。
煤矿智能变电站，选择性接地保护是通过各智能站间隔层保护测控装置和集控中心的故障处理主机配合实现的。各智能变电站能够不依赖于集控中心独立完成采集、测量、控制和保护功能，在各变电站间隔层保护测控装置上配置零序全电流功率方向多支路综合判据选线软件，来实现接地保护的横向选择性;在集控中心保护主机上配置优化矩阵算法单相接地故障定位软件，实现全站范围内故障区段的判断，保护主机下发闭锁和允许信号，将故障区段隔离，恢复非故障区域的正常供电，实现接地保护的纵向选择性。
煤矿智能变电站实现选择性接地保护的过程为：系统中发生单相接地故障后，保护合并单元采集到的故障信息上传到间隔层保护测控装置。各站间隔层保护测控装置利用本文提出的零序全电流功率方向多支路综合判据选线软件实现同一母线上接地保护的选择性（横向选择性）。保护测控装置同时将该站各保护合并单元的零序全电流相位上传至地面集控中心保護主机，集控中心保护主机根据各间隔层保护测控装置上传的保护合并单元故障信息，构造故障信息矩阵，与网络结构矩阵进行矩阵运算，得到故障判断矩阵，从而判断出故障所在的区段，保护主机向故障所在区段的变电站保护测控装置下发保护动作允许信号，向其他变电站保护测控装置下发保护动作闭锁信号，实现全站范围内多级线路单相接地保护的选择性（纵向选择性）。
结论
本文对煤矿智能变电站全站信息共享实现煤矿高压电网选择性接地保护的方案进行了研究，提出了零序全电流功率方向多支路综合判据选线技术和电网拓扑节点优化矩阵算法故障区段定位技术，算例和仿真证明了其准确性和有效性。本文给出了一种煤矿区域集控式智能变电站的建设模式，并设计了此智能变电站实现选择性接地保护的方案，对于解决煤矿接地保护无选择问题做出了有益贡献。
参考文献
[1] 李晓阳.煤矿井下供电系统研究[J].中国高新技术企业，2010（4）：195-196.
[2] 董加庆.煤矿6kV供电系统漏电保护研究[D]. 济南：山东大学，2010.
关键词：煤矿高压电网;选择性接地保护;智能变电站;
煤矿供电系统的安全性和可靠性是煤矿安全和正常生产的重要保障，由于井下环境复杂、设备工作条件恶劣，导致单相接地故障经常发生[1-2]。单相接地过电压会严重破坏系统的绝缘性能，可能导致绝缘击穿而引起故障扩大，为了提高供电可靠性，保证非故障区域的正常供电，必须及时找出并有选择性地切除单相接地故障。目前接地保护的横向选择性通过各级接地保护装置的工作原理实现，上、下级接地保护装置之间的纵向选择性主要靠时间差配合来实现，选择性接地保护采用的原理主要有零序电流原理、零序功率方向原理、首半波原理、谐波电流原理等，这些接地保护原理都有自身的适用范围和缺陷，经常导致选择性失效[3-6]。多种保护原理融合的综合选线原理能很大程度上提高选线的可靠性，但是现有的单台微机保护装置只能使用自身获取的故障信息，无法获取其他接地保护装置的信息，因而单台装置的信息比较少，无法很好地保证横向选择性。由于保护动作值的整定受系统绝缘参数、接地方式等的影响，很难实现上下级的合理配合，因此，单装置的保护难以保证纵向选择性。
为了保证接地保护的横向选择性和纵向选择性，应采用集中保护原理，将各配电开关处采集的电气量集中进行比较，在各保护装置信息共享的基础上，构造相应的算法和判据，实现横向和纵向选择性，纵向可以保证选择性接地保护的可靠性，智能变电站技术能够实现全站底层数据的数字化和共享化，为煤矿高压电网选择性接地保护的数字化实现方案提供了支撑。本文提出了零序全电流功率方向多支路综合判据接地保护技术，实现了煤矿高压电网接地保护的横向选择性，提出了电网拓扑节点优化矩阵算法故障区段定位技术，实现了煤矿高压电网接地保护的纵向选择性，并设计了煤矿智能变电站实现选择性接地保护的方案。
中性点经消弧线圈并电阻接地系统中，消弧线圈过补偿、全补偿和欠补偿程度小时，流过故障支路的零序无功电流矢量的方向在y轴正半轴，当欠补偿的程度比较大时，流过故障支路的零序无功电流矢量的方向在y轴负半轴。考虑消弧线圈电阻和线路对地绝缘电阻等造成的有功电流分量，故障线路零序全电流的矢量落在第二象限或第三象限内，而非故障支路零序全电流矢量落在第一象限内。零序全电流矢量关系如图2所示。
因此，全电流故障选线原理不用区分中性点是不接地方式或经消弧线圈接地方式，根据线路全电流所在的象限判别故障支路，全电流在第一象限的支路判定为非故障支路，否则，判定为故障支路。
对煤矿小电流接地系统的单相接地故障进行故障选线的仿真分析，来验证零序全电流功率方向原理的可靠性和灵敏性。
设单相接地故障发生在线路L2末端，使用PSCAD图形显示窗口观测各条支路的零序全电流与系统零序电压的相位关系。
消弧线圈全补偿时，设在0.2S时刻发生故障，类型为金属性接地，各条线路首端零序全电流相对于系统零序电压的相位。
消弧线圈过补偿时，设在0.2S时刻发生故障，故障类型为金属性接地，线路L2首端零序全电流相对于系统零序电压的相位。
对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统中经过渡电阻接地、电弧接地故障类型进行仿真，仿真结果表明零序全电流功率方向原理能够准确选出故障线路也不用区分中性点的接地方式，具有先进性。
煤矿智能变电站在逻辑功能上宜由过程层、间隔层和站控层三层组成，并用过程层网络和站控层网络两层网络实现连接和通信。煤矿变电站包括地面变电站、井下中央变电站、采区变电站等多个变电站，总的开关间隔数量大（100-200），若将整个煤矿多个变电站建成一个智能变电站，则网络上的数据流量过大，且网络的可靠性和信息传输的实时性得不到保证，因此宜按照区域集控式智能变电站的建设模式。
集控中心交换机和各变电站交换机之间的组网宜采用双重化配置的星型光纤以太网，保证信息传输的实时性和可靠性，本文实现接地保护对快速性没有严格要求，也可以采用环网方式或其他组网方式，但要保证网络的可靠性。
煤矿智能变电站，选择性接地保护是通过各智能站间隔层保护测控装置和集控中心的故障处理主机配合实现的。各智能变电站能够不依赖于集控中心独立完成采集、测量、控制和保护功能，在各变电站间隔层保护测控装置上配置零序全电流功率方向多支路综合判据选线软件，来实现接地保护的横向选择性;在集控中心保护主机上配置优化矩阵算法单相接地故障定位软件，实现全站范围内故障区段的判断，保护主机下发闭锁和允许信号，将故障区段隔离，恢复非故障区域的正常供电，实现接地保护的纵向选择性。
煤矿智能变电站实现选择性接地保护的过程为：系统中发生单相接地故障后，保护合并单元采集到的故障信息上传到间隔层保护测控装置。各站间隔层保护测控装置利用本文提出的零序全电流功率方向多支路综合判据选线软件实现同一母线上接地保护的选择性（横向选择性）。保护测控装置同时将该站各保护合并单元的零序全电流相位上传至地面集控中心保護主机，集控中心保护主机根据各间隔层保护测控装置上传的保护合并单元故障信息，构造故障信息矩阵，与网络结构矩阵进行矩阵运算，得到故障判断矩阵，从而判断出故障所在的区段，保护主机向故障所在区段的变电站保护测控装置下发保护动作允许信号，向其他变电站保护测控装置下发保护动作闭锁信号，实现全站范围内多级线路单相接地保护的选择性（纵向选择性）。
结论
本文对煤矿智能变电站全站信息共享实现煤矿高压电网选择性接地保护的方案进行了研究，提出了零序全电流功率方向多支路综合判据选线技术和电网拓扑节点优化矩阵算法故障区段定位技术，算例和仿真证明了其准确性和有效性。本文给出了一种煤矿区域集控式智能变电站的建设模式，并设计了此智能变电站实现选择性接地保护的方案，对于解决煤矿接地保护无选择问题做出了有益贡献。
参考文献
[1] 李晓阳.煤矿井下供电系统研究[J].中国高新技术企业，2010（4）：195-196.
[2] 董加庆.煤矿6kV供电系统漏电保护研究[D]. 济南：山东大学，2010.