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摘 要：该文根据我国煤矿高压电网短路保护的现状，提出一种基于以太网的选择性短路保护系统，在井下控制开关原有的智能保护器中增加了通信接口模块，并实现联机集中控制，最终实现短路保护的目的。
关键词：煤矿 高压电网 工业以太网 选择性 短路保护
中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0051-02
随着我国煤矿自动化程度越来越高，供电系统越来越复杂，在井下这种特殊环境中，维护供电安全及稳定成为工矿企业运转过程中的重点。根据《煤矿安全规程》规定，井下由采区变电所、移动变电站或配电点引出的馈电线上应装设短路保护装置。因此煤矿供电系统的短路保护必须灵敏可靠，并且为了防止发生短路故障时出现越级跳闸，井下短路保护还须具有选择性。基于以太网的矿井高压选择性短路保护系统是针对目前煤矿井下高压供电系统（6 kV或10 kV）因配电线路长导致的无法实现可靠的短路保护进而发生越级跳闸、单相接地等故障而设计的保护方案，其对矿井供电的可靠性和井下工人的安全有重要意义。
1 短路保护的实现方法
根据煤矿供电系统所需功能以及一般短路保护的缺点，确定了电网实施电流差纵保护系统，此保护不需要上下级之间的配合，不存在动作电流整定值的问题，而且能满足动作的速断性和选择性。
1.1 电流差纵保护
系统要实现选择性跳闸，如图1所示，当2点发生故障时，2点所在的干路电流会增大，而支路的电流几乎为零，2点断路器应该无延时跳闸。当1点发生故障时，故障电流流过2点，为避免发生越级跳闸现象，采用0.1 s的延时，1点故障排除后系统恢复正常，2点不会跳闸。当母线3点发生故障时，2点断路器应该无延时跳闸，但也延时0.1 s，是个隐患。所以我们采用电流向量差来区别1点和3点的短路故障，即△I=I0-I1-I2-I3。电流差动保护判据是基于基尔霍夫定律的一种判据，以母线作为结点流入结点的电流和流出结点的电流是相等的。因此当1点故障时△I=0，当3故障时△I≠0而且△I≈I0。
由于下井电缆线路属于单向供电，所以正常电流和短路电流都是自上而下流动，可以从幅值的角度对纵差保护动作特性进行分析。如图2所示，|I0|分别为1、2短路点电流幅值，其中k=|I0|/|I0|，下面论述第一象限四个分区的含义：
A表示K>>2，即|I0|很大，|I2|却很小，说明图中3点母线上发生短路，此时干路的断路器应该无延时地断开。B表示12，这是正常运行状态。D表示|I0|<|I2|，E区表示|I0|、|I0|都极小，这两种情况都是不可能出现的，所以视作空白区域。
综上所述，正常情况下利用根据具体系统参数整定的K值和电流幅值即可实现没有延时的纵向短路保护选择性。但是考虑到极端情况下，支路电流在正常运行情况下接近干路电流，那就进入了B区工作状态，这种情况下需要对保护进行延时0.1 s的处理，使保护不会因为此支路短路而发生越级跳闸现象。
1.2 全电网短路保护系统
系统在实现电流差纵保护的基础上，应对矿井供电线路全电网进行智能监控。如图3所示，要实现以太网络对远距离供电线路的监控作用，保护系统设置为：保护装置内利用纵差保护原理对配电处进行短路保护；同时将智能保护器内电网监测数据利用以太网传送给系统分机再传送给主机，主机在接受各个分机数据的同时计算机主机内利用软件确保主机显示为统一时刻的电网电流。这样，当保护装置在一定时间内无动作，经过主机简单的逻辑判断，既可实现选择性短路保护的作用。
2 全电网短路保护系统的硬件实现方法
整个短路保护系统需要监控的支路很多，需要系统对数据处理有较强的能力，且动作时间短，故选用DSP（数字信号处理器）作为分机数据处理的核心。并将数据通过工业以太网络上传至控制主机，最终实现全电网短路实时保护。
2.1 分机数据处理器
系统输入信号是电网中被监测的母线相电流、支路相电流，输入信号开关内部智能保护器送入DSP芯片CPU中，对其进行数字信号的处理、运算，并对当前状态进行判断等操作，通过RS-485接口将数据传送给远程显示面板，通过安装以太网模块可以实现与以太网连接，实现人机对话，可方便查找和排除故障。
2.2 工业以太网络设计
工业以太网是基于国际标准IEEE 802.3的开放式网络，网络规模可达1024站，距离可达1.5 km（电气网络）或200 km（光纤网络），其传输速率高，占用总线时间极短。
为了将DSP接入以太网，计算机应安装以太网网卡，DSP应配备以太网模块CP-243-1或互联网模块CP-243-1 IT。可以用以太网向导和因特网向导配置对应的连接模块。使用以太网时，在编程软件中应配置TCP/IP，在“通信”对话框中，应为网络中的每个以太网/互联网模块进行指定远程IP地址。通过工业以太网和SETP 7 Micro/WIN，可以实现分机系统远程编程，组态和诊断。
3 结语
根据井下供电电网现状，该文提出了一种基于以太网络的选择性短路保护系统，此系统不仅解决了煤矿电网短路危害，增强了电网供电的可靠性与安全性，避免了因电网短路造成矿井大面积停电现象，同时提高了煤矿自动化程度，实现了高压电站无人值守的目的。是对工矿企业供电保护的新探索，将工业以太网应用于矿井供电系统中是矿井供电监控新的思路，需要实际应用来验证其可靠性和实用性。
参考文献
[1] 张凯.基于防爆工业以太网的煤矿安全多元素信息监管系统[J].中州煤炭，2009（2）.
[2] 史丽萍.基于CAN网通信的选择性短路保护的研究[J].电力系统保护与控制，2011（8）.
[2] 黄绍平.低压配电系统短路保护选择性配合[J].电气开关，1996（2）.
关键词：煤矿 高压电网 工业以太网 选择性 短路保护
中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0051-02
随着我国煤矿自动化程度越来越高，供电系统越来越复杂，在井下这种特殊环境中，维护供电安全及稳定成为工矿企业运转过程中的重点。根据《煤矿安全规程》规定，井下由采区变电所、移动变电站或配电点引出的馈电线上应装设短路保护装置。因此煤矿供电系统的短路保护必须灵敏可靠，并且为了防止发生短路故障时出现越级跳闸，井下短路保护还须具有选择性。基于以太网的矿井高压选择性短路保护系统是针对目前煤矿井下高压供电系统（6 kV或10 kV）因配电线路长导致的无法实现可靠的短路保护进而发生越级跳闸、单相接地等故障而设计的保护方案，其对矿井供电的可靠性和井下工人的安全有重要意义。
1 短路保护的实现方法
根据煤矿供电系统所需功能以及一般短路保护的缺点，确定了电网实施电流差纵保护系统，此保护不需要上下级之间的配合，不存在动作电流整定值的问题，而且能满足动作的速断性和选择性。
1.1 电流差纵保护
系统要实现选择性跳闸，如图1所示，当2点发生故障时，2点所在的干路电流会增大，而支路的电流几乎为零，2点断路器应该无延时跳闸。当1点发生故障时，故障电流流过2点，为避免发生越级跳闸现象，采用0.1 s的延时，1点故障排除后系统恢复正常，2点不会跳闸。当母线3点发生故障时，2点断路器应该无延时跳闸，但也延时0.1 s，是个隐患。所以我们采用电流向量差来区别1点和3点的短路故障，即△I=I0-I1-I2-I3。电流差动保护判据是基于基尔霍夫定律的一种判据，以母线作为结点流入结点的电流和流出结点的电流是相等的。因此当1点故障时△I=0，当3故障时△I≠0而且△I≈I0。
由于下井电缆线路属于单向供电，所以正常电流和短路电流都是自上而下流动，可以从幅值的角度对纵差保护动作特性进行分析。如图2所示，|I0|分别为1、2短路点电流幅值，其中k=|I0|/|I0|，下面论述第一象限四个分区的含义：
A表示K>>2，即|I0|很大，|I2|却很小，说明图中3点母线上发生短路，此时干路的断路器应该无延时地断开。B表示1
综上所述，正常情况下利用根据具体系统参数整定的K值和电流幅值即可实现没有延时的纵向短路保护选择性。但是考虑到极端情况下，支路电流在正常运行情况下接近干路电流，那就进入了B区工作状态，这种情况下需要对保护进行延时0.1 s的处理，使保护不会因为此支路短路而发生越级跳闸现象。
1.2 全电网短路保护系统
系统在实现电流差纵保护的基础上，应对矿井供电线路全电网进行智能监控。如图3所示，要实现以太网络对远距离供电线路的监控作用，保护系统设置为：保护装置内利用纵差保护原理对配电处进行短路保护；同时将智能保护器内电网监测数据利用以太网传送给系统分机再传送给主机，主机在接受各个分机数据的同时计算机主机内利用软件确保主机显示为统一时刻的电网电流。这样，当保护装置在一定时间内无动作，经过主机简单的逻辑判断，既可实现选择性短路保护的作用。
2 全电网短路保护系统的硬件实现方法
整个短路保护系统需要监控的支路很多，需要系统对数据处理有较强的能力，且动作时间短，故选用DSP（数字信号处理器）作为分机数据处理的核心。并将数据通过工业以太网络上传至控制主机，最终实现全电网短路实时保护。
2.1 分机数据处理器
系统输入信号是电网中被监测的母线相电流、支路相电流，输入信号开关内部智能保护器送入DSP芯片CPU中，对其进行数字信号的处理、运算，并对当前状态进行判断等操作，通过RS-485接口将数据传送给远程显示面板，通过安装以太网模块可以实现与以太网连接，实现人机对话，可方便查找和排除故障。
2.2 工业以太网络设计
工业以太网是基于国际标准IEEE 802.3的开放式网络，网络规模可达1024站，距离可达1.5 km（电气网络）或200 km（光纤网络），其传输速率高，占用总线时间极短。
为了将DSP接入以太网，计算机应安装以太网网卡，DSP应配备以太网模块CP-243-1或互联网模块CP-243-1 IT。可以用以太网向导和因特网向导配置对应的连接模块。使用以太网时，在编程软件中应配置TCP/IP，在“通信”对话框中，应为网络中的每个以太网/互联网模块进行指定远程IP地址。通过工业以太网和SETP 7 Micro/WIN，可以实现分机系统远程编程，组态和诊断。
3 结语
根据井下供电电网现状，该文提出了一种基于以太网络的选择性短路保护系统，此系统不仅解决了煤矿电网短路危害，增强了电网供电的可靠性与安全性，避免了因电网短路造成矿井大面积停电现象，同时提高了煤矿自动化程度，实现了高压电站无人值守的目的。是对工矿企业供电保护的新探索，将工业以太网应用于矿井供电系统中是矿井供电监控新的思路，需要实际应用来验证其可靠性和实用性。
参考文献
[1] 张凯.基于防爆工业以太网的煤矿安全多元素信息监管系统[J].中州煤炭，2009（2）.
[2] 史丽萍.基于CAN网通信的选择性短路保护的研究[J].电力系统保护与控制，2011（8）.
[2] 黄绍平.低压配电系统短路保护选择性配合[J].电气开关，1996（2）.