CN110739667B - 一种防越级跳闸保护方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防越级跳闸保护方法与系统，属继电保护领域。本发明将井下供电系统各级变电站的所有保护装置，以母线为基本单位划分成多个区块后，又根据相邻级区块确定出多个区间，由区间自身判断其内部是否存在故障，若存在则区间内上级侧保护装置跳闸，并向上级保护装置发送闭锁信息；不存在则区间内上级侧保护装置闭锁，并同样向上级保护装置发送闭锁信息，同时区间内下级侧保护装置进行故障检测，检测出故障后向区间内上级侧保护装置发送闭锁信息。该方法在防止越级跳闸的基础上，使故障判断在各个变电站内部进行，减少了判断过程中信号传输的延迟，提高了保护速动性，并同时降低了通讯故障的影响范围，便于问题分析与现场事故处理。

Description

一种防越级跳闸保护方法与系统

技术领域

本发明涉及一种防越级跳闸保护方法与系统，属于煤矿供配电保护技术领域。

背景技术

在目前的煤矿井下供电系统中，从地面变电站到井下各级变电站之间，普遍采用纵向、多层级的供电结构，但由于井下供电系统各层级之间距离较近，各段供电线路阻抗较小，在发生短路故障时，各级短路故障电流大小基本一样，很难实现纵向选择性电流速断保护，因此经常出现越级跳闸事故，越级跳闸不仅对井下正常的煤炭生产造成巨大影响，还会使风机、水泵等保障安全的设备停止供电，严重威胁到人身和其他设备安全。

为解决越级跳闸的问题，现有技术采用的方法包括有，在各个保护装置之间设置物理连线后借助告警接点信号实现防越级跳闸；将各开关所连接的保护装置的采样数据统一发送到一个集中保护装置中从全网范围判断跳闸开关。

但上述方法均存在着不同的问题，所以后续又提出了如申请公布号为CN102386615A的中国专利申请中所公开的，首先将各开关连接的保护装置连接到局域网上，建立系统拓扑后，采用下级闭锁上级的逐级闭锁模式实现保护的纵向选择性，从而解决短路故障时会发生的越级跳闸问题。

但同样，该方法也存在着一定缺陷，如不能灵活扩展，无法自适应运行方式的变化，需要在供电系统变化后重新建立拓扑结构，不方便现场使用；信号传输延时较大，且通讯故障后影响范围大，不便于问题分析和现场事故处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种防越级跳闸保护方法与系统，以解决现有技术中所存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种防越级跳闸保护方法，该方法包括：

将母线区域定义为区块，将相邻的上下级母线之间的区域定义为区间；

在发生故障时，各个区间分别检测是否存在区内故障：

若不存在，则由该区间内的上级保护装置向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，同时闭锁自身保护，然后再由该区间内的下级保护装置进行故障检测，在检测到故障后向该区间的上级保护装置发送闭锁信息；

若存在，则该区间内的上级保护装置跳闸，同时向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，完成防越级跳闸保护。

本发明的有益效果是：

本发明首先将各变电站中保护装置以母线为基本单位划分成了多个区块，并在相邻级别变电站的区块之间定义得到了区间，通过使区间自身判断其内部是否存在故障，并同时向上级保护装置发送闭锁信息，使该保护方法在防越级跳闸的基础上，减少了判断过程中信号传输的延迟，且减小了通讯故障的影响范围。

进一步的，为了给出一种可具体确定母线上出线故障与母线故障的防越级跳闸保护方法，若各个区间均无区内故障，则对各个区块中的所有保护装置进行故障检测：

若某区块内的保护装置检测到故障，则该保护装置向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，同时自身跳闸，完成防越级跳闸保护；

若区块内的保护装置均未检测到故障，该区块相邻的上级区间的下级保护装置跳闸；或者，该区块相邻的上级区间的下级保护装置与该区块端部的联络开关跳闸。

进一步的，为了给出一种较优的防越级跳闸保护方法，当执行跳闸动作的保护装置拒动，则该发生拒动的保护装置的相邻上级保护装置执行跳闸动作。

为实现上述目的，本发明还提供了一种防越级跳闸保护系统，该系统包括存储模块以及执行模块，存储模块连接执行模块，执行模块用来执行存储于存储模块中的防越级跳闸保护方法，该方法包括：

将母线区域定义为区块，将相邻的上下级母线之间的区域定义为区间；

在发生故障时，各个区间分别检测是否存在区内故障：

若不存在，则由该区间内的上级保护装置向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，同时闭锁自身保护，然后再由该区间内的下级保护装置进行故障检测，在检测到故障后向该区间的上级保护装置发送闭锁信息；

若存在，则该区间内的上级保护装置跳闸，同时向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，完成防越级跳闸保护。

本发明的有益效果是：

本发明首先将各变电站中保护装置以母线为基本单位划分成了多个区块，并在相邻级别变电站的区块之间定义得到了区间，通过使区间自身判断其内部是否存在故障，并同时向上级保护装置发送闭锁信息，使该保护方法在防越级跳闸的基础上，减少了判断过程中信号传输的延迟，且减小了通讯故障的影响范围。

进一步的，为了给出一种可具体确定母线上出线故障与母线故障的防越级跳闸保护方法，若各个区间均无区内故障，则对各个区块中的所有保护装置进行故障检测：

若某区块内的保护装置检测到故障，则该保护装置向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，同时自身跳闸，完成防越级跳闸保护；

若区块内的保护装置均未检测到故障，该区块相邻的上级区间的下级保护装置跳闸；或者，该区块相邻的上级区间的下级保护装置与该区块端部的联络开关跳闸。

进一步的，为了给出一种较优的防越级跳闸保护方法，当执行跳闸动作的保护装置拒动，则该发生拒动的保护装置的相邻上级保护装置执行跳闸动作。

附图说明

图1为本发明实施例中采用了本发明防越级跳闸方法的煤矿井下供电系统示意图；

图2为本发明实施例中实现该种防越级跳闸方法的功能模块软件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明提供的方法实施例：

如图1所示为采用了本实施例的该种防越级跳闸方法的煤矿井下供电系统示意图，该供电系统至少包括井下中央变电站，以及一级采区变电站和二级采区变电站；图2为本实施例中实现该种防越级跳闸方法所采用的功能模块软件结构示意图。

本实施例的该种防越级跳闸方法的实施过程如下：

1、将同一母线下的保护装置划分到一个区块中。

如图1所示，井下中央变电站中包括有两个母线，两母线之间由联络开关L1相连，所以可将井下中央变电站具体划分为区块1以及区块2。同样地，一级、二级采区变电站也可以划分出区块3、区块4以及区块5、区块6，两变电站的左右两侧母线分别由联络开关L2以及联络开关L3连接。

在对整体供电系统进行了区块划分后，则随之可将不同级变电站的相同侧区块之间的区域，定义为不同的区间，具体如图1所示可定义出区间1-6；其中区间1与区间2，是由图中的井下中央变电站与图中未示出的地面中央变电站两者所确定的。

不论是对于区间内的保护装置之间，各个区间之间，区间与区块之间，以及整体供电系统的各个保护装置之间，都存在着上下级关系。对于区间内的保护装置，距离电源较近的保护装置为区间内上级保护装置，距离电源较远的保护装置为区间内下级保护装置；对于各个区间，距离电源较近的区间为上级区间，距离电源较远的区间为下级区间；对于区间与区块之间，距离电源较近的为上级区块或区间，距离电源较远的为下级区块或区间；对于整体供电系统的各个保护装置之间，距离电源较近的为上级保护装置，距离电源较远的为下级保护装置。

定义出区间后，各个区间内的上级保护装置与下级保护装置(如区间1中的K1与K2)便可形成差动保护逻辑，由于供电系统整体是单方向供电的，电流从电源开始逐级向下，首先流经区间内上级保护装置然后流经区间内下级保护装置，所以区间内部故障时差动保护只需要上级保护装置跳闸即可，下级保护装置仅用于切除区间下级故障。

其中，区间线路采用光纤差动保护方法完成故障判断，不受区块闭锁信号的影响，可实现速动保护和绝对的选择性。区块内部采用CAN通讯总线实现各个保护装置之间的通讯连接。

2、针对不同短路故障情况，进行防越级跳闸保护。

在划分确定了区块以及区间后，各个区间分别检测自身区间内是否存在故障，若本区间不存在区内故障，则由该区间内的上级保护装置向其相邻的上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，并同时闭锁该区间内上级保护装置，然后再由该区间内的下级保护装置进行故障检测，并在检测到故障后向该区间内的上级保护装置发送闭锁信息；

若本区间检测到区内故障，区间内上级保护装置跳闸，同时该上级保护装置向其相邻的上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，完成防越级跳闸保护。

当各个区间内均未检测到故障，则与各个区间分别相邻的下级区块，其中的所有保护装置进行故障检测，当各个保护装置中至少一个检测到故障后，则该保护装置向其相邻的上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，同时自身跳闸，完成防越级跳闸保护；当各个保护装置均未检测到故障，则该区块相邻上级区间内的下级保护装置跳闸，或者该区块相邻上级区间内的下级保护装置以及该区块端部的联络开关同时跳闸，完成防越级跳闸保护。

联络开关处的保护根据运行方式灵活判断，联络开关断开时不参与保护，联络开关合上时，通过判断电流方向来决定上下级关系，根据上下级关系来切换不同定值和确定防越级信号传递方向，根据故障位置确定保护逻辑。

传递的闭锁信息中包含故障电流、本级开关固有动作时间、收到的下级闭锁信息内容，可实现后备保护功能和故障定位。

上述保护方法中，当执行跳闸动作的保护装置拒动，则该发生拒动的保护装置的相邻上级保护装置执行跳闸动作。

上述防越级跳闸方法，可借由下述四种情况进行具体介绍，如图1所示：

(1)当出线F1处短路故障时，按联络开关处于分位状态分析。

区间1、3、5各自的区间内上级保护装置K1、K3、K5检测到是区间外故障，则闭锁自身保护，同时各自向其相邻上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，分别闭锁K1的上级保护(图中未画出)、K2以及K4；K2、K4、K6检测到故障后则向其上级保护装置(也即向其所在区间1、3、5的上级保护装置K1、K3、K5)发送闭锁信息，分别闭锁K1、K3以及K5；K71检测到故障后则向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，闭锁K6。

可看出，整个有纵联关系的保护中，只有K71未被闭锁，对故障进行了正确切除，实现了防越级跳闸保护。

而当K71发生拒动情况时，K6会在延时K71的开关固有跳闸时间后立即跳闸，其他保护由于收到两级或两级以上闭锁信息，不会快于K6跳闸，实现防一级拒动。由于闭锁信息逐级传递的方式，本方案可防多级拒动。

(2)当母线F2处短路故障时，按联络开关处于分位状态分析。

区间1、3、5各自的区间内上级保护装置K1、K3、K5检测到是区间外故障，则闭锁自身保护，同时各自向其相邻上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，分别闭锁K1的上级保护(图中未画出)、K2以及K4；K2、K4、K6检测到故障后则向其上级保护装置(也即向其所在区间1、3、5的上级保护装置K1、K3、K5)发送闭锁信息，分别闭锁K1、K3以及K5。

整个有纵联关系的保护中，只有K6未被闭锁，对故障进行了正确切除，实现了防越级跳闸保护。

而当K6发生拒动情况时，K5会在延时K6处的开关固有跳闸时间后立即跳闸，其他保护由于收到两级或两级以上闭锁信息，不会快于K5跳闸，实现防一级拒动。

(3)当进线F3处短路故障时，按联络开关处于分位状态分析。

区间1、3各自的区间内上级保护装置K1、K3检测到是区间外故障，则闭锁自身保护，同时各自向其相邻上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，分别闭锁K1的上级保护(图中未画出)以及K2；区间5的区间内上级保护装置K5检测到区间内故障，则向其上级保护装置K4发送闭锁信息，同时自身跳闸切除故障，实现防越级跳闸保护。

而当K5发生拒动情况时，K4会在延时K5处的开关固有跳闸时间后立即跳闸，其他保护由于收到两级或两级以上闭锁信息，不会快于K4跳闸，实现防一级拒动。

(4)当出线F4处短路故障时，按联络开关L3处于合位状态而联络开关L1、L2处于分位状态分析，此时区块6的进线开关在分位。

区间1、3、5各自的区间内上级保护装置K1、K3、K5检测到是区间外故障，则闭锁自身保护，同时各自向其相邻上级保护装置(也即向其相邻的上级区间内的下级保护装置)发送闭锁信息，分别闭锁K1的上级保护(图中未画出)、K2以及K4；K2、K4、K6检测到故障后则向其上级保护装置(也即向其所在区间1、3、5的上级保护装置K1、K3、K5)发送闭锁信息，分别闭锁K1、K3以及K5。

联络开关L3处的保护装置检测到故障，根据电流方向确定其上级是保护装置K6后，该保护装置向K6发送闭锁信息；保护装置K8检测到故障后，向其上级，也即联络开关L3处的保护装置发送闭锁信息。

整个有纵联关系的保护中，只有K8未被闭锁，从而对故障进行了正确切除，实现了防越级跳闸保护。

而当K8发生拒动情况时，L3会在延时K8处的开关固有跳闸时间后立即跳闸，其他保护由于收到两级或两级以上闭锁信息，不会快于L3跳闸，实现防一级拒动。

本发明该种方法，基于区块的方式将整个通讯网络划分成了各个区块网络，使实时闭锁信息的传递在各个变电站内部进行，不仅减少了信号传输的延迟，同时降低了通讯故障的影响范围，便于问题分析和现场事故处理。且区块内发生出线故障时可保证闭锁进线跳闸，区块内母线故障时又可实现进线的快速跳闸。

进一步地，对上述四种情况中所涉及的动作时间进行定量分析：

保护装置判断故障所需时间一般为15ms，为实现可靠判断，设定保护装置判断故障所用时间为20ms；任一保护装置发出闭锁信息所用时间均不超过30ms，为实现可靠保护，则统一设定任一保护装置发出闭锁信息所用时间为30ms；保护装置的保护出口通过其中的继电器动作实现，继电器的动作时间为5ms；保护装置出口保护后，需要控制一次侧的断路器执行跳闸，一次侧断路器的跳闸时间一般在35ms-65ms之间，本实施例中统一认定为60ms。

而关于各级保护装置保护出口所用时间，需分为两种情况：

对于除去区间内上级保护装置的其它保护装置而言，为解决保护选择性的问题，需设置保护装置发送闭锁信息与自身跳闸之间有5ms的延时，保证在向上级保护装置发送闭锁信息后可靠接收下级保护装置所发送的闭锁信息，且下级保护装置在5ms中多次发送闭锁信息。最终，对于所述的其它保护装置而言，其保护出口所用时间为40ms(这其中包括发送闭锁信息的30ms，延时等待的5ms，以及该保护装置中继电器动作所需的5ms)；

对于区间内上级保护装置，由于区间内的差动保护具有绝对选择性，所以区间内上级保护装置可在发送闭锁信息的同时闭锁自身保护，不需设置延时时间来接收下级保护装置发送闭锁信息，所以对于区间内上级保护装置，其保护出口所用时间为35ms(这其中包括发送闭锁信息的30ms，以及该保护装置中继电器动作所需的5ms)。

在对相关动作时间定量分析后，上述四种情况的防越级跳闸保护具体时间为：

(a)当出线F1处短路故障时，按联络开关处于分位状态分析：

K71在30ms内向K6发出闭锁信息，在40ms内完成保护出口动作，而断路器动作时间为60ms，所以K71处对应断路器在100ms(40ms+60ms)之内完成跳闸。K6在30ms内发出闭锁信息，并在30ms-35ms该段时间内多次收到闭锁信息，不会跳闸；其它保护装置由于闭锁自身保护或者收到下级保护装置所发送的闭锁信息，同样不会跳闸。

如果K71处对应断路器拒动，则K6可在180ms(100ms+20ms+60ms)之内进行保护出口并完成断路器跳闸动作，这其中包括延时K71处断路器的动作时间60ms、以及延时K71中继电器的保护返回时间20ms。

(b)当母线F2处短路故障时，按联络开关处于分位状态分析：

K6在30ms内向K5发出闭锁信息，在40ms内完成保护出口动作，而断路器动作时间为60ms，所以K6处对应断路器在100ms(40ms+60ms)之内完成跳闸。K5在30ms内发出闭锁信息，同时闭锁自身保护，不会跳闸；其它保护装置由于闭锁自身保护或者收到下级保护装置所发送的闭锁信息，同样不会跳闸。

如果K6处对应断路器拒动，则K5可在175ms(95ms+20ms+60ms)之内进行保护出口并完成断路器跳闸动作，这其中包括延时K6处断路器的动作时间60ms、以及延时K6中继电器的保护返回时间20ms。

(c)当进线F3处短路故障时，按联络开关处于分位状态分析：

K5在30ms内向K4发出闭锁信息，且由于不需延时5ms来接收闭锁信息，所以可在35ms内完成保护出口动作，而断路器动作时间为60ms，所以K5处对应断路器在95ms(35ms+60ms)之内完成跳闸。K4在30ms内发出闭锁信息，并由于K5并未在30ms后延时5ms多次发送闭锁信息，所以K4在30ms内收到闭锁信息，不会跳闸；其它保护装置由于闭锁自身保护或者收到下级保护装置所发送的闭锁信息，同样不会跳闸。

如果K5处对应断路器拒动，则K4可在175ms(95ms+20ms+60ms)之内进行保护出口并完成断路器跳闸动作，这其中包括延时K6处断路器的动作时间60ms、以及延时K6中继电器的保护返回时间20ms，而K4因并未延时5ms多次接收闭锁信息，所以其对应断路器完成跳闸时间为95ms。

(d)当出线F4处短路故障时，按联络开关L3处于合位状态而联络开关L1、L2处于分位状态分析，此时区块6的进线开关在分位：

K8在30ms内向L3发出闭锁信息，在40ms内完成保护出口动作，而断路器动作时间为60ms，所以K8处对应断路器在100ms(40ms+60ms)之内完成跳闸。L3在30ms内发出闭锁信息，并在30ms-35ms该段时间内多次收到闭锁信息，不会跳闸；其它保护装置由于闭锁自身保护或者收到下级保护装置所发送的闭锁信息，同样不会跳闸。

如果K8处对应断路器拒动，则L3可在180ms(100ms+20ms+60ms)之内进行保护出口并完成断路器跳闸动作，这其中包括延时K8处断路器的动作时间60ms、以及延时K8中继电器的保护返回时间20ms。

以上便是相关动作时间量化后四种情况下防越级跳闸方法具体过程介绍。

除此之外，本发明还提供了系统实施例：

该防越级跳闸保护系统，包括存储模块、执行模块以及存储在存储模块中并能够在执行模块上运行的计算机程序，所述执行模块在执行所述计算机程序时可实现上述方法实施例所述的防越级跳闸保护方法。

而在进行具体的编程时，由于编程语言的语法等知识是本领域的公知常识，技术人员完全有能力依据本发明具体的基于电力设备红外测温图像的增强处理方法，使用现有的编程语言(例如C语言、JAVA、汇编语言、C#、C++等)进行相应的编程，这个过程在此不予以赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种防越级跳闸保护方法，其特征在于，该方法包括：

将母线区域定义为区块，将相邻的上下级母线之间的区域定义为区间；

在发生故障时，各个区间分别检测是否存在区内故障：

若不存在，则由该区间内的上级保护装置向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，同时闭锁自身保护，然后再由该区间内的下级保护装置进行故障检测，在检测到故障后向该区间的上级保护装置发送闭锁信息；

若存在，则该区间内的上级保护装置跳闸，同时向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，完成防越级跳闸保护；

区间内的上级保护装置与下级保护装置采用光纤差动保护方法完成所述区内故障判断；

若各个区间均无区内故障，则对各个区块中的所有保护装置进行故障检测：

若某区块内的保护装置检测到故障，则该保护装置向其相邻的上级保护装置发送闭锁信息，同时自身跳闸，完成防越级跳闸保护；

若区块内的保护装置均未检测到故障，该区块相邻的上级区间的下级保护装置跳闸；或者，该区块相邻的上级区间的下级保护装置与该区块端部的联络开关跳闸。

2.根据权利要求1所述的防越级跳闸保护方法，其特征在于，当执行跳闸动作的保护装置拒动，则该发生拒动的保护装置的相邻上级保护装置执行跳闸动作。

3.根据权利要求1所述的防越级跳闸保护方法，其特征在于，区块内各保护装置利用CAN总线进行通讯连接。

4.一种防越级跳闸保护系统，其特征在于，该方法包括：

存储模块以及执行模块，存储模块连接执行模块，执行模块用来执行存储于存储模块中的权利要求1-3中任意一项所述的防越级跳闸保护方法。

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