煤矿供电防越级跳闸保护系统
——DMP5000 数字式变电站介绍及架构
供电系统是矿井安全生产的基础环节，随着采煤工作面向井下延
伸，矿井供电距离较长，供电级数多，关系复杂，继电保护计算难度
大，造成越级跳闸现象不可避免的发生，威胁矿井安全生产。为预防
越级跳闸，减少事故跳闸的次数通过研究提出了对井下高爆开关更换
了防越级跳闸保护系统预防越级跳闸的供电网络技术方案。这一方案
的原理是，借助数字化变电站技术，通过使用高速大容量的最新处理
技术及高精度同步时钟的专利技术及基于高速光纤通信网络的光纤
纵差保护模块、全站零序电流的漏电保护模块，来解决煤矿供电系统
广泛存在的越级跳闸问题，提高供电系统的供电可靠性。
数字化变电站目前是由智能化一次设备、网络二次设备在
IEC61850 通信规范基础上分层构建能能够实现智能设备间信息共享
和互操作的现代化变电站。我矿现设计装设的数字化变电站系统为
DMP5000 数字化变电站系统。
现根据 DMP5000 数字化变电站系统架构过程对其进行介绍：
1、概述
DMP5000 系列数字化变电站系统是基于 IEC61850 架构的新一
代变电站自动化系统，能实现变电站内智能电气设备间信息互享和互
操作的现代化变电站。系统对变电站系统模型、二次功能模型进行描
述，对应用与通信技术进行分层处理，由过程层、间隔层、站控层 3
个层次构成。过程层与一次设备紧密相连，完成数据采集及执行操作、
数据传递；间隔层实现变电站内设备的保护与控制，并实现相关的控
制闭锁和间隔级信息的人机交互功能；站控层完成对站内间隔层设备、
一次设备的控制及与远方控制中心、工程师站及人机界面通信的功能。
本系统具有以下特点：
1、 系统基于 IEC61850 的架构和应用模型及功能描述；
2、过程层数据通信装置采集全站数据，实现全站采样数据共享；
3、系统能接入第三方装置，系统扩容方便快捷；
4、过程层采集装置高速采样，速率达
及后续新的应用分析；支持光纤以太网，能实现与电子式互感器通信；
5、保护装置接收全站采样数据，单台保护装置能完成 48 个间隔
的保护及测量，各个保护之间在装置内部互相配合，大大提高保护的
可靠性；
6、保护双重化配置，安全可靠，任一设备故障能及时告警，且
不影响整个系统运行；
7、大大减少一次电缆及二次设备，降低前期投入及后期维护费
用；
8、系统改造简单，易于扩充。
2、系统架构
在互感器和开关处就地加装智能终端装置实现模拟量数字化传
输和开关、刀闸的数字化操作。过程层网络内采集装置与通信装置之
间采用双光纤网通信，数据速率 value="3" UnitName="m">3M，满足
9 通道实时数据传输；站控层网络采用单网或双网通信，通信方式为
工业以太网。保护装置与通信装置采用双重化。
变电站采用两套复用的保护测控装置，每套保护测控装置由两台
独立的保护测控装置构成，其中一台保护测控装置主要完成单间隔保
护，如线路保护；另一台保护测控装置主要完成跨间隔保护,如主变、
差动及备自投保护。
数字化变电站系统整体架构：
图中智能终端装置能就地采集 8 路模拟量和 22 路开入量，8 路
开出量及操作回路。模拟量采样频率为 256 点/周期。分为户内、户
外两种装置。
数据通信装置通过 value="3" UnitName="m">3M 光纤接口汇总
各采集装置的实时采样数据，通过高速光纤传递给保护测控装置。
保护测控装置通过光纤接收采样数据和发送控制命令，能实现
48 个间隔的保护测控功能。
采样数据通过光纤传递给数据通信装置 A、B，通信装置 A、B
分别把数据传递给保护测控装置 A、B。其中装置 A、B 为双重化的
两套设备。数据智能终端装置的数据汇总到数据通信装置，每个通信
装置向各自网络的保护测控装置传递全站数据，采样数据使用由保护
测控装置决定。智能终端装置接收来自保护测控装置的控制命令并执
行出口。通信装置由同步机对时和同步，并控制智能终端装置全站同
步采样，并对保护装置、测控装置和采集装置授时。
3．过程层设备
过程层设备主要包括电子式互感器、智能一次设备。本站改造没
有选用电子式互感器，使用传统互感器加智能终端实现模拟量数字化。
过程层设备与过程层网络设备之间采用点对点的通信方式，通信
介质为光纤。过程层设备具有自我检测、自我描述功能。
3．1 互感器的配置：
互感器按间隔配置，每个开关间隔配置一组电流互感器。
每段母线配置一组电压互感器；
3．2 智能终端：
智能终端装置在本系统内为智能终端装置，是将传统一次设备接
入过程层总线的设备，它输入开关位置、刀闸位置、状态信息及接收
传统互感器的模拟量信号，输出跳合闸命令及告警信号，带有操作回
路。
3．3 智能终端装置的基本功能：
通过过程层网络给间隔层设备提供一次设备信息，接受间隔层设
备的控制命令；
采集传统互感器的模拟量信息并进行 AD 转换，接受电子互感器
的光信号；
采集开关及刀闸的位置信号、状态信息、输出跳合闸命令；
本体智能终端输入非电量、档位等信号，输出档位控制、风扇控
制等接点。
3．4 数据通信装置的配置：
数据通信装置为全站数据的合并器，单台数据通信装置能接收多
达 48 路采集装置的实时数据信号，汇总后以光信号对保护控制装置
提供采样数据，也可经过协议转换设备与第三方装置进行数据交换；
在本站内，配有两台数据通信装置，采用双重化配置；
接收来自同步装置的同步采样信号及授时，并对保护装置进行授
时，对采集装置进行采样同步，实现采集装置的同步采样功能；
给智能终端装置传递来自保护装置的控制命令；
同步装置接受来自卫星的同步时钟或与所变电压同步，能进行全
站对时和对通信装置进行同步命令，并通过通信装置控制智能终端装
置进行同步采样。
4.间隔层设备
间隔层设备含有保护及测控设备、测量表计等。对本站数字化改
造中，配有四台保护控制设备及若干表计。
保护测控设备由高性能的 32 位浮点 DSP 构成保护测量回路，由
32 位 CPU 实现通信及显示功能，单台保护测控装置能在 2mS 内完成
变电站内所有保护及测量功能，各个保护测控功能之间采用多线程调
度模型，线程与间隔之间采用对应模式，任一保护故障不影响其他保
护功能运行。所有通信数据依照 IEC61850 建模，具有完善的自我描
述功能，与站控层之间采用 100M 以太网通信。
保护测控装置组屏安装，共有四台装置，其中每两台保护测控装
置构成一组，完成变电站内所有一次设备的保护控制，包括 35KV 线
路保护、主变保护、10KV 线路保护、母联开关保护、电容器保护、
备自投、无功控制。非电量保护由智能终端装置直接完成。
变电站内由完全相同的两组保护控制装置构成，两组保护装置采
用“或”的关系，任一组设备拒动不会导致开关拒动。在同一组内的两
台保护装置内，由于接受了全站采样数据进行综合判断，保护的可靠
性大大提高；同时，每组保护装置的下发命令带有自我描述信息，采
集装置接受来自同组内的不同保护装置的控制命令并进行分析，确保
任一保护误动不会导致智能终端装置出口从而导致开关误动。
电能表计：
采用数字电能表计，表计组屏安装，实时采样数据从数据通信装
置获得。
第三方装置：
第三方装置需具有数字接口，接收来自通信装置的实时采样数据，
控制命令通过协议转换装置通过保护装置下发给智能终端装置。
5.站控层设备
站控层设备包括管理机、远动工作站、监控主机、监控软件 SE900
等。其主要功能为变电站提供运行、管理、工程配置的界面，并记录
变电站内的相关信息。同时，可将站内信息转化为远动和集控设备所
能接受的协议规范，实现监控中心远方控制。
站控层设备建立在 IEC61850 的模型基础上，具有面向对象的统
一数据建模。与站外接口设备能将站内协议转换成相应的远动规约。
所有站控层设备采用百兆工业以太网，并按照 IEC61850 进行建模和
信息传输。
6、煤矿供电系统的应用方案
在井下配电系统和可能出现越级跳闸的地面 6KV 线路安装智能
测控终端，采用高速光纤网络将采样的数据上传至位于地面开闭所或
变电站的集成保护测控装置。基于全站数据共享的保护装置按如下原
则配置保护和自动装置：
1）在各变电所之间的联络线配置双侧线路差动保护、三端线路
差动保护；在各变电所母线配置母线差动保护；在负荷线路配置保护
线路全长的过流速断保护，由于以上速冻保护完全覆盖了整个配电系
统且均有明确的动作区，配电系统任一处故障时保护均能按最小停电
原则立即动作因此完全解决了越级跳闸问题。
2）在各线路配置基本线路保护：方向过流保护，低压保护，过
压保护，过负荷告警，PT 断线告警，CT 断线告警。
3）配置基于全系统零序电流的漏电保护。
4）为每个井下变电所配置备用自投软件模块，实现变电站进线
备自投。
5）为每条线路配置故障定位和测距模块，故障时测距误差小于
%，保护动作时能发故障定位报文，方便工作人员查找故障点。
合并单元有保护功能，当合并单元和交换服务器的通讯完全中断
时能提供 3 段式过流保护、过负荷保护等保护。
由于井下配电系统庞大，需安装较多合并单元，为确保采样数据
及时上送，采用将来自智能终端的数据经交换服务器合并后直接上送
地面开闭所保护屏上的集成保护测控装置的方式。
本方案实现了保护盒测控系统的全数字化，保护配置灵活，充分
发挥了 DMP50000 系统的优点，彻底解决了越级跳闸的问题，并且
提供基于全系统零序电流的漏电保护功能。
该系统的使用将有利的保证了井下供电的安全，减少事故跳闸次
数，防止越级跳闸造成井下大面积停电。解决煤矿供电系统广泛存在
的越级跳闸问题，提高供电系统的供电可靠性，保证矿井安全生产。
