TSN网络与DIOS融合：破解煤矿井下电力系统越级跳闸难题

一、引言

1.1 研究背景与意义

        在现代煤矿生产中，井下电力系统作为整个煤矿生产的动力核心，其重要性不言而喻。煤矿井下的各类机械设备，如采煤机、刮板输送机、通风机、排水泵等，都依赖稳定的电力供应才能正常运行。电力系统的稳定运行不仅是保障煤矿生产效率的关键，更是确保煤矿安全生产的基石。一旦井下电力系统出现故障，将会对煤矿生产和人员安全造成严重威胁。

        越级跳闸是煤矿井下电力系统中较为常见且危害极大的故障之一。当井下某一区域发生短路、漏电等故障时，本应由故障点附近的下级保护装置动作切断故障线路，但由于各种原因，上级保护装置反而先于下级保护装置动作跳闸，这种现象即为越级跳闸。越级跳闸会导致停电范围大幅扩大，远远超出故障点所在的局部区域，从而造成井下大面积停电。这不仅会使正在运行的采掘设备突然停止工作，中断煤炭生产进程，导致生产效率大幅下降，增加生产成本；还会使通风机停止运转，导致井下通风不畅，瓦斯等有害气体无法及时排出，极易引发瓦斯积聚甚至爆炸等严重安全事故，对井下工作人员的生命安全构成巨大威胁；此外，排水泵停止运行可能导致井下积水无法及时排出，进而淹没巷道和设备，损坏矿井设施，给煤矿企业带来巨大的经济损失。

        目前，煤矿井下电力系统中传统的防越级跳闸技术存在诸多局限性。例如，基于时间级差配合的过流保护方式，由于井下供电线路短、级数多，难以通过增加时间级差来保证保护的选择性，在实际运行中容易出现上下级保护同时动作或上级保护抢先动作的情况；而一些采用简单闭锁原理的防越级跳闸系统，受通信可靠性和实时性的影响较大，在复杂的井下电磁环境中，信号传输容易受到干扰，导致闭锁信号误发或漏发，无法有效防止越级跳闸的发生。随着煤矿开采深度的增加和开采规模的扩大，井下电力系统的结构变得更加复杂，负荷变化也更加频繁，对电力系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求，传统技术已难以满足这些需求。

        为了解决煤矿井下电力系统越级跳闸这一难题，本文引入了 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS。TSN 网络作为一种新兴的工业以太网技术，具有高精度时钟同步、低延时和高可靠性等优势，能够为井下电力系统提供稳定、高速的通信网络，确保保护装置之间的信息能够实时、准确地传输。而分布式低延时高可靠控制系统 DIOS，采用分布式架构，各个节点具有独立的处理能力和决策能力，能够快速响应故障信号，实现对电力系统的实时监测和精准控制，有效提高了系统的可靠性和快速性。通过将 TSN 网络和 DIOS 相结合，有望构建一个高效、可靠的煤矿井下电力系统防越级跳闸解决方案，为煤矿安全生产提供有力保障。研究这一解决方案不仅对于提高煤矿井下电力系统的稳定性和可靠性具有重要的理论意义，更为煤矿企业的安全生产和可持续发展提供了关键的技术支持，具有重大的实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

        在煤矿井下电力系统越级跳闸问题的研究上，国内外学者和工程师都进行了大量探索，取得了一系列成果，但也存在一定的局限性。

        国外在煤矿井下供电系统防越级跳闸技术方面起步相对较早，形成了较为成熟的理论体系和技术方案。例如，在通信技术应用上，部分国家采用先进的光纤通信技术实现线路两侧电流信息的实时交换，像光纤纵差保护技术，利用光纤通信将输电线路两端的电流幅值及相位信息通过专用光纤网络传送到对端进行比较，以此判断本线路范围内是否发生短路故障 ，线路外部故障时纵差保护不动作，内部故障时光纤纵差保护动作。这种技术原理简单明了，上下级配电线路的保护测控装置动作电流值不需要相互配合，能快速可靠地切除故障。在保护装置方面，研发出智能化程度较高的保护设备，具备自适应能力，可根据电网运行状态自动调整保护定值。

        国内在该领域也有一定的研究基础。在防越级跳闸技术分类上，集中式防越级跳闸技术通过中央控制器集中采集各开关的电流、电压等信息，根据预设的逻辑判断故障位置，并下达跳闸指令，这种方式控制逻辑简单，易于实现，对开关设备要求较低，成本相对较低；分布式防越级跳闸技术则是各开关设备具备独立的保护功能，通过相互之间的通信实现信息共享和协同动作，提高了保护的可靠性和速动性 。部分煤矿企业通过改进保护装置性能来降低越级跳闸的发生概率，采用高性能的微机保护装置，实现对井下供电系统的快速、准确保护，并完善保护装置的定值管理，根据井下供电系统的实际情况合理设置保护装置的定值。还有一些通过划分井下供电区域，采用区域联锁保护技术，实现区域间联锁保护，当一个区域发生故障时，其他区域能够迅速响应并采取相应的保护措施，避免越级跳闸的发生。

        然而，现有研究仍存在不足。一方面，传统的基于时间级差配合的过流保护方式，在井下供电线路短、级数多的情况下，难以通过增加时间级差来保证保护的选择性，容易出现上下级保护同时动作或上级保护抢先动作的情况。另一方面，现有的防越级跳闸系统在通信可靠性和实时性方面存在问题。例如，采用简单闭锁原理的防越级跳闸系统，受通信可靠性和实时性的影响较大，在复杂的井下电磁环境中，信号传输容易受到干扰，导致闭锁信号误发或漏发，无法有效防止越级跳闸的发生。而且，现有的一些解决方案在应对井下电力系统复杂多变的运行方式时，适应性不足，难以满足煤矿开采深度增加、开采规模扩大以及电力系统结构日益复杂、负荷变化频繁等新情况下对电力系统稳定性和可靠性的更高要求。

        本文引入 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS，旨在弥补现有研究的不足。TSN 网络的高精度时钟同步、低延时和高可靠性等优势，能为井下电力系统提供稳定、高速的通信网络，解决现有通信技术在井下电磁环境中信号传输不稳定的问题；分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的分布式架构和各节点独立的处理、决策能力，可快速响应故障信号，实现对电力系统的实时监测和精准控制，提高系统在复杂运行方式下的适应性和可靠性，为煤矿井下电力系统防越级跳闸提供更有效的解决方案 。

1.3 研究方法与内容

        本文综合运用多种研究方法，深入探究煤矿井下电力系统越级跳闸问题及基于 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的解决方案，具体研究方法和内容如下：

• 研究方法：

• • 文献研究法：广泛查阅国内外关于煤矿井下电力系统越级跳闸、TSN 网络、分布式控制系统等方面的文献资料，梳理现有研究成果，分析传统防越级跳闸技术的不足，以及 TSN 网络和 DIOS 在该领域应用的研究现状，为本文的研究提供理论基础和研究思路。例如，通过对多篇相关论文的研读，了解到国内外在防越级跳闸技术上的不同发展阶段和应用案例，明确了当前研究的热点和难点问题。

• • 案例分析法：选取典型煤矿井下电力系统实际运行案例，深入分析越级跳闸事故发生的原因、过程及造成的危害，总结经验教训。同时，对已应用相关新技术的煤矿案例进行研究，分析其应用效果和存在的问题，为本文提出的解决方案提供实践依据。比如，通过对某煤矿在一次越级跳闸事故中的详细数据和事故报告进行分析，找出了该煤矿供电系统在保护装置配置、通信可靠性等方面存在的问题，为后续针对性的改进提供了方向。

• • 技术原理剖析法：深入剖析 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的技术原理、关键特性及在煤矿井下电力系统中的应用优势。详细阐述 TSN 网络如何实现高精度时钟同步、低延时数据传输，以及 DIOS 如何通过分布式架构实现快速响应和精准控制，为构建基于这两种技术的防越级跳闸解决方案提供技术支撑。通过对 TSN 网络协议的深入研究，明确了其在井下复杂电磁环境下保证通信稳定性的机制；对 DIOS 的分布式算法进行分析，理解了其各节点协同工作实现快速故障处理的原理。

• 研究内容：

• • 煤矿井下电力系统越级跳闸问题分析：详细阐述煤矿井下电力系统的结构特点和运行特性，分析越级跳闸产生的原因，包括短路故障、继电保护整定值不合理、通信故障等。研究越级跳闸对煤矿生产和安全带来的危害，如导致大面积停电影响生产进度、引发瓦斯积聚和爆炸等安全事故、造成设备损坏和经济损失等，明确解决该问题的紧迫性和重要性。

• • TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 技术研究：深入研究 TSN 网络的技术原理，包括其时钟同步机制、流量整形和调度策略、网络拓扑结构等，分析其在煤矿井下复杂环境下实现稳定、高速通信的优势和可行性。同时，对分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的架构设计、工作原理、节点间通信机制以及故障处理策略进行详细研究，探讨其如何实现对电力系统的实时监测和精准控制，为解决越级跳闸问题提供技术支持。

• • 基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸解决方案设计：结合煤矿井下电力系统的实际需求和特点，提出基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸解决方案。设计系统的整体架构，包括 TSN 网络的拓扑结构搭建、DIOS 节点的分布与配置、保护装置与通信网络的连接方式等。制定系统的工作流程和控制策略，明确在故障发生时，如何通过 TSN 网络快速传输故障信息，DIOS 如何根据这些信息进行实时分析和决策，实现准确、快速的故障隔离，有效防止越级跳闸的发生。

• • 方案的仿真验证与实际应用分析：利用仿真软件对提出的解决方案进行模拟仿真，设置各种故障场景，验证方案在不同情况下的有效性和可靠性。通过仿真结果分析，评估系统的性能指标，如故障检测时间、跳闸动作时间、保护的选择性和灵敏性等，对方案进行优化和改进。同时，对该方案在实际煤矿井下电力系统中的应用进行分析，探讨应用过程中可能遇到的问题及解决措施，为方案的实际推广应用提供参考。

二、煤矿井下电力系统越级跳闸危害剖析

2.1 安全威胁

2.1.1 瓦斯爆炸与燃烧风险

        煤矿井下环境复杂，存在大量瓦斯等易燃易爆气体，瓦斯爆炸和燃烧是煤矿安全生产中最严重的事故类型之一。当井下电力系统发生越级跳闸时，首当其冲的是导致通风机停运。通风机作为维持井下空气流通的关键设备，一旦停止运转，井下的瓦斯等有害气体无法及时排出，就会迅速积聚。瓦斯的主要成分是甲烷，其在空气中的爆炸极限为 5% - 16%，当瓦斯浓度处于这个范围内，遇到火源就极有可能引发爆炸或燃烧。

        以山西平遥峰岩煤焦集团有限公司下属的明子煤业和二亩沟煤业在 2023 年 2 月 12 日发生的事故为例，因地面辅助生产区的 1 号 S11 - M - 1000 10/0.4kV 型变压器故障，造成向二亩沟 35kV 开闭所站供电的一回路（洪山线）供电线路越级跳闸，致使两座煤业发生大面积停电，主要通风机停止运行。仅二亩沟煤业矿井主要通风机就长达 3 小时 23 分停止运转，井下局部通风机停风，导致井下三个地点瓦斯浓度超限报警，其中 4102 综采工作面回风隅角和 4102 综采工作面瓦斯浓度超过 3%，甲烷传感器最大显示值均为 3.99%。若当时井下存在火源，后果不堪设想，极有可能引发瓦斯爆炸或燃烧，造成重大人员伤亡和财产损失 。

        瓦斯爆炸和燃烧会产生高温、高压和强大的冲击波。高温可瞬间达到上千摄氏度，足以熔化设备和巷道中的金属部件，烧毁电缆、支架等设施，使井下作业环境遭受严重破坏；高压会对巷道、工作面等造成巨大的压力，导致顶板垮塌、巷道变形，掩埋井下人员和设备；强大的冲击波则如同一股毁灭性的力量，能够摧毁沿途的一切，将设备、物料抛向远方，对人员造成直接的撞击伤害，同时冲击波还会扬起大量的煤尘，进一步加剧爆炸的危害程度，形成二次爆炸的风险。

2.1.2 人员窒息风险

        通风机的正常运转对于维持井下空气含氧量至关重要。一旦电力系统越级跳闸导致通风机停止工作，井下空气无法正常流通，氧气的补充中断，而井下人员的呼吸会持续消耗氧气，使得井下空气中的含氧量迅速下降。当空气中的含氧量低于 18% 时，人就会出现呼吸急促、头晕、乏力等症状；当含氧量低于 12% 时，人会迅速失去知觉，陷入昏迷状态；若含氧量继续降低，将导致人员窒息死亡。

        在煤矿井下，人员窒息的风险不仅来自于氧气含量的下降，还与有害气体浓度的升高密切相关。通风机停转后，瓦斯、一氧化碳等有害气体无法排出，在有限的空间内不断积聚。一氧化碳是一种无色、无味、无臭的气体，具有很强的毒性，它与人体血红蛋白的结合能力比氧气强 200 - 300 倍，一旦吸入人体，会迅速与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白失去携带氧气的能力，导致人体组织缺氧，引发中毒窒息。即使在氧气含量看似正常的情况下，少量的一氧化碳也可能对人体造成致命的伤害。

        例如，在一些因越级跳闸导致通风机停运的事故中，井下人员在短时间内就感受到呼吸困难、头晕目眩，由于无法及时撤离现场，最终因窒息而失去生命。人员窒息事故不仅给遇难者家庭带来巨大的悲痛，也对煤矿企业造成了严重的负面影响，包括生产停滞、经济损失以及社会声誉受损等。

2.2 生产中断与经济损失

2.2.1 排水系统故障导致的损失

        煤矿井下排水系统是保障矿井安全的重要设施之一，其主要作用是及时排出井下的积水，防止巷道被淹，确保煤矿生产的正常进行。主排水泵作为排水系统的核心设备，需要稳定的电力供应来维持其正常运行。一旦电力系统发生越级跳闸，主排水泵将停止工作，井下积水无法及时排出，水位会迅速上升，进而淹没巷道和作业场所。

        以 2018 年发生在某煤矿的一起事故为例，该煤矿井下电力系统因短路故障引发越级跳闸，导致主排水泵停运。由于排水系统失效，短短几个小时内，井下多个巷道就被积水淹没，积水深度达到数米。这次事故不仅使正在运行的采煤、运输等设备被水浸泡，造成设备严重损坏，直接经济损失高达数百万元；还导致该煤矿的生产活动被迫中断长达数月之久。在恢复生产前，煤矿企业需要投入大量的人力、物力和财力进行排水、设备维修和巷道修复等工作。据统计，此次事故的间接经济损失，包括停产期间的煤炭产量损失、人员工资支出、设备闲置成本以及后续的复产费用等，累计超过了数千万元 。若积水情况严重且长时间无法得到有效控制，甚至可能导致煤矿报废，使煤矿企业前期投入的巨额建设成本付诸东流，造成不可挽回的经济损失。

2.2.2 生产设备损坏与维修成本

        越级跳闸时，电力系统的瞬间断电和来电过程会产生电压波动、电流冲击等异常情况，这些异常对煤矿井下的生产设备具有极大的破坏力。许多生产设备，如采煤机、刮板输送机、破碎机等，在正常运行时对电力的稳定性要求较高。当越级跳闸发生时，设备可能会因瞬间的过电压、过电流而损坏内部的电子元件、电机绕组、接触器等关键部件。

        例如，在某煤矿的一次越级跳闸事故中，一台正在运行的采煤机因电力瞬间中断又恢复，导致其控制系统的电路板被击穿，电机绕组烧毁。经评估，仅维修这台采煤机就需要更换大量的零部件，维修成本高达数十万元。而且，由于采煤机是煤矿生产的关键设备，其维修期间导致整个采煤工作面的生产停滞，每天造成的煤炭产量损失价值数万元，严重延误了生产进度。再如，刮板输送机在越级跳闸的冲击下，其链条可能会因瞬间的巨大拉力而断裂，驱动电机也可能受损，修复这些故障不仅需要耗费大量的资金购买新的链条和电机，还需要专业技术人员进行长时间的维修和调试，导致生产中断，给煤矿企业带来了巨大的经济损失。此外，频繁的越级跳闸还会对设备的使用寿命产生负面影响，即使设备在故障后被修复，其后续运行的稳定性和可靠性也会降低，增加了设备再次出现故障的风险，进一步增加了维修成本和生产延误的可能性。

三、煤矿井下电力系统越级跳闸原因深度解析

3.1 电力系统特性因素

3.1.1 线路结构与短路电流特性

        煤矿井下供电线路与地面常规供电线路相比，具有显著不同的特点。其线路通常较短，一般在数千米以内，且为了满足井下不同区域和设备的用电需求，采用了分级多的供电方式，从中央变电所到采区变电所，再到各个工作面的配电点，形成了复杂的多级供电网络。这种线路结构虽然能够实现对井下电力的有效分配，但也给继电保护带来了极大的挑战。

        在短路故障发生时，短路电流的特性对于继电保护的正确动作至关重要。由于井下供电线路短，线路阻抗相对较小，当发生短路故障时，短路电流会迅速增大。然而，由于线路分级多，各级保护装置之间的距离相对较近，导致短路电流在不同级别的线路上变化相对平缓，相邻两级线路的短路电流差值不大。这使得传统的速断保护在整定定值时面临困境，难以准确区分是本级线路故障还是下级线路故障。

        速断保护是一种快速动作的保护方式，其动作电流通常按照躲过下一级线路末端的最大短路电流来整定。在煤矿井下这种特殊的供电环境下，由于短路电流变化平缓，若按照常规方法整定速断保护定值，可能会出现以下两种情况：一是为了保证选择性，将速断保护定值整定得过高，导致本级线路发生短路故障时，速断保护无法及时动作，延误故障切除时间；二是为了保证速动性，将速断保护定值整定得较低，这样当下级线路发生短路故障时，本级速断保护可能会误动作，从而引发越级跳闸。例如，在某煤矿的实际案例中，采区变电所到工作面配电点的供电线路较短，当工作面配电点附近发生短路故障时，采区变电所的速断保护由于定值设置不合理，未能正确区分故障位置，率先动作跳闸，导致了越级跳闸事故的发生，使停电范围扩大到了整个采区。

3.1.2 中性点不接地系统的问题

        目前，煤矿供电系统普遍采用中性点不接地系统，这种接地方式在一定程度上提高了供电的可靠性。当系统发生单相接地故障时，由于中性点不接地，接地电流主要为电容电流，其值相对较小，系统仍能维持三相电压的基本平衡，可继续运行一段时间，为故障排查和处理争取时间。然而，这种接地方式也存在着严重的隐患，容易引发弧光过电压问题。

        当煤矿井下电力系统发生单相接地故障时，接地电流在接地点会产生电弧。由于电容电流的作用，电弧可能会间歇性地熄灭和重燃。在电弧熄灭和重燃的过程中，会引起电磁暂态的振荡过渡过程，从而产生弧光过电压。这种过电压的幅值可高达正常相电压的 2.5 - 3 倍，对电力系统中的设备绝缘构成了巨大的威胁。

        弧光过电压的产生会导致一系列严重的后果。首先，它可能会使电压互感器的铁芯饱和，励磁电流急剧增大，从而导致电压互感器烧损。电压互感器是电力系统中重要的测量和保护设备，其损坏会影响到保护装置对电压信号的准确采集和判断，使保护元件无法正常工作。其次，弧光过电压还可能会击穿电力系统中的其他设备绝缘，如电缆、开关设备等，引发相间短路故障。当相间短路故障发生时，如果继电保护装置不能及时准确地动作，就很容易导致越级跳闸的发生。例如，在某煤矿井下，一次单相接地故障引发了弧光过电压，导致电压互感器烧损，保护装置误判，最终造成了上级开关越级跳闸，使多个工作面停电，严重影响了煤矿的正常生产 。

3.2 设备与保护装置故障

3.2.1 继电器故障

        继电器作为电力系统保护装置的关键组成部分，其正常运行对于保障电力系统的安全稳定至关重要。然而，在实际运行中，继电器可能会出现多种故障，从而引发越级跳闸事故。

        继电器机构联动错误是常见的故障之一。在继电器的动作过程中，其内部的机械结构需要精确配合，以实现正确的跳闸或合闸操作。但由于煤矿井下环境恶劣，存在振动、潮湿、粉尘等因素，可能导致继电器的机械部件磨损、变形或松动。例如，继电器的衔铁在吸合或释放过程中，若受到异物阻挡或机械连接部件的松动，可能无法准确地触发相应的触点动作，从而使保护装置无法及时响应故障信号，导致上级保护装置越级跳闸。

        继电器拒动也是一个严重的问题。当电力系统发生故障时，继电器应迅速动作，切断故障线路，以保护设备和系统的安全。但在实际情况中，由于继电器的质量问题、长期运行导致的性能下降、工作环境温度过高或过低等原因，可能使继电器无法正常动作。例如，继电器的线圈可能因过热而烧毁，导致其失去励磁能力，无法驱动衔铁动作；或者继电器的触点可能因长期频繁开合而氧化、烧蚀，接触电阻增大，使得电流无法正常通过，从而无法实现跳闸操作。在这种情况下，下级线路的故障无法得到及时切除，故障电流持续存在，最终会导致上级保护装置动作，引发越级跳闸 。

        整定值错误和漂移同样会对继电器的正常工作产生影响。继电器的整定值是根据电力系统的运行参数和保护要求进行设定的，其准确性直接关系到保护装置的动作选择性和灵敏性。如果在整定过程中，由于操作人员的失误或对系统参数的错误估计，导致整定值设置不合理，如动作电流过大或动作时间过长，当发生故障时，继电器可能无法及时动作，延误故障切除时间，进而引发越级跳闸。此外，继电器在长期运行过程中，由于环境温度、湿度等因素的变化，其内部的电子元件和机械部件可能会发生性能漂移，导致整定值逐渐偏离初始设定值。例如，继电器的电流互感器可能会因为温度变化而导致变比发生改变，从而使测量到的电流值不准确，影响继电器的动作判断，最终可能引发越级跳闸事故。

3.2.2 开关控制电源失效

        开关控制电源在煤矿井下电力系统中起着至关重要的作用，它为开关的控制和保护装置提供稳定的工作电源，确保开关能够正常动作。一旦开关控制电源失效，将对电力系统的安全运行产生严重影响，甚至可能引发越级跳闸事故。

        在煤矿井下，供电系统可能会出现三相不平衡、电压不稳等问题。三相不平衡是指三相电压或电流的幅值、相位不相等，这种情况会导致系统中出现负序分量和零序分量，对电气设备产生不良影响。当供电系统存在三相不平衡时，开关控制电源可能会受到影响，其输出电压可能会出现波动或偏差，无法满足保护装置的正常工作要求。例如，某些保护装置对电源电压的稳定性要求较高，当电源电压波动超过一定范围时，保护装置可能会误动作或拒动作。如果在故障发生时，保护装置由于电源问题无法正常工作，无法及时切断故障线路，上级开关就可能会越级跳闸，以保护整个电力系统的安全 。

        电压不稳也是导致开关控制电源失效的常见原因之一。煤矿井下的电力负荷变化频繁，尤其是在大型设备启动或停止时，会对电网电压产生较大的冲击，导致电压瞬间下降或上升。此外，供电线路的故障、变压器的调压能力不足等因素也可能导致电压不稳定。当开关控制电源面临电压不稳的情况时，其内部的稳压电路可能无法有效工作，从而使输出电压不稳定。如果保护装置长时间工作在不稳定的电源环境下，其电子元件可能会受到损坏，影响保护装置的性能和可靠性。例如，保护装置中的芯片可能会因为电压过高而烧毁，或者因为电压过低而无法正常工作，导致保护装置无法及时响应故障信号，最终引发越级跳闸。

        以某煤矿的实际案例来说，该煤矿在一次设备检修后恢复供电时，由于供电系统存在三相不平衡问题，导致一台高压开关的控制电源输出电压异常。在设备运行过程中，该高压开关所保护的线路发生短路故障，由于控制电源失效，保护装置无法正常动作，未能及时切断故障线路。上级开关检测到故障电流后，为了保护系统安全，越级跳闸，导致大面积停电。这次事故不仅影响了煤矿的正常生产，还对设备造成了一定程度的损坏，给煤矿企业带来了较大的经济损失。

3.3 保护整定与配合问题

3.3.1 继电保护整定计算方式的影响

        在煤矿供电系统中，继电保护整定计算方式的合理性对电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。当前，部分煤矿采用按躲过最大负荷电流来整定继电保护装置的方式，这种方式存在严重的缺陷。在煤矿井下复杂的用电环境中，设备的启动电流往往远大于正常运行时的负荷电流。例如，采煤机、刮板输送机等大型设备在启动瞬间，电流可能会达到额定电流的数倍甚至更高。若仅按躲过最大负荷电流来整定继电保护装置的动作值，当这些设备启动时，由于启动电流超过了整定值，继电保护装置可能会误判为故障电流，从而启动保护动作，导致开关跳闸 。

        当发生短路故障时，这种整定方式的弊端更加明显。短路故障会导致电流急剧增大，然而由于整定值是按躲过最大负荷电流设定的，数值相对较小，在短路故障发生时，沿线的保护装置都可能因为检测到的电流超过整定值而启动。在理想情况下，当某条分支线路发生短路故障时，应该只有该分支线路上的保护装置动作，切断故障线路，以保证其他正常线路的供电。但由于整定值过小，上级线路的保护装置也会同时启动，而且由于上级保护装置的动作时限通常较长，在下级保护装置尚未动作切除故障时，上级保护装置可能会先动作跳闸，从而引发越级跳闸现象 。这不仅会扩大停电范围，影响煤矿的正常生产，还可能对设备造成损坏，增加维修成本和安全风险。

3.3.2 上下级保护时限配合不当

        上下级保护时限的合理配合是保证继电保护选择性的关键因素之一。在煤矿井下电力系统中，速断保护是一种常用的快速保护方式，其目的是在发生短路故障时能够迅速切断故障线路，以减少故障对系统的影响。然而，在实际应用中，由于井下供电线路结构复杂，上下级保护装置之间的距离相对较近，导致在设置速断保护时限时面临诸多困难。

        按照继电保护的基本原理，上下级保护装置之间应该存在一定的动作时限级差，当下级线路发生故障时，下级保护装置应先动作，若下级保护装置拒动，上级保护装置才动作，以确保故障切除的选择性。但在煤矿井下，由于线路短、级数多，要实现足够的动作时限级差往往难以做到。例如，在一些煤矿的供电系统中，为了保证保护的速动性，将上下级保护装置的动作时限间隔设置得较小，甚至无法满足正常的级差要求。当某一线路发生短路故障时，由于上下级保护时限间隔过小，上级保护装置可能会在下级保护装置还未来得及动作时就先动作跳闸，导致保护失去选择性，引发越级跳闸事故 。

        以某煤矿的一次实际事故为例，该煤矿的某采区变电所到工作面配电点的供电线路上，下级开关的速断保护动作时限为 0.1 秒，上级开关的速断保护动作时限为 0.2 秒，两者之间的时限级差仅为 0.1 秒。当工作面配电点附近发生短路故障时，由于故障电流较大，下级开关和上级开关的速断保护都检测到了故障电流并启动。然而，由于下级开关的保护装置在动作过程中受到一些干扰因素的影响，如电磁干扰导致信号传输延迟，使得其实际动作时间稍有延迟，超过了 0.1 秒。此时，上级开关的速断保护由于动作时限已到，先于下级开关动作跳闸，造成了越级跳闸，使停电范围扩大到了整个采区，严重影响了生产进度 。

四、TSN 网络技术原理与应用优势

4.1 TSN 网络技术概述

4.1.1 定义与发展历程

        TSN，即时间敏感网络（Time - Sensitive Networking），是在非确定性的以太网中实现确定性的最小时间延时的协议族，由 IEEE 802.1 工作组中的 TSN 工作组开发。它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，用于解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的标准，同时又确保与以太网的兼容性。本质上，TSN 并非一项全新的技术，而是由一系列技术标准构成，主要涵盖时钟同步、数据流调度策略（即整形器）以及 TSN 网络与用户配置三个部分相关标准。

        TSN 的发展历程可追溯到 2002 年，当年 IEEE 发布了 IEEE 1588 精确时钟同步协议，为后续的时间敏感网络技术发展奠定了重要的时间同步基础。2005 年，IEEE 802.1 成立了 IEEE 802.1AVB 工作组，开始致力于制定基于以太网架构的音频 / 视频传输协议集，旨在解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形等问题，并确保与以太网的兼容性。这一时期的技术主要聚焦于音视频领域，因为该领域对数据传输的实时性和低延迟要求极高，借助 AVB 技术能较好地传输高质量音视频数据，满足了当时音视频网络需要较高带宽和最大限度实时性的需求 。

        AVB 技术的出现立刻引起了汽车工业、工业领域等的关注，这些领域对网络稳定性同样有着较高的要求。随着应用需求的不断拓展和技术的持续进步，2012 年，IEEE 802.1 任务组将 AVB 正式更名为 TSN，其应用范围也从原先的音视频桥接网络扩展到工业自动化、自动驾驶等各种对网络稳定性要求较高的领域。此后，相关技术组织及企业积极推进 TSN 技术的标准制定工作。工业领域的企业着手为工业领域的严格时间任务制定整形器，并成立了整形器工作组；众多企业和组织纷纷加入 TSN 技术的研究，并构建了多个测试床，不断验证和完善 TSN 技术在不同场景下的应用。2018 年 11 月 27 日，负责推广基于以太网集成网络 CC - LinkIE 的 CC - Link 协会宣布完成了基于当前 CC - LinkIE 网络的 “CC - LinkIETSN” 规范，该规范增加了时间敏感网络技术，可集成运营技术（OT）和 IT（信息技术），进一步增强了性能和功能。2019 年，IEC 与 IEEE 合作成立 IEC60802 工作组，以便工业领域的 TSN 开发可以实现底层的互操作；同时，在 OPC UA 基金会也成立了 FLC 工作组，将 TSN 技术与 OPC UA 规范融合，以提供适用于智能制造、工业互联网领域的高带宽、低延时、语义互操作的工业通信架构。在这一过程中，IEEE 组织发布了一系列 TSN 相关标准，如早期的网络配置方法 IEEE802.1QAT，以及增强版的 IEEE802.1QCC 等，不断推动 TSN 技术的发展和完善 。

4.1.2 关键技术解析

        TSN 网络的关键技术主要包括时间同步、调度和流量整形、通信路径的选择预留和容错等，这些技术相互协作，共同实现了 TSN 网络的确定性和低延迟数据传输。

• 时间同步（IEEE 802.1as 标准）：时间同步是 TSN 网络的基础，它确保网络中各个设备的时钟保持高度一致，为确定性的数据传输提供时间基准。TSN 采用了 IEEE 802.1AS 标准中的广义精确时间同步协议（gPTP）来实现全网时间感知节点的时钟同步。gPTP 在 L2 层运作，相较于传统的时间同步协议，它减少了由协议栈不对称带来的误差，同时使用高精度的硬件时间戳感应机制来获取时间信息。通过周期性地交互 PTP 同步报文，各从时钟节点与最佳主时钟完成相位同步和频率同步，最终能够达到纳秒级的时钟同步精度。在 IEEE 802.1AS 标准定义的时钟同步机制中，首先在初始化阶段，各时间感知节点相互发送携带各自时钟信息的 Announce 报文，在本地系统使用最佳主时钟算法比较时钟信息后，选出系统内时钟属性最优的节点作为最佳主时钟节点，并以此为根建立最小同步生成树路径用于传输同步信息。接着在时钟校正阶段，从时钟节点接受同步报文完成与最佳主时钟的校正对齐。时间感知节点通过发送 Pdelay 类型报文测量邻近节点间的链路延迟，并利用 Sync 和 Follow_Up 报文传送最佳主时钟的时间信息。从时钟节点根据收到的同步报文进行必要的时钟校正，以实现与最佳主时钟的对时同步 。例如，在一个包含多个工业设备的 TSN 网络中，通过这种高精度的时钟同步机制，各个设备能够在统一的时间基准下进行数据传输和交互，确保了数据传输的准确性和一致性，避免了因时钟不同步而导致的数据传输错误和延迟。

• 调度和流量整形（IEEE 802.1qbv、IEEE 802.1qci 标准）：调度和流量整形技术是 TSN 网络实现确定性数据传输的关键。IEEE 802.1Qbv 标准定义了一种基于队列的流量调度机制，可以实现对不同数据流的优先级控制。该机制通过为不同优先级的数据流分配不同队列来实现流量调度，数据包按照优先级顺序逐个处理，从而确保高优先级数据的实时传输，避免数据拥塞和延迟，提高系统的实时性能。例如，在煤矿井下电力系统中，对于故障报警信号等重要数据，可以将其设置为高优先级，通过 IEEE 802.1Qbv 机制优先进行传输，确保在故障发生时能够及时将报警信息传递给相关设备和人员，以便快速采取措施。IEEE 802.1Qci 标准则主要用于逐一串流过滤与管理，它能够对数据流进行精确的分类和管理，进一步优化网络流量，提高网络资源的利用率 。通过这两个标准的协同工作，TSN 网络能够根据不同数据流的需求，合理分配网络资源，实现高效、稳定的数据传输。

• 通信路径的选择预留和容错（IEEE 802.1cb 标准）：IEEE 802.1cb 标准定义了高可靠的通信路径选择预留和容错机制，这对于保障 TSN 网络在复杂环境下的稳定运行至关重要。该标准通过冗余链路、白名单等方式，能够确定网络最大时延，并在网络出现故障时快速切换通信路径，确保数据的可靠传输。在煤矿井下这种恶劣的工作环境中，电磁干扰、设备故障等因素可能会导致通信链路中断。IEEE 802.1cb 标准可以预先为关键数据预留多条通信路径，当主路径出现故障时，能够自动快速地切换到备用路径，保证数据传输的连续性。同时，通过设置白名单，只允许合法的数据通过，有效防止了非法数据对网络的干扰和破坏，提高了网络的安全性和可靠性 。

4.2 TSN 网络在煤矿井下电力系统中的应用优势

4.2.1 提高通信可靠性

        在煤矿井下复杂的环境中，通信可靠性是保障电力系统稳定运行的关键因素之一。TSN 网络通过引入多点接入、多路径传输和冗余配置等技术手段，极大地提高了煤矿通信网络的可靠性。

        在多点接入方面，TSN 网络允许多个设备同时接入网络，每个设备都可以作为一个独立的节点与其他节点进行通信。这种方式避免了单点故障对整个网络的影响，即使某个节点出现故障，其他节点仍然可以正常通信，确保了数据传输的连续性。例如，在煤矿井下的电力监控系统中，分布在不同区域的多个传感器和监控设备可以同时接入 TSN 网络，将采集到的电力参数、设备运行状态等数据实时传输到监控中心。如果其中一个传感器出现故障，其他传感器的数据依然能够顺利传输，监控中心仍能对整个电力系统的运行状况进行全面监测。

        多路径传输是 TSN 网络提高通信可靠性的重要技术。当数据在网络中传输时，TSN 网络会为数据分配多条传输路径。在正常情况下，数据可以通过多条路径同时传输，提高了数据传输的效率；当某条路径出现故障时，数据会自动切换到其他可用路径进行传输，确保数据不丢失、不中断。以煤矿井下的电力调度通信为例，调度指令等重要数据在传输过程中，TSN 网络会预先规划多条传输路径。当某条通信链路因电磁干扰、设备故障等原因无法正常工作时，调度指令能够迅速通过其他路径传输到目标设备，保证了电力调度的及时性和准确性。

        冗余配置也是 TSN 网络保障通信可靠性的有效措施。TSN 网络中的关键设备，如交换机、路由器等，通常会采用冗余配置。例如，采用双电源供电，当一个电源出现故障时，另一个电源可以立即投入工作，确保设备的正常运行；配置冗余链路，当主链路出现故障时，备用链路能够自动切换，维持网络的连通性。在某煤矿的实际应用中，其井下电力系统的通信网络采用了 TSN 技术，并对核心交换机进行了冗余配置。在一次因井下顶板垮塌导致部分通信电缆损坏的事故中，由于 TSN 网络的冗余链路自动切换，以及交换机的冗余电源保障，通信网络并未中断，及时为抢险救援工作提供了通信支持，避免了因通信中断而可能引发的更大安全事故 。

4.2.2 增强实时性

        煤矿井下电力系统对实时性要求极高，无论是设备状态监测、生产流程协调还是故障应急处理，都需要数据能够在极短的时间内准确传输。TSN 网络凭借其独特的技术特性，能够提供低延迟和低抖动的数据传输服务，有效满足了煤矿井下电力系统对实时性的严格要求。

        TSN 网络通过精确的时钟同步机制，确保了网络中各个设备的时钟高度一致。如前文所述，TSN 采用 IEEE 802.1AS 标准中的广义精确时间同步协议（gPTP），能够实现纳秒级的时钟同步精度。这种高精度的时钟同步为数据传输提供了准确的时间基准，使得数据能够按照预定的时间间隔进行传输，避免了因时钟不同步而导致的数据传输延迟和抖动。在煤矿井下电力系统中，各种保护装置、监测设备和控制设备需要协同工作，精确的时钟同步能够保证它们在同一时间基准下进行数据交互，提高了系统的响应速度和控制精度。例如，当井下发生短路故障时，保护装置需要快速检测到故障信号，并及时发出跳闸指令。在 TSN 网络的支持下，各个保护装置的时钟同步精度极高，能够在几乎同一时刻检测到故障信号，从而迅速做出跳闸决策，大大缩短了故障切除时间，有效保护了电力设备和系统的安全 。

        在流量调度方面，TSN 网络采用了 IEEE 802.1Qbv 标准定义的基于队列的流量调度机制。该机制为不同优先级的数据流分配不同的队列，高优先级的数据可以优先进行传输，确保了关键数据的实时性。在煤矿井下电力系统中，故障报警信号、控制指令等数据属于高优先级数据，对实时性要求极高。通过 TSN 网络的流量调度机制，这些高优先级数据能够优先进入传输队列，快速传输到目标设备，保证了在紧急情况下系统能够及时响应。例如，当井下某区域的瓦斯浓度超过安全阈值时，瓦斯传感器会立即将报警信号发送到监控中心。由于该报警信号被设置为高优先级数据，在 TSN 网络中能够优先传输，监控中心可以在极短的时间内收到报警信息，并及时采取相应的措施，如启动通风设备、疏散人员等，有效避免了瓦斯事故的发生 。

        此外，TSN 网络还通过优化网络拓扑结构和数据传输协议，减少了数据传输过程中的延迟和抖动。在网络拓扑结构设计上，TSN 网络采用了星型、环型等拓扑结构，这些拓扑结构具有良好的扩展性和可靠性，能够有效减少数据传输的跳数，降低传输延迟。在数据传输协议方面，TSN 网络对传统以太网协议进行了改进，减少了协议开销，提高了数据传输效率。这些措施共同作用，使得 TSN 网络能够为煤矿井下电力系统提供低延迟和低抖动的数据传输服务，大大提升了矿井监测和生产调度的实时性和准确性 。

4.2.3 简化网络管理

        TSN 网络集成了丰富的网络管理功能，为煤矿井下电力系统的网络管理和维护带来了极大的便利，有效提高了网络管理的效率和便捷性。

时钟同步功能是 TSN 网络简化网络管理的重要体现。如前所述，TSN 网络中的所有节点都可以通过 IEEE 802.1AS 标准实现时钟同步，将时钟同步到一个公共的时间基准上。这使得整个网络的时间统一，在进行设备管理、数据记录和故障分析时，不再需要考虑不同设备之间的时间差异，大大简化了管理流程。例如，在对煤矿井下电力系统的运行数据进行分析时，由于所有设备的时钟同步，不同设备在同一时刻产生的数据具有一致性，能够更准确地反映电力系统的运行状态，为故障诊断和性能优化提供了可靠的数据支持 。

        TSN 网络还具备强大的故障诊断功能。通过实时监测网络中各个节点和链路的状态，TSN 网络能够及时发现故障并进行定位。当某个节点或链路出现故障时，TSN 网络会立即发出警报，并通过网络管理系统提供详细的故障信息，如故障发生的位置、时间、类型等。这使得网络管理人员能够迅速了解故障情况，采取相应的措施进行修复，大大缩短了故障排查和修复的时间。例如，在某煤矿的井下电力系统中，当一条通信链路因电磁干扰出现信号中断时，TSN 网络的故障诊断系统能够在毫秒级的时间内检测到故障，并将故障信息发送给网络管理人员。管理人员根据故障信息，能够快速确定故障位置，及时采取抗干扰措施或切换备用链路，恢复通信，确保了电力系统的正常运行 。

        远程维护功能也是 TSN 网络的一大优势。借助 TSN 网络的高速通信能力，网络管理人员可以通过远程终端对井下电力系统中的设备进行远程监控、配置和维护。这避免了工作人员频繁下井进行设备维护，不仅提高了工作效率，还降低了工作人员在井下作业的安全风险。例如，当需要对井下某个保护装置的定值进行调整时，网络管理人员可以在地面监控中心通过 TSN 网络远程连接到该保护装置，直接进行定值修改和参数配置，无需工作人员亲自前往井下操作，大大节省了时间和人力成本 。

        此外，TSN 网络还支持网络配置的集中管理。通过网络管理系统，管理人员可以对整个 TSN 网络中的设备进行统一配置和管理，包括设备的 IP 地址、VLAN 划分、流量策略等。这种集中管理方式使得网络配置更加规范、高效，减少了因分散配置而可能出现的错误和冲突。例如，在煤矿井下电力系统进行扩建或设备升级时，管理人员可以通过网络管理系统快速对新增设备进行配置，并将其纳入到现有网络中，实现了网络的无缝扩展 。

五、分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 解析

5.1 DIOS 系统概述

5.1.1 系统定义与特点

        分布式工业控制操作系统 DIOS（Distributed Industrial Operating System），是一款拥有完全自主知识产权的国产系统，历经 10 多年的完善和发展，已在数十个大型项目中得到应用，并经国家软件评测中心测试，性能指标达到国际领先水平。它是面向控制领域的核心技术之一，旨在实现工业控制的低延迟、可靠性传输和大规模并发、泛通用性的需求，解决国内外控制领域 “去中心化”“边边协同”“全局通用性” 的痛点。

        低延迟是 DIOS 系统的显著特点之一。在工业控制场景中，对控制指令的及时响应和数据的快速传输至关重要。DIOS 系统通过优化的通信协议和高效的数据处理算法，能够实现传输时延在毫秒级，确保控制信号能够迅速传递到执行设备，大大提高了系统的实时性和响应速度。例如，在煤矿井下电力系统中，当发生故障时，DIOS 系统能够在极短的时间内检测到故障信号，并及时发出跳闸指令，有效缩短了故障处理时间，降低了故障对系统的影响 。

        高可靠性是 DIOS 系统的核心优势。采用去中心化分布式架构，DIOS 系统不存在单点故障。即使某个节点出现故障，其他节点仍能正常工作，系统的整体运行不受影响。同时，DIOS 系统具备强大的容错能力，能够自动检测和修复一些常见的故障，确保系统的稳定运行。例如，在数据传输过程中，如果遇到网络中断等问题，DIOS 系统能够自动切换到备用链路，保证数据的可靠传输 。

        大规模并发能力使 DIOS 系统能够同时处理大量的控制任务和数据。在复杂的工业环境中，往往存在众多的设备和传感器，需要实时采集和处理大量的数据。DIOS 系统能够轻松应对这种大规模并发的情况，高效地管理和调度系统资源，确保各个设备和任务都能得到及时的响应和处理。例如，在大型煤矿智能化项目中，DIOS 系统可以同时连接数千个传感器和设备，实时采集和分析它们的数据，实现对整个煤矿生产过程的全面监控和精准控制 。

        泛通用性是 DIOS 系统的又一重要特点。它可以兼容各种第三方软件及硬件系统，无论是不同厂家生产的设备，还是不同类型的通信协议，DIOS 系统都能够与之进行无缝对接，实现数据的互联互通和系统的协同工作。这使得 DIOS 系统能够广泛应用于各种工业领域，如分布式电力场景、石油和天然气行业、城市轨道交通、高速公路交通管理、大型工业园区等，满足不同用户的多样化需求 。

5.1.2 系统架构与工作原理

        DIOS 系统架构主要由开发环境、配置工具、代理程序、SCADA 应用等组成，各部分相互协作，共同实现系统的功能。

        开发环境是 DIOS 系统的基础运行框架，它为系统开发提供了各种必要的工具和资源。在这个环境中，开发者可以使用软件开发包、各种第三方开发应用的协议和服务等，进行系统的集成、应用的开发以及数据的整合。例如，开发者可以利用开发环境中的组态工具，根据实际需求灵活地构建系统的界面和功能模块；利用策略协同控制工具，实现对不同设备和系统的协同控制 。

        配置工具用于对系统进行参数设置和功能配置。通过配置工具，用户可以根据具体的应用场景和需求，对 DIOS 系统进行个性化的设置，如设置设备的通信参数、数据采集周期、控制策略等。配置工具操作简单、直观，方便用户进行系统的配置和管理 。

        代理程序是 DIOS 系统实现 “无系统孤岛” 的关键。它采用 “统一的代理” 方式对接不同 PLC 控制程序，能够将不同厂家、不同类型的设备和系统连接到一起，实现数据的共享和交互。例如，在一个包含多个不同品牌 PLC 的工业控制系统中，DIOS 系统的代理程序可以与每个 PLC 进行通信，将它们的数据采集到系统中，并将控制指令发送给相应的 PLC，实现对整个系统的统一控制 。

        SCADA 应用是构建在 DIOS 系统上的一个典型应用，主要负责数据采集与可视化。它能够实时采集设备的运行状态、工艺参数等数据，并以直观的图表、曲线等形式展示给用户，方便用户对系统进行监控和管理。同时，SCADA 应用还具备报警功能，当系统出现异常情况时，能够及时发出警报，提醒用户采取相应的措施 。

        DIOS 系统的工作原理基于其分布式架构和高效的数据处理机制。在系统运行过程中，各个节点通过代理程序与不同的设备进行通信，采集设备的数据，并将这些数据发送到系统中进行处理。系统采用去中心化的方式进行数据存储和处理，每个节点都具备一定的数据处理能力，能够分担系统的负载，提高系统的运行效率。

        当系统需要进行控制操作时，用户通过 SCADA 应用发出控制指令，控制指令经过系统的处理和分发，通过代理程序发送到相应的设备上，实现对设备的控制。在这个过程中，DIOS 系统通过其高精度的时钟同步机制，确保各个节点的时间一致，保证控制指令的准确执行和数据的一致性。

        在边边协同方面，DIOS 系统通过节点之间的通信和数据共享，实现了不同区域或设备之间的协同工作。例如，在煤矿井下电力系统中，分布在不同位置的多个变电所和配电点可以通过 DIOS 系统进行实时的数据交互和协同控制。当某个区域发生故障时，该区域的节点可以迅速将故障信息发送给其他相关节点，其他节点根据故障信息调整自身的运行状态，共同应对故障，实现整个电力系统的稳定运行 。

5.2 DIOS 在煤矿井下电力系统中的应用潜力

5.2.1 实现分布式控制

        煤矿井下电力系统具有结构复杂、设备众多、分布范围广等特点。传统的集中式控制方式在面对如此复杂的系统时，往往存在灵活性和可扩展性不足的问题。而 DIOS 采用分布式架构，能够很好地适应煤矿井下电力系统的这些特点，实现分布式控制。

        在 DIOS 系统中，各个节点都具备独立的处理能力和决策能力，它们通过代理程序与不同的设备进行通信，实现数据的采集和控制指令的发送。这种分布式的控制方式使得系统中的每个节点都可以根据自身所采集到的数据和预设的控制策略，独立地做出决策，而不需要依赖中央控制器的统一指挥。例如，在煤矿井下的各个变电所和配电点，都可以设置 DIOS 的节点，这些节点可以实时采集所在位置的电力参数，如电压、电流、功率等，并根据这些参数对本地的电力设备进行控制。当某个区域的电力负荷发生变化时，该区域的 DIOS 节点可以迅速做出响应，调整相关设备的运行状态，以满足电力需求，而不会对其他区域的电力系统产生影响。

        分布式控制还提高了系统的可扩展性。在煤矿生产过程中，随着开采规模的扩大或新设备的投入使用，电力系统的规模和复杂度也会不断增加。在传统的集中式控制方式下，当需要增加新的设备或扩展系统功能时，往往需要对中央控制器进行大规模的升级和改造，这不仅成本高昂，而且实施难度较大。而在 DIOS 系统中，新节点可以无压力地加入现有的分布式 SCADA 系统中。只需要将新设备连接到 DIOS 网络中，并为其分配相应的节点，新节点就可以自动与其他节点进行通信和协作，实现对新设备的控制和管理。例如，当煤矿新增加一个工作面时，只需要在该工作面的配电点安装 DIOS 节点，并将其接入 TSN 网络，该节点就可以与其他节点协同工作，实现对该工作面电力设备的监控和控制，无需对整个系统进行大规模的改动 。

        此外，DIOS 系统还支持边边协同功能，不同区域的节点之间可以进行实时的数据交互和协同控制。在煤矿井下电力系统中，各个变电所和配电点之间需要相互协调，以保证整个电力系统的稳定运行。DIOS 系统通过其强大的通信能力和分布式架构，实现了不同节点之间的边边协同。当某个变电所检测到电力系统出现故障时，它可以迅速将故障信息发送给其他相关的变电所和配电点的节点，这些节点可以根据故障信息调整自身的运行状态，共同应对故障，避免故障的扩大，提高了整个电力系统的稳定性和可靠性 。

5.2.2 提升系统可靠性与稳定性

        DIOS 系统采用去中心化分布式架构，不存在单点故障，这是其提升煤矿井下电力系统可靠性和稳定性的关键优势之一。在传统的集中式控制系统中，中央控制器是整个系统的核心，一旦中央控制器出现故障，整个系统将无法正常运行，导致电力系统瘫痪。而在 DIOS 系统中，各个节点地位平等，没有单一的控制中心，每个节点都可以独立工作，并且可以与其他节点相互协作。即使某个节点发生故障，其他节点仍然可以继续运行，系统的整体功能不会受到太大影响。例如，在煤矿井下电力系统中，如果某个变电所的 DIOS 节点出现故障，其他变电所的节点可以自动接管该节点的部分功能，保证电力系统的基本运行，同时系统会自动检测故障节点，并进行修复或更换，确保系统的可靠性 。

        为了进一步提高系统的可靠性，DIOS 系统中的代理程序采用冗余部署方式。冗余部署是指在系统中设置多个相同功能的代理程序，当一个代理程序出现故障时，其他代理程序可以立即接管其工作，保证数据的传输和控制指令的执行不受影响。在煤矿井下电力系统中，代理程序负责与各种电力设备进行通信，采集设备数据并发送控制指令，其可靠性至关重要。通过冗余部署，DIOS 系统可以有效降低代理程序故障对系统的影响。例如，在连接某台重要的采煤机时，DIOS 系统可以同时部署多个代理程序与该采煤机进行通信。当其中一个代理程序因受到井下电磁干扰或其他原因出现故障时，其他代理程序可以迅速接替其工作，确保采煤机与系统之间的数据交互和控制指令的传输不间断，保障了采煤机的正常运行，进而提高了整个电力系统的稳定性 。

        DIOS 系统还具备强大的容错能力，能够自动检测和处理一些常见的故障。在数据传输过程中，由于煤矿井下环境恶劣，可能会出现数据丢失、错误等问题。DIOS 系统通过采用先进的纠错算法和数据校验机制，能够对传输的数据进行实时监测和纠错。当检测到数据错误或丢失时，系统会自动请求重新发送数据，确保数据的准确性和完整性。在控制指令的执行过程中，DIOS 系统也会对指令的执行结果进行实时监测。如果发现某个设备未能按照控制指令正常运行，系统会自动进行故障诊断，并采取相应的措施，如重新发送指令、调整控制策略等，以确保设备能够正常工作，提高了系统的可靠性和稳定性 。

六、TSN 网络与 DIOS 协同解决越级跳闸方案设计

6.1 协同工作机制

6.1.1 数据传输与交互流程

        在基于 TSN 网络和 DIOS 的煤矿井下电力系统防越级跳闸方案中，数据传输与交互流程是保障系统正常运行的关键环节。

        在系统运行过程中，分布在煤矿井下各个位置的电力设备，如变压器、开关、电动机等，通过 DIOS 系统中的代理程序实时采集自身的运行状态数据，包括电压、电流、功率、温度等参数。这些数据被打包成特定格式的数据包，通过 TSN 网络进行传输。由于 TSN 网络采用了 IEEE 802.1Qbv 标准的时间感知调度机制，为不同优先级的数据流分配了不同的队列。对于电力设备运行状态数据，根据其重要性和实时性需求，设置为不同的优先级。例如，与设备故障相关的数据，如短路电流、过电压等信号，被设置为高优先级；而设备的常规运行参数，如正常运行时的电压、电流值等，设置为较低优先级。高优先级的数据可以优先进入传输队列，确保在网络拥塞时也能快速传输到目标节点 。

        当这些数据传输到 DIOS 系统的各个节点时，节点首先对数据进行初步处理和分析。节点会根据预设的阈值和算法，判断设备的运行状态是否正常。如果检测到设备运行状态异常，如电流超过设定的过载阈值、电压偏离正常范围等，节点会立即将相关故障信息进行标记，并通过 TSN 网络向其他相关节点和监控中心发送警报信息。同时，节点会将详细的故障数据存储在本地数据库中，以备后续分析和查询 。

        在故障发生时，故障检测节点会迅速将故障信息，包括故障类型、故障位置、故障发生时间等，通过 TSN 网络发送给其他节点。这些节点根据接收到的故障信息，结合自身所掌握的电力系统拓扑结构和设备运行状态数据，进行协同分析和决策。例如，位于故障点上游的节点会判断自身是否需要采取跳闸等保护措施，以隔离故障线路，防止故障扩大；位于故障点下游的节点则会根据故障情况，调整自身的运行状态，避免受到故障的影响 。

        在整个数据传输与交互过程中，TSN 网络的高精度时钟同步机制发挥了重要作用。通过 IEEE 802.1AS 标准实现的纳秒级时钟同步，确保了各个节点和设备的时间一致，使得数据的传输和处理能够在统一的时间基准下进行。这不仅保证了数据的准确性和一致性，还为故障分析和定位提供了可靠的时间依据。例如，在分析故障发生的过程和原因时，通过对不同节点在同一时间基准下记录的数据进行对比和分析，可以更准确地判断故障的发展过程和影响范围 。

6.1.2 时间同步与调度配合

        TSN 网络的时间同步技术与 DIOS 系统调度机制的紧密配合，是实现整个系统高效运行的关键因素之一。

        TSN 网络采用 IEEE 802.1AS 标准中的广义精确时间同步协议（gPTP）来实现全网时间感知节点的时钟同步。在系统初始化阶段，各时间感知节点相互发送携带各自时钟信息的 Announce 报文。在 DIOS 系统中，各个节点通过代理程序与不同的设备进行通信，这些设备也需要与 TSN 网络实现时间同步。各节点在接收到 Announce 报文后，使用最佳主时钟算法比较时钟信息，选出系统内时钟属性最优的节点作为最佳主时钟节点，并以此为根建立最小同步生成树路径用于传输同步信息。在时钟校正阶段，从时钟节点接受同步报文完成与最佳主时钟的校正对齐。时间感知节点通过发送 Pdelay 类型报文测量邻近节点间的链路延迟，并利用 Sync 和 Follow_Up 报文传送最佳主时钟的时间信息。从时钟节点根据收到的同步报文进行必要的时钟校正，以实现与最佳主时钟的对时同步 。通过这种方式，DIOS 系统中的所有设备和节点都能够与 TSN 网络的时钟保持高度一致，误差可控制在纳秒级，为系统的精确控制和数据处理提供了可靠的时间基准 。

        DIOS 系统的调度机制基于其分布式架构和高效的数据处理能力。在系统运行过程中，DIOS 系统会根据预设的任务优先级和时间要求，对各个节点的任务进行合理调度。当电力系统发生故障时，DIOS 系统能够快速响应，根据故障类型和严重程度，为处理故障的任务分配更高的优先级。这些高优先级任务会被优先调度执行，确保故障能够得到及时处理 。

        例如，在检测到短路故障时，DIOS 系统会立即启动故障处理任务，将故障信息快速发送给相关节点，并根据故障位置和电力系统拓扑结构，计算出最佳的跳闸策略。在执行跳闸操作时，DIOS 系统会确保相关保护装置在准确的时间点动作，避免因时间误差导致的误动作或越级跳闸。由于 TSN 网络的时间同步精度极高，DIOS 系统能够精确控制各个保护装置的动作时间，实现对故障线路的快速、准确隔离 。

        同时，DIOS 系统还会根据电力系统的实时运行状态，动态调整任务的优先级和执行顺序。在电力负荷变化较大时，DIOS 系统会实时监测各设备的运行情况，根据设备的重要性和电力需求，合理分配电力资源，确保关键设备的正常运行。在这个过程中，TSN 网络的时间同步技术保证了 DIOS 系统能够准确获取各设备的实时状态信息，为其调度决策提供了准确的数据支持 。

6.2 基于 TSN-DIOS 的防越级跳闸系统构建

6.2.1 系统架构设计

        基于 TSN 网络和 DIOS 的煤矿井下电力系统防越级跳闸系统架构主要由设备层、通信层和控制层组成，各层之间相互协作，共同实现系统的防越级跳闸功能。

        设备层是整个系统的基础，主要包括各种电力设备以及与之相连的 DIOS 节点。在煤矿井下，电力设备分布广泛，如分布在各个采区的变压器、高低压开关柜、电动机等。这些设备通过传感器实时采集自身的运行参数，如电压、电流、温度、功率等信息。每个电力设备都连接有 DIOS 节点，DIOS 节点中的代理程序负责与设备进行通信，将设备采集到的数据进行初步处理和打包，然后通过通信层上传至控制层 。同时，DIOS 节点也接收来自控制层的控制指令，并将其发送给相应的电力设备，实现对设备的远程控制 。

        通信层采用 TSN 网络，负责实现设备层与控制层之间的数据传输。TSN 网络采用星型拓扑结构，以提高网络的可靠性和可扩展性。在星型拓扑结构中，各个 DIOS 节点通过 TSN 交换机连接到中心节点。TSN 交换机具备高精度的时钟同步功能，能够确保整个网络中各个节点的时钟一致性，误差可控制在纳秒级。这为数据的准确传输和系统的精确控制提供了重要保障 。例如，在传输故障信号时，由于时钟同步精度高，各个节点能够在同一时间基准下对故障信号进行处理和响应，避免了因时间差异导致的误判和延误 。

        在通信过程中，TSN 网络采用 IEEE 802.1Qbv 标准的时间感知调度机制，为不同优先级的数据流分配不同的队列。对于电力设备的运行状态数据，根据其重要性和实时性需求设置优先级。如故障报警信号、紧急控制指令等关键数据被设置为高优先级，能够优先通过网络传输，确保在紧急情况下数据能够快速到达控制层 。同时，TSN 网络还采用了 IEEE 802.1cb 标准的冗余传输机制，为数据传输提供多条路径。当某条路径出现故障时，数据能够自动切换到其他可用路径进行传输，保证了通信的可靠性和连续性 。

        控制层是系统的核心，主要由 DIOS 系统的控制中心和监控平台组成。控制中心负责接收来自设备层的实时数据，并对这些数据进行分析和处理。通过预设的算法和模型，控制中心能够实时监测电力系统的运行状态，判断是否存在故障以及故障的类型和位置 。例如，当检测到电流突然增大、电压异常下降等情况时，控制中心能够迅速判断可能发生了短路故障，并根据故障位置和电力系统的拓扑结构，制定相应的保护策略 。

        监控平台则以直观的界面展示电力系统的运行状态，包括各个电力设备的实时参数、故障报警信息等。操作人员可以通过监控平台实时了解电力系统的运行情况，当发生故障时，能够及时获取故障信息，并根据控制中心提供的保护策略进行相应的操作 。同时，监控平台还具备历史数据查询和分析功能，能够对电力系统的历史运行数据进行统计和分析，为系统的优化和改进提供数据支持 。

6.2.2 功能实现与策略制定

        基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸系统主要实现故障监测、快速保护动作和故障隔离等功能，通过一系列精心制定的控制策略和算法来保障电力系统的稳定运行。

        在故障监测方面，系统利用 DIOS 的分布式计算能力，实现对电力系统故障的快速诊断。DIOS 系统中的各个节点实时采集电力设备的运行数据，如电压、电流、功率等参数。这些数据通过 TSN 网络传输到控制中心后，控制中心运用故障诊断算法对数据进行分析处理。以短路故障诊断为例，控制中心通过监测电流的变化情况来判断是否发生短路故障。当检测到电流瞬间急剧增大，且超过预设的短路电流阈值时，结合其他相关参数，如电压的变化趋势、功率因数的异常等，综合判断是否为短路故障。如果确定为短路故障，控制中心还会根据各节点上传的数据，利用故障定位算法，精确计算出短路故障的位置 。

        在快速保护动作方面，系统通过 TSN 网络实现保护信号的快速传输和闭锁控制。一旦控制中心检测到故障并确定故障位置后，会立即通过 TSN 网络向相关的保护装置发送保护信号。由于 TSN 网络具有低延迟的特性，保护信号能够在极短的时间内传输到保护装置。同时，为了防止越级跳闸，系统采用了基于闭锁原理的保护策略。当下级线路发生故障时，下级保护装置首先检测到故障信号，并向其上级保护装置发送闭锁信号。上级保护装置在接收到闭锁信号后，会闭锁自身的跳闸功能，避免越级跳闸。只有当故障点位于本级线路且未收到下级闭锁信号时，本级保护装置才会动作跳闸，切除故障线路 。

        例如，在某煤矿井下电力系统中，当工作面配电点发生短路故障时，该配电点的保护装置迅速检测到故障电流，并通过 TSN 网络向其上级采区变电所的保护装置发送闭锁信号。同时，该配电点的保护装置在短时间内动作跳闸，切断故障线路。由于闭锁信号及时传输到了上级保护装置，上级采区变电所的保护装置不会误动作，从而有效避免了越级跳闸事故的发生 。

        在故障隔离方面，系统根据故障诊断结果和保护动作情况，精准地隔离故障线路，防止故障扩大。当确定故障位置并由相应的保护装置动作跳闸后，系统会通过 DIOS 的分布式控制功能，协调相关设备的运行状态，确保故障线路与正常运行线路完全隔离。例如，在故障线路被切断后，系统会控制相关的隔离开关动作，将故障线路从电力系统中彻底隔离出来，避免故障电流对其他正常线路造成影响 。同时，系统还会对故障线路进行标记，以便后续的维修和处理 。

        此外，系统还具备自动重合闸功能。在故障线路被隔离并经过一定时间的故障排查和处理后，若判断故障已消除，系统会自动控制相应的开关进行重合闸操作，恢复对故障线路的供电 。在重合闸过程中，系统会实时监测电力系统的运行状态，若发现再次出现故障，则会立即停止重合闸，并重新采取保护措施，确保电力系统的安全稳定运行 。

七、案例分析与实践验证

7.1 案例选取与背景介绍

        为了深入验证基于 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的防越级跳闸方案的有效性和实际应用价值，本研究选取了具有代表性的 A 煤矿作为案例研究对象。A 煤矿是一座年生产能力达到 300 万吨的大型现代化煤矿，其开采深度平均达到 500 米，井下开采范围广泛，地质条件较为复杂。

        该煤矿的井下电力系统采用多级供电方式，从地面变电所通过高压电缆将 10kV 电压输送至井下中央变电所，再由中央变电所降压后通过不同电压等级的电缆向各个采区变电所供电，采区变电所进一步将电压分配到各个工作面配电点，为采煤机、刮板输送机、通风机、排水泵等各类用电设备提供电力支持。供电线路布局错综复杂，总长度超过 100 公里，涉及多个电压等级，包括 10kV、6kV、1140V、660V 等。

        在设备配置方面，A 煤矿配备了大量先进的电力设备，如智能化的高压开关柜、低压馈电开关、移动变电站等，这些设备均具备一定的保护功能，如过流保护、漏电保护、接地保护等。然而，随着煤矿开采规模的不断扩大和生产设备的日益增多，电力系统的负荷变化更加频繁和复杂，对电力系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。

        在过去的生产过程中，A 煤矿的井下电力系统频繁出现越级跳闸问题。据不完全统计，每年因越级跳闸导致的停电事故多达 20 余次，每次停电时间平均在 2 小时以上。这些越级跳闸事故不仅严重影响了煤矿的正常生产，导致煤炭产量大幅下降，造成了巨大的经济损失；还对井下安全生产构成了严重威胁，多次引发瓦斯浓度超限、通风不畅等安全隐患，给井下工作人员的生命安全带来了极大的风险。例如，在 2022 年的一次越级跳闸事故中，由于通风机停运，井下瓦斯浓度迅速上升，一度接近爆炸极限，幸亏工作人员及时采取措施，才避免了一场严重的瓦斯爆炸事故 。这些问题的频繁出现，使得 A 煤矿迫切需要一种有效的解决方案来解决井下电力系统越级跳闸问题，保障煤矿的安全生产和稳定运营。

7.2 TSN-DIOS 方案实施过程

7.2.1 设备选型与安装

        在 A 煤矿实施 TSN-DIOS 方案时，设备的选型与安装至关重要，直接关系到整个系统的性能和运行稳定性。

        在 TSN 工业交换机的选型上，经过对市场上多种产品的技术参数、性能指标、可靠性以及价格等因素的综合评估，最终选用了新华三集团的 H3C IE4320 Comware V7 系列 TSN 工业交换机。该系列交换机支持 802.1AS 标准，采用温补晶振和锁相环，能够实现 1ppm 的高精度时钟同步，达到 ns 级时钟同步精度，为 TSN 网络中实现传输低延迟提供了坚实基础。同时，支持 802.1Qbv 标准，基于队列优先级实现时间感知调度程序，能够将时间关键通信业务与非关键的背景业务分离开来，在有限的时间内为那些需要传输保证且不能中断的业务类别授予以太网传输介质的独占使用权 。其还支持 802.1Qcc 标准，定义了网络侧和用户侧的接口 UNI，可根据用户侧的需求实现网络侧的自动配置，从而实现 TSN 管理设备对网络拓扑发现及复杂的流量调度计算 。在安装方面，将 TSN 工业交换机安装在井下中央变电所、采区变电所等关键位置，通过光纤连接各个 DIOS 节点和电力设备，构建起稳定的通信网络。在中央变电所，安装了多台 H3C IE4320 Comware V7 系列交换机，采用冗余配置，确保在一台交换机出现故障时，通信网络仍能正常运行 。

        DIOS 边缘计算机选用了具有高性能计算能力和高可靠性的 [具体型号]。该型号边缘计算机具备强大的数据处理能力，能够快速处理大量的电力设备运行数据。同时，具有丰富的接口类型，包括以太网接口、RS485 接口、CAN 总线接口等，可方便地与各种电力设备进行连接。在安装时，将 DIOS 边缘计算机安装在各个配电点和重要电力设备附近，通过相应的接口与设备连接，实现对设备数据的实时采集和控制指令的快速发送。在某采区的配电点，安装了 DIOS 边缘计算机，通过以太网接口与附近的高压开关柜和低压馈电开关连接，实时采集开关的运行状态、电流、电压等数据，并将这些数据通过 TSN 网络上传至控制中心 。

        代理程序是 DIOS 系统实现与不同设备通信的关键组件，选用了 [代理程序具体名称]。该代理程序具有良好的兼容性，能够与多种品牌和型号的电力设备进行通信，实现数据的无缝对接。在安装过程中，将代理程序部署在 DIOS 边缘计算机上，并根据不同设备的通信协议进行相应的配置。对于某品牌的高压开关柜，通过配置代理程序的通信参数，使其能够准确地与开关柜进行通信，获取开关柜的各种运行数据，如开关状态、保护定值等 。

        此外，在设备安装过程中，还充分考虑了煤矿井下恶劣的工作环境。所有设备均选用了具有高防护等级的产品，具备防尘、防水、抗腐蚀等特性，以适应井下高湿度、高粉尘的环境。同时，采用了抗干扰的通信设备和电缆屏蔽技术，有效抵御了井下设备和机械产生的大量电磁干扰，确保了设备之间通信的稳定性和可靠性 。

7.2.2 系统调试与优化

        系统调试是确保 TSN-DIOS 方案正常运行的关键环节，在调试过程中，遇到了一系列问题，并通过相应的解决方法逐一攻克。

        在网络配置方面，由于 TSN 网络需要精确的时钟同步和复杂的流量调度配置，在初始配置时出现了部分节点时钟不同步和流量调度不合理的问题。对于时钟不同步问题，技术人员仔细检查了 TSN 工业交换机和 DIOS 边缘计算机的时钟同步配置参数，确保所有设备都正确配置了 IEEE 802.1AS 标准的时钟同步协议。通过使用专业的时钟同步测试工具，对各个节点的时钟进行了精确校准，最终实现了所有节点的纳秒级时钟同步 。在解决流量调度不合理问题时，技术人员根据电力系统中不同数据的实时性和重要性需求，重新对 TSN 网络的流量调度策略进行了优化配置。将故障报警信号、控制指令等关键数据设置为高优先级，确保这些数据能够在网络拥塞时优先传输；对于一些非关键的设备状态监测数据，设置为较低优先级，合理分配网络带宽资源 。

        时间同步是 TSN-DIOS 系统的核心功能之一，在调试过程中，虽然按照标准配置了时钟同步协议，但仍发现部分设备的时间存在微小偏差。经过深入排查，发现是由于部分设备的硬件时钟精度不足导致的。为了解决这一问题，对这些设备的硬件时钟进行了升级，更换为高精度的时钟模块，并重新进行了时钟同步校准。同时，在系统运行过程中，定期对设备的时钟进行监测和校准，确保时间同步的稳定性 。

        软件参数调整也是系统调试的重要内容。DIOS 系统中的控制算法和保护策略需要根据煤矿井下电力系统的实际运行情况进行优化调整。技术人员通过对大量历史运行数据的分析，结合电力系统的实时运行状态，对 DIOS 系统中的故障诊断算法、保护定值等参数进行了优化。在故障诊断算法方面，增加了更多的故障特征量和判断条件，提高了故障诊断的准确性和可靠性；在保护定值调整方面，根据不同设备的额定参数和实际运行情况，合理调整了过流保护、漏电保护等保护装置的定值，确保保护装置在故障发生时能够准确动作 。

        在系统优化方面，为了进一步提高系统的性能和稳定性，采取了一系列措施。对 TSN 网络的拓扑结构进行了优化，减少了数据传输的跳数，降低了传输延迟。在一些距离较远的节点之间，增加了中间交换机，缩短了数据传输路径，提高了数据传输效率 。同时，对 DIOS 系统的分布式计算任务进行了合理分配，根据各个节点的计算能力和负载情况，动态调整任务分配策略，避免了节点负载不均衡的问题，提高了系统的整体计算效率 。此外，还对系统的容错能力进行了增强，通过增加冗余设备和备用链路，提高了系统在设备故障或通信链路中断情况下的可靠性。在关键节点配置了冗余的 DIOS 边缘计算机和 TSN 工业交换机，当主设备出现故障时，备用设备能够立即接管工作，确保系统的正常运行 。

7.3 实施效果评估

7.3.1 数据对比分析

        为了直观地评估 TSN-DIOS 方案在 A 煤矿的实施效果，对方案实施前后的相关数据进行了详细的对比分析，主要包括越级跳闸次数、停电时间和生产损失等关键指标。

        在越级跳闸次数方面，实施 TSN-DIOS 方案前，A 煤矿每年平均发生越级跳闸事故 20 余次，严重影响了电力系统的稳定运行和煤矿的正常生产。而在实施方案后，经过一年的运行监测，越级跳闸次数显著减少，全年仅发生了 2 次，相较于实施前减少了 90%。这一数据的大幅下降，充分表明 TSN-DIOS 方案在防止越级跳闸方面取得了显著成效。

        在停电时间方面，实施前每次越级跳闸导致的平均停电时间在 2 小时以上，长时间的停电不仅使生产设备无法正常运行，还会对井下通风、排水等安全保障系统造成严重影响。实施方案后，由于系统能够快速准确地检测和处理故障，有效避免了越级跳闸导致的大面积停电，平均停电时间缩短至 0.5 小时以内，停电时间减少了 75% 以上。这使得煤矿在面对故障时能够迅速恢复供电，极大地降低了停电对生产和安全的影响 。

        从生产损失来看，实施前因越级跳闸导致的生产损失巨大。据统计，每年因越级跳闸造成的煤炭产量损失高达数万吨，直接经济损失达到数百万元，还不包括因设备损坏、安全事故等带来的间接损失。实施 TSN-DIOS 方案后，生产损失得到了有效控制。在过去一年中，因越级跳闸导致的煤炭产量损失减少到了数千吨，直接经济损失降低至数十万元，生产损失减少了 80% 以上。这不仅提高了煤矿的生产效率，还为煤矿企业节省了大量的经济成本 。

        通过对这些数据的对比分析可以看出，TSN-DIOS 方案的实施，使 A 煤矿井下电力系统的稳定性和可靠性得到了极大提升，有效减少了越级跳闸事故的发生，缩短了停电时间，降低了生产损失，为煤矿的安全生产和稳定运营提供了有力保障 。

7.3.2 实际运行稳定性与可靠性验证

        在 A 煤矿实际运行过程中，对基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸系统在应对各种故障和异常情况时的稳定性和可靠性进行了全面验证。

        在短路故障测试中，人为模拟了不同位置和类型的短路故障。当在某采区的一条分支线路上模拟短路故障时，系统能够迅速响应。安装在故障线路附近的 DIOS 节点通过传感器实时采集到电流瞬间急剧增大的异常信号，并立即将该信号通过 TSN 网络传输到控制中心。控制中心利用预设的故障诊断算法，在极短的时间内准确判断出故障类型和位置。随后，控制中心根据故障情况，向故障线路的保护装置发送跳闸指令。由于 TSN 网络的低延迟特性，跳闸指令能够迅速传输到保护装置，保护装置在接收到指令后及时动作，成功切断了故障线路，实现了故障的快速隔离。在整个过程中，上级线路的保护装置未发生误动作，有效避免了越级跳闸的发生，确保了电力系统其他部分的正常运行 。

        在漏电故障测试中，模拟了井下电缆绝缘损坏导致的漏电故障。当漏电故障发生时，系统中的漏电检测装置立即检测到漏电信号，并将相关信息传输给 DIOS 节点。DIOS 节点通过 TSN 网络将漏电信息发送到控制中心，控制中心启动漏电保护程序。一方面，控制中心向漏电区域的相关设备发送停机指令，防止人员触电事故的发生；另一方面，通过分析漏电数据，确定漏电位置，并指挥维修人员迅速前往处理。在处理过程中，系统持续监测漏电情况，确保漏电故障得到彻底排除。整个过程中，系统运行稳定，各设备之间的通信和协同工作正常，有效保障了井下人员和设备的安全 。

        在电压波动测试中，通过调整变压器的分接头等方式，模拟了电力系统中常见的电压波动情况。当电压出现波动时，系统中的电压监测装置实时采集电压数据，并将其传输给 DIOS 节点。DIOS 节点将电压数据上传至控制中心，控制中心根据预设的电压阈值和调节策略，对电力系统进行相应的调整。如果电压过低，控制中心会指令相关设备调整无功补偿装置，提高系统的无功功率，从而提升电压水平；如果电压过高，控制中心会控制变压器的分接头进行调节，降低输出电压。在整个电压波动过程中，系统能够及时响应并进行有效的调节，确保电力系统的电压始终保持在正常范围内，保障了设备的正常运行，充分验证了系统在应对电压波动时的稳定性和可靠性 。

        通过对短路故障、漏电故障、电压波动等多种故障和异常情况的实际运行测试，结果表明基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸系统在各种复杂情况下都能够稳定、可靠地运行，快速准确地动作，实现故障隔离和保护，有效保障了煤矿井下电力系统的正常运行，为煤矿的安全生产提供了坚实的技术支撑 。

八、结论与展望

8.1 研究成果总结

        本文深入剖析了煤矿井下电力系统越级跳闸问题，从危害、原因等方面展开详细研究，并提出基于 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的协同解决方案，取得了以下研究成果：

• 明确越级跳闸危害与原因：全面阐述了煤矿井下电力系统越级跳闸对安全生产和生产运营带来的严重危害。在安全威胁方面，瓦斯爆炸与燃烧风险急剧增加，如山西平遥峰岩煤焦集团有限公司下属煤业因越级跳闸导致通风机停运，瓦斯浓度超限报警，险些引发重大事故；人员窒息风险也显著提高，通风机停转使井下氧气含量下降，有害气体积聚。在生产中断与经济损失方面，排水系统故障可能导致巷道被淹，设备损坏，如某煤矿因越级跳闸致使主排水泵停运，巷道被淹，设备损坏，经济损失巨大；生产设备也会因电压波动、电流冲击等异常情况而损坏，增加维修成本和生产延误的可能性 。深入分析了越级跳闸的原因，电力系统特性因素方面，线路结构短且分级多，短路电流变化平缓，导致速断保护定值整定困难；中性点不接地系统易引发弧光过电压，损坏设备绝缘，影响保护装置正常工作。设备与保护装置故障方面，继电器可能出现机构联动错误、拒动、整定值错误和漂移等问题；开关控制电源可能因供电系统三相不平衡、电压不稳等原因失效，导致保护装置无法正常工作。保护整定与配合问题方面，继电保护整定计算方式按躲过最大负荷电流进行，易在设备启动和短路故障时引发误动作和越级跳闸；上下级保护时限配合不当，难以实现足够的动作时限级差，导致保护失去选择性 。

• 提出协同解决方案：详细介绍了 TSN 网络和分布式低延时高可靠控制系统 DIOS 的技术原理与应用优势。TSN 网络通过 IEEE 802.1as 标准实现纳秒级时钟同步，采用 IEEE 802.1qbv 和 IEEE 802.1qci 标准进行调度和流量整形，利用 IEEE 802.1cb 标准实现通信路径的选择预留和容错，从而提高了通信可靠性、增强了实时性并简化了网络管理。DIOS 系统具有低延迟、高可靠性、大规模并发和泛通用性等特点，采用去中心化分布式架构，通过代理程序实现与不同设备的通信，能够实现分布式控制，提升系统的可靠性与稳定性 。提出了基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸协同工作机制和系统构建方案。在协同工作机制方面，明确了数据传输与交互流程，设备数据通过 TSN 网络传输，DIOS 系统节点进行处理和分析，故障信息及时共享和协同决策；实现了时间同步与调度配合，TSN 网络的时间同步技术与 DIOS 系统调度机制紧密结合，确保系统精确控制和数据处理。在系统构建方面，设计了包括设备层、通信层和控制层的系统架构，设备层采集数据，通信层采用 TSN 网络传输数据，控制层进行数据分析和决策；制定了功能实现与策略，通过故障监测、快速保护动作和故障隔离等功能，以及相应的控制策略和算法，有效防止越级跳闸 。

• 验证方案有效性：通过对 A 煤矿的案例分析与实践验证，充分证明了基于 TSN 网络和 DIOS 的防越级跳闸方案的有效性。在 A 煤矿实施该方案时，精心进行了设备选型与安装，选用了具备高精度时钟同步和强大功能的 TSN 工业交换机、DIOS 边缘计算机和兼容性良好的代理程序，并合理安装部署；对系统进行了全面调试与优化，解决了网络配置、时间同步和软件参数等方面的问题，提高了系统性能。实施效果评估表明，该方案显著减少了越级跳闸次数，从每年 20 余次降至 2 次，停电时间从每次 2 小时以上缩短至 0.5 小时以内，生产损失减少了 80% 以上；在实际运行中，系统在应对短路故障、漏电故障和电压波动等情况时，表现出了高度的稳定性和可靠性，能够快速准确地动作，实现故障隔离和保护 。

        综上所述，本文提出的基于 TSN 网络和 DIOS 的协同解决方案，有效解决了煤矿井下电力系统越级跳闸问题，显著提高了电力系统的安全性和可靠性，为煤矿安全生产提供了有力保障。

8.2 未来研究方向展望

        尽管基于 TSN 网络和 DIOS 的解决方案在解决煤矿井下电力系统越级跳闸问题上取得了显著成效，但仍存在一些有待改进和深入研究的方向，以进一步提升系统性能和适应性，更好地满足煤矿安全生产的需求。

• 成本优化：目前，TSN 网络设备和 DIOS 系统相关硬件的成本相对较高，这在一定程度上限制了其在煤矿行业的广泛应用，尤其是对于一些小型煤矿企业。未来研究可致力于降低硬件成本，通过优化芯片设计、改进制造工艺等方式，降低 TSN 工业交换机、DIOS 边缘计算机等关键设备的生产成本。例如，研发新型的低成本、高性能的时钟同步芯片，以替代现有的昂贵芯片，实现高精度时钟同步的同时降低成本。同时，探索更经济实惠的通信介质和网络架构，在不影响系统性能的前提下，减少网络建设和维护成本，提高方案的性价比，使更多煤矿企业能够受益于该技术 。

• 系统兼容性提升：煤矿行业存在大量的老旧设备，这些设备往往无法直接支持 TSN 技术和 DIOS 系统，导致在系统升级和改造过程中面临设备兼容性和互操作性的问题。未来需要深入研究如何实现新老设备的无缝对接，开发适配装置或中间件，使老旧设备能够接入 TSN 网络并与 DIOS 系统进行通信。例如，研发一种通用的通信协议转换模块，将老旧设备的通信协议转换为 TSN 网络和 DIOS 系统能够识别的协议，实现数据的互联互通。同时，加强对不同厂家设备的兼容性测试和优化，确保系统在复杂设备环境下的稳定运行 。

• 网络安全防护加强：随着煤矿井下电力系统智能化和网络化程度的不断提高，网络安全问题日益凸显。TSN 网络和 DIOS 系统在煤矿井下的应用面临着网络攻击、数据泄露等安全威胁。未来应加强网络安全防护技术的研究，采用身份验证、数据加密、入侵检测系统等多种安全措施，确保网络的安全性。例如，研究适合煤矿井下环境的加密算法，对传输的数据进行加密处理，防止数据被窃取或篡改；建立完善的入侵检测和防御体系，实时监测网络流量，及时发现并阻止网络攻击行为 。

• 系统性能持续优化：虽然当前方案在降低传输延迟和提高系统可靠性方面取得了良好效果，但仍有进一步提升的空间。未来可研究更先进的调度算法和容错机制，进一步降低数据传输延迟，提高系统在复杂工况下的可靠性和稳定性。例如，开发动态自适应的调度算法，根据网络实时负载和数据优先级，动态调整调度策略，确保关键数据的快速传输；研究更高效的容错机制，实现系统在多节点故障情况下的快速恢复和稳定运行 。

• 拓展应用场景：目前基于 TSN 网络和 DIOS 的解决方案主要应用于防越级跳闸领域，未来可探索将其应用于煤矿井下电力系统的其他方面，如电力负荷预测、设备状态监测与故障诊断、智能电网调度等。通过对电力系统运行数据的深度挖掘和分析，实现对电力系统的全面智能化管理，提高煤矿生产的整体效率和安全性 。