煤礦供電系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展探討

1、煤礦供電系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展探討    【關(guān)鍵詞】探討,發(fā)展,數(shù)字化,供電系統(tǒng),煤礦,開關(guān)設(shè)備采用智能終端方案改造后可具備信號(hào)數(shù)字化測量和網(wǎng)絡(luò)化控制功能，并具備部分在線監(jiān)測功能。智能終端通信采用光纖以太網(wǎng)接口，應(yīng)用IEC 61850面向通用對象的變電站事件（GOOSE）服務(wù)接收保護(hù)和控制單元的分合閘信號(hào)，傳輸斷路器、隔離開關(guān)位置及壓力低閉鎖重合閘等信號(hào)。目前智能終端方案的最大優(yōu)點(diǎn)在于基于成熟的間隔層數(shù)字化技術(shù)，能在大量減少電纜、節(jié)約占地、提升數(shù)字化水平的同時(shí)，滿足可靠性和穩(wěn)定性的要求。未來智能開關(guān)設(shè)備會(huì)引入在線監(jiān)測功能、電子操動(dòng)機(jī)構(gòu)等新技術(shù)，集操作控制、信息采

2、集、設(shè)備在線監(jiān)測、采樣值傳輸?shù)裙δ苡谝簧淼闹悄荛_關(guān)設(shè)備將成為開關(guān)設(shè)備智能化的發(fā)展必然趨勢。（二）網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備由于智能化一次設(shè)備的發(fā)展，能夠提供數(shù)字化通信接口，通信光纜替代了設(shè)備間的控制、信號(hào)和電流電壓電纜，二次設(shè)備也相應(yīng)的要求具有網(wǎng)絡(luò)化的通訊功能，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞和數(shù)據(jù)共享。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在變電站二次系統(tǒng)已經(jīng)得到成功應(yīng)用，為數(shù)字化變電站的應(yīng)用推廣提供了關(guān)鍵的通信平臺(tái)，使得數(shù)字化變電站高速、可靠的實(shí)時(shí)信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建得以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化變電站取消了二次電纜，設(shè)備間的信息交換傳輸均依賴于網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)信息、站內(nèi)各種互聯(lián)閉鎖信息及保護(hù)、測控、自動(dòng)裝置等動(dòng)作跳合閘命令均在以太網(wǎng)絡(luò)傳輸、共享，二次設(shè)備不再

3、出現(xiàn)功能重復(fù)的I/O接口及其外部接線，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，二次設(shè)備之間連接采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信取代常規(guī)電纜接線，可以大量簡化站內(nèi)二次接線,節(jié)省二次電纜投資和占地面積，而且沒有硬接點(diǎn)連線，提高了抗干擾能力，也在一定程度上避免了運(yùn)行中由于二次電纜引發(fā)的變電站事故。（三）采樣同步和延時(shí)為避免電氣量的相位和幅值產(chǎn)生誤差，二次設(shè)備需要在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上獲得采樣數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的模擬信號(hào)不存在這個(gè)問題，電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)就必須含有時(shí)間信息，合并單元在送出的采樣值中必須打上時(shí)標(biāo)，提供給二次設(shè)備，時(shí)標(biāo)分為相對時(shí)標(biāo)（序號(hào)）和絕對時(shí)標(biāo)（時(shí)間）兩種。目前變電站各種IED均采用數(shù)字化處理

4、技術(shù)，內(nèi)部晶振回路可以在輸出信息中附以時(shí)標(biāo)信息，但內(nèi)部晶振回路因設(shè)備的質(zhì)量、使用壽命會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)間偏差，在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中不同設(shè)備的時(shí)間累積誤差會(huì)很大。因此，變電站內(nèi)所有的IED必須實(shí)現(xiàn)互相之間時(shí)間同步，并與外部同步信號(hào)源同步，同步接口可以使不同地點(diǎn)安裝的設(shè)備具有基準(zhǔn)的時(shí)間點(diǎn)。目前基本的時(shí)鐘同步方式包括IRIG-B同步時(shí)鐘、脈沖（PPS、PPM）同步時(shí)鐘、串口通信同步時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘SNTP等，其中IRIG-B同步時(shí)鐘、脈沖同步時(shí)鐘在電力系統(tǒng)中的設(shè)備得到比較廣泛的應(yīng)用，串口通信時(shí)鐘同步主要直接針對主站計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在一種新的對時(shí)方式IEEE 1588正在數(shù)字化變電站中得到推廣應(yīng)用，它通過以太網(wǎng)底

5、層硬件打報(bào)文進(jìn)出時(shí)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了亞微妙級(jí)別對時(shí)，使得同一個(gè)光纖以太網(wǎng)端同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和時(shí)鐘同步，是數(shù)字化變電站對時(shí)未來發(fā)展的方向，IEEE工作組正在在研究其電力子集。二、數(shù)字化技術(shù)在礦井電網(wǎng)中的應(yīng)用（一）礦井電網(wǎng)存在的主要問題1、越級(jí)跳閘目前我國煤炭企業(yè)電網(wǎng)普遍采用多級(jí)輻射狀供電模式，其特點(diǎn)為：一方面由于延伸級(jí)數(shù)較多，上級(jí)電網(wǎng)配合時(shí)限越來越短，造成各級(jí)保護(hù)時(shí)限無法配合；另一方面由于供電系統(tǒng)容量增大、供電線路短，不同級(jí)別的短路電流很接近，造成各級(jí)保護(hù)的電流定值無法配合。2、漏電保護(hù)問題我國335kV礦井電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)不接地方式或經(jīng)消弧線圈接地方式。過去當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，一般依靠逐條出線

6、拉閘停電來判斷故障線路，嚴(yán)重地影響供電的可靠性。3、母線保護(hù)死區(qū)目前國內(nèi)中低壓電網(wǎng)一般不配置專用的快速母線保護(hù)，而是依賴上一級(jí)變壓器的后備保護(hù)切除母線短路故障，因故障切除時(shí)間過長，加重了設(shè)備的損傷程度，破壞嚴(yán)重時(shí)可能造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。4、礦井電網(wǎng)自動(dòng)化水平低，技術(shù)管理手段落后由于煤礦井下電網(wǎng)的特殊性，井下電網(wǎng)的自動(dòng)化應(yīng)用水平較低，保護(hù)技術(shù)不完善、采用的保護(hù)和測控裝置的軟硬件技術(shù)平臺(tái)落后，各家使用的協(xié)議、通信接口不兼容，造成系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)困難，技術(shù)管理手段落后。（二）礦井電網(wǎng)的數(shù)字化改造本文根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)礦井電網(wǎng)數(shù)字化改造方案（圖）。圖 數(shù)字化改造方案礦井

7、電網(wǎng)數(shù)字化變電站采用分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由站控層、間隔層和過程層三部分組成。站控層包括監(jiān)控主機(jī)/操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及打印機(jī)等，完成站內(nèi)監(jiān)控功能，為變電站提供運(yùn)行、管理、工程配置的界面，并記錄站內(nèi)所有相關(guān)信息。遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)通過遠(yuǎn)動(dòng)通道向調(diào)度端傳送信息。監(jiān)控主機(jī)可進(jìn)行當(dāng)?shù)夭僮?，并形成?dāng)?shù)貓?bào)表；還可與間隔層設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)小電流接地選線和電壓無功綜合控制功能(VQC)。所有站控層設(shè)備均采用快速工業(yè)以太網(wǎng)，并按照IEC 61850通信規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)建模并進(jìn)行信息傳輸。間隔層主要包括保護(hù)裝置、測控裝置以及其他智能設(shè)備。低壓間隔層設(shè)備直接下放至各間隔智能控制柜及開關(guān)柜上，各間隔設(shè)備相對獨(dú)立，僅通過通

8、訊網(wǎng)互聯(lián)，和站控層采用以太網(wǎng)通信。過程層包括電子式互感器（含合并器）、智能開關(guān)設(shè)備及過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。過程層使用100M光纖以太網(wǎng),采用雙重化以太網(wǎng)，保證單一故障時(shí)不損失任何功能，選用點(diǎn)到點(diǎn)或基于交換機(jī)的星型拓樸結(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)選用光纖。變電站內(nèi)配置規(guī)約轉(zhuǎn)換器，將UPS、直流屏、五防、GPS等不支持IEC 61850的智能設(shè)備，轉(zhuǎn)換成符合IEC 61850規(guī)范的接口。各間隔的斷路器等設(shè)備，可以在調(diào)度端、站內(nèi)監(jiān)控主機(jī)和就地三處進(jìn)行控制，相互之間具有聯(lián)鎖功能，同一時(shí)間內(nèi)只能由一處控制。開關(guān)柜和測控柜上設(shè)有遠(yuǎn)方/就地切換開關(guān)和就地控制開關(guān)，就地控制開關(guān)經(jīng)五防閉鎖。間隔層和過程層之間，采用光纖點(diǎn)對點(diǎn)與過

9、程總線相結(jié)合的方式。即交流采樣采用光纖點(diǎn)對點(diǎn)，跳合閘等開關(guān)量信息采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)方式。采樣數(shù)據(jù)獨(dú)立，將GOOSE信息單獨(dú)組網(wǎng)。方案中采用分相電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)煤礦井下重要供電線路的差動(dòng)保護(hù)，解決煤礦井下電網(wǎng)繼電保護(hù)的選擇性問題；采用智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)，各保護(hù)裝置的光纖通信接口與GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，傳遞邏輯信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，下級(jí)保護(hù)啟動(dòng)，并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)向上級(jí)保護(hù)發(fā)出閉鎖信號(hào)，上級(jí)保護(hù)裝置收到閉鎖信號(hào)后閉鎖保護(hù)裝置的速斷保護(hù)，下級(jí)開關(guān)跳開后，閉鎖信號(hào)自動(dòng)消失；若下級(jí)開關(guān)拒動(dòng)，上級(jí)保護(hù)裝置經(jīng)一定延時(shí)后自動(dòng)解除，由上級(jí)保護(hù)切除故障，解決煤礦供電系統(tǒng)普遍存在的繼電保護(hù)“越級(jí)跳閘”問題。本方案基于數(shù)字和變電站技術(shù)，結(jié)合光纖差動(dòng)保護(hù)、弧光保護(hù)、智能零時(shí)限電流保護(hù)和漏電保護(hù)技術(shù)，采用先進(jìn)的數(shù)字化通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置間的智能通信，簡化了保護(hù)的配置，消除了保護(hù)的死區(qū)（包括母線保護(hù)死區(qū)），解決了繼電保護(hù)快速性和選擇性的矛盾，為實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)礦井電網(wǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。（三）技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析在技術(shù)上，建設(shè)數(shù)字化變電站可以減少設(shè)備的退出次數(shù)和退出時(shí)間，提高設(shè)備的使用效率；避免信號(hào)傳輸和處理過程帶