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    【關鍵詞】探討,發(fā)展,數(shù)字化,供電系統(tǒng),煤礦,開關設備采用智能終端方案改造后可具備信號數(shù)字化測量和網(wǎng)絡化控制功能，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，應用IEC 61850面向通用對象的變電站事件（GOOSE）服務接收保護和控制單元的分合閘信號，傳輸斷路器、隔離開關位置及壓力低閉鎖重合閘等信號。目前智能終端方案的最大優(yōu)點在于基于成熟的間隔層數(shù)字化技術，能在大量減少電纜、節(jié)約占地、提升數(shù)字化水平的同時，滿足可靠性和穩(wěn)定性的要求。未來智能開關設備會引入在線監(jiān)測功能、電子操動機構等新技術，集操作控制、信息采

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

3、出現(xiàn)功能重復的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，二次設備之間連接采用高速的網(wǎng)絡通信取代常規(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，而且沒有硬接點連線，提高了抗干擾能力，也在一定程度上避免了運行中由于二次電纜引發(fā)的變電站事故。（三）采樣同步和延時為避免電氣量的相位和幅值產(chǎn)生誤差，二次設備需要在同一個時間點上獲得采樣數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的模擬信號不存在這個問題，電子式互感器輸出的數(shù)字信號就必須含有時間信息，合并單元在送出的采樣值中必須打上時標，提供給二次設備，時標分為相對時標（序號）和絕對時標（時間）兩種。目前變電站各種IED均采用數(shù)字化處理

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

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

6、拉閘停電來判斷故障線路，嚴重地影響供電的可靠性。3、母線保護死區(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，而是依賴上一級變壓器的后備保護切除母線短路故障，因故障切除時間過長，加重了設備的損傷程度，破壞嚴重時可能造成事故進一步擴大，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。4、礦井電網(wǎng)自動化水平低，技術管理手段落后由于煤礦井下電網(wǎng)的特殊性，井下電網(wǎng)的自動化應用水平較低，保護技術不完善、采用的保護和測控裝置的軟硬件技術平臺落后，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，設計了一個礦井電網(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)絡結構，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/操作員工作站、遠動主機、網(wǎng)絡設備及打印機等，完成站內(nèi)監(jiān)控功能，為變電站提供運行、管理、工程配置的界面，并記錄站內(nèi)所有相關信息。遠動主機通過遠動通道向調(diào)度端傳送信息。監(jiān)控主機可進行當?shù)夭僮鳎⑿纬僧數(shù)貓蟊?；還可與間隔層設備共同實現(xiàn)小電流接地選線和電壓無功綜合控制功能(VQC)。所有站控層設備均采用快速工業(yè)以太網(wǎng)，并按照IEC 61850通信規(guī)范進行系統(tǒng)建模并進行信息傳輸。間隔層主要包括保護裝置、測控裝置以及其他智能設備。低壓間隔層設備直接下放至各間隔智能控制柜及開關柜上，各間隔設備相對獨立，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）、智能開關設備及過程層網(wǎng)絡設備等。過程層使用100M光纖以太網(wǎng),采用雙重化以太網(wǎng)，保證單一故障時不損失任何功能，選用點到點或基于交換機的星型拓樸結構，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的智能設備，轉(zhuǎn)換成符合IEC 61850規(guī)范的接口。各間隔的斷路器等設備，可以在調(diào)度端、站內(nèi)監(jiān)控主機和就地三處進行控制，相互之間具有聯(lián)鎖功能，同一時間內(nèi)只能由一處控制。開關柜和測控柜上設有遠方/就地切換開關和就地控制開關，就地控制開關經(jīng)五防閉鎖。間隔層和過程層之間，采用光纖點對點與過

9、程總線相結合的方式。即交流采樣采用光纖點對點，跳合閘等開關量信息采用GOOSE網(wǎng)絡方式。采樣數(shù)據(jù)獨立，將GOOSE信息單獨組網(wǎng)。方案中采用分相電流差動保護系統(tǒng)，用于實現(xiàn)煤礦井下重要供電線路的差動保護，解決煤礦井下電網(wǎng)繼電保護的選擇性問題；采用智能零時限電流保護技術，各保護裝置的光纖通信接口與GOOSE網(wǎng)絡交換機連接，傳遞邏輯信號。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，下級保護啟動，并通過GOOSE網(wǎng)絡交換機向上級保護發(fā)出閉鎖信號，上級保護裝置收到閉鎖信號后閉鎖保護裝置的速斷保護，下級開關跳開后，閉鎖信號自動消失；若下級開關拒動，上級保護裝置經(jīng)一定延時后自動解除，由上級保護切除故障，解決煤礦供電系統(tǒng)普遍存在的繼電保護“越級跳閘”問題。本方案基于數(shù)字和變電站技術，結合光纖差動保護、弧光保護、智能零時限電流保護和漏電保護技術，采用先進的數(shù)字化通信技術，實現(xiàn)保護裝置間的智能通信，簡化了保護的配置，消除了保護的死區(qū)（包括母線保護死區(qū)），解決了繼電保護快速性和選擇性的矛盾，為實現(xiàn)堅強礦井電網(wǎng)奠定了技術基礎。（三）技術經(jīng)濟分析在技術上，建設數(shù)字化變電站可以減少設備的退出次數(shù)和退出時間，提高設備的使用效率；避免信號傳輸和處理過程帶