1、煤矿智能供电设计研究 侯继才 煤炭工业合肥设计研究院 摘 要： 本文探讨了煤矿智能供电设计内容:智能化供电系统按逻辑功能化分为站控层、间隔层和过程层, 系统具有顺序控制、防越级跳闸、高级应用功能, 采用具有实时在线监测电气参数及环境参数的高压智能设备, 分析了煤矿智能供配电系统设计选型注意事项, 阐述其安全可靠、运行经济、智能集成的技术优势, 表明其在煤矿具有很好的推广应用价值。关键词： 智能变电站; 过程层; 间隔层; 站控层; 防越级跳闸; 作者简介：侯继才 (1977-) , 男, 安徽临泉人, 高级工程师, 学士, 从事电气设计研究工作, 研究方向煤矿智能供电及矿井电气自动化。收稿日期
2、：2017-8-14Received： 2017-8-14引言发展智能电网在欧美国家已经上升到国家战略层面, 我国 2010年已经开始着手建设, 规划至 2020年将全面建成统一坚强的智能电网, 技术和装备全面达到国际先进水平。煤矿含有通风机、副井提升机、排水泵等大量一级负荷, 供电安全等级要求特别高。煤矿供电受着特殊环境及工作方式影响, 如井下高温、潮湿、粉尘、有害气体、冒顶、移动供电等会造成矿井供电事故频发;煤矿井下供电由于供电级数多等各种原因易发生越级跳闸。煤矿采用智能供电, 能够实现无人值守远程监控, 提高可靠性和安全性, 防止事故越级跳闸。1 智能变电站的概念所谓“智能变电站”即采用
3、可靠、经济、集成、节能、环保的设备与设计, 以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、信息功能集成化、结构设计紧凑化、高压设备智能化和运行状态可视化等为基本要求, 能够支持电网实时在线分析和控制决策, 进而提高整个电网运行可靠性及经济性的变电站1。2 煤矿智能供电设计研究2.1 淮南某煤矿智能供电设计依据按淮南某煤矿初步设计确定的供电方案、结合国家智能电网的未来发展趋势以及煤矿供电安全可靠性要求, 我院为其设计了地面 110k V智能变电站和智能供电系统。设计依据主要包括110 (66) 220k V 智能变电站设计规范、智能变电站技术导则等国家及国网公司标准。2.2 淮南某煤矿 11
4、0k V智能变电站简介该煤矿 110k V智能变电站设 2回路 110k V电源进线, 站内设 2台 110k V容量为 40MVA三卷主变, 110k V 采用 GIS全封闭组合开关开关, 其断路器、隔离开关、接地刀采用电动操作, 35k V 和 10k V采用具有电动操作机构及电动手车的中置式开关柜, 各电压等级均采用单母分段接线。本智能变电站基于IEC61850通信标准, 采用分层、分布式网络结构, 各层相互独立, 其中站控层和过程层采用双网络。主变保护采用双重化保护配置, 其余采用集成化单套保护配置。智能变电站设全矿供电调度控制管理中心, 各二级变电所设监控分站, 能够实现对全矿井供电
5、系统数据采集、运行监视、操作控制、智能告警、故障分析, 并能与站内外通信。2.3 智能变电站设计配置2.3.1 智能变电站电气一次部分配置站内 110k V GIS配置常规电流电压互感器, GIS 开关断路器、隔离开关、接地刀支持顺序控制功能。GIS 开关设有 SF6气体密度和微水状态诊断装置, 可在线监测各开关气室内压力、温度和微水含量, 能满足一次设备 GIS智能综合分析报警功能。110k V GIS 开关室配置环境 SF6安全监控装置一套, 可实时监测GIS开关室环境 SF6、氧气含量、温湿度等数值, 当 SF6气体含量超出标时可自动发出声光报警并能自动启动风机换气。站内设 2台主变设有
6、载调压开关和电动接地开关。每台主变设油色谱气体在线监测仪, 可在线监控变压器油中含气量、含水量等。每台主变压器配一个智能组件, 具有主变压器本体、有载开关各种非电量保护跳闸、上传本体各种非电量参数等功能, 非电量保护跳闸通过控制电缆直跳方式实现, 智能组件安装于主变压器本体端子箱内。35/10k V系统采用单母分段接线, 开关柜采用铠装中置式金属封闭开关设备, 各开关柜断路器、手车、接地开关满足顺序控制功能要求。2.3.2 智能变电站电气二次部分配置站控层设备包括主机兼操作员工作站、数据服务器、站控层交换机、远动主站、网络设备、北斗/GPS 对时设备、智能规约转换装置、音响报警等装置。站控层采
7、用双重化冗余以太网络, 热备用方式运行, 双网双工方式运行, 能实现网络无缝切换。该层通过操作员工作站可以实现对全矿井供电一次设备运行操作和顺序控制, 实现对全矿高压供电设备各电气参数遥测、设备状态监视、设备故障报警及事故追忆, 具有事件顺序记录、制表打印、时钟同步, 自检测和诊断功能。智能规约转换装置具备将非标准的设备如消防、直流、五防、消弧线圈、无功补偿等监测信息转换为符合 DL/T 860 (IEC 61850) 标准信息模型的功能。间隔层设备主要有继电保护装置、测控装置、电能计量装置、集中式处理装置等二次设备, 间隔层各保护采用直采直跳方式。主变非电量保护通过各侧开关智能终端直接跳闸,
8、 每台主变保护双套配置, 主后保护一体化。110k V 线路保护测控设备分间隔组屏就地安装在 GIS室。35/10k V 开关柜保护为常规跳闸方式, 采用智能保护测控合并单元智能终端一体化装置, 装置安装于开关柜内。过程层设备主要包括合并单元、智能终端、智能开关设备及过程层网络设备等。主变各侧开关配置相互独立的 2套合并单元和智能终端, 以满足主变双重化保护要求, 各电压等级的其它开关单重化配置, 合并单元和智能终端就地安装在GIS汇控内或开关内。2.4 防越级跳闸矿井供电系统包括地面各级车间变电所及井下中央、采区、各水平等变电所, 整个供电系统接线采用多级放射式, 具有多级供电和线路长度较短
9、的特点, 对传统的保护整定配合带来很大困难, 即短路保护整定灵敏度不足需要采用限时速断保护, 由于上级区域变电站给出的过流时限限制及各级变电所上下级时限差的累计, 最后导致过流时限根本无法配合, 如图 1。假设上级电力公司区变过流时限为 t1=1s, 时限级差为 t=0.3s, 经过高压侧、主变低后备 (t2、t3=0.7s) 、母线出线 (t4、5=0.4s) 、井下中央变 (t6、7=0.1s) 、采区变过流 (t8) 已没有时限了, t6、7=0.1s 比限时速断时限还小, 极易发生越级跳闸, 扩大事故停电范围。这是矿井发生越级跳闸主要原因, 另外还有 4种原因及其解决方法丁静波在煤矿供
10、电越级跳闸问题解决方案研究2中都有明确的分析阐述, 这里不再分析。因此目前利用智能供电网络技术, 采用光纤短差保护、集中闭锁保护、站域集控保护、数字集成保护等方式可以轻易解决越级跳闸问题, 保护范围包括地面供电母线出线柜、中央变电所、采区变电所等, 保护装置将保护范围内的出线、进线柜的电流、电压、断路器开合信号全部采集, 当某部分发生故障时, 保护装置通过判断瞬时或短延时准确跳闸, 将事故停电范围限制在最小范围内, 防止越级跳闸, 减少事故损害程度。图 1 上下级时限配合 下载原图3 与传统变电站技术经济比较智能变电站相比常规变电站投资, 主要在于一次设备增加实时在线监测的传感器, 电子式互感
11、器价格较高, 各高压侧及主变间隔设合并单元及智能终端, 监控系统各层增加网络交换机等, 但可以减少 90%的二次控制电缆, 总投资略多。以本次设计淮南某矿为例, 采用智能化保护监控系统增加投资 60万元, 变电所总投资约为 2800万元, 增加费用占总投资的 2.1%, 占比不大。但随着设备技术成熟及产能扩大, 上述设备价格将会大大降低。4 设计几点注意事项智能变电站具备很多新的功能及优点, 但还存在技术不很成熟的地方, 加上煤矿供电安全可靠性要求高, 因此在煤矿智能变电站设计及设备选型时应注意以下几点:(1) 安全可靠性原则:以现有国家规范为依据, 充分评估各种新技术、新设备的应用风险, 以
12、技术成熟、安全可靠为前提, 不过分追求先进性, 设计采用已经完成挂网运行或权威技术鉴定的产品, 以保障变电站建成后能安全可靠、高效稳定、低碳经济地运行。(2) 经济实用性原则:根据变电站电压等级、建设规模、需求等要求, 进行技术经济论证, 设计出技术先进经济合理的智能变电站。(3) 国家标准适当提高原则:本设计考虑煤矿供电安全可靠性要求较高特点, 国家规范规定“宜”部分按高标准配置设计。如 GIS开关的微水状态诊断装置、主变的油色谱气体在线监测仪、主变双重化保护配置等比国家标准要求较高要求设计。5 结论IEC61850是新一代变电站自动化系统的国际标准, 是至今为止最为完善的变电站自动化标准, 采用此标准可以大大提高变电站自动化智能化水平、提高变电站安全稳定运行水平, 实现设备完全的互换性及互操作性, 节约运行维护的人力物力, 减少设计二次接线设计工作量, 具有大力推广意义。参考文献1智能变电站设计技术规定 (DL/T5510-2016) S. 2丁静波.煤矿供电越级跳闸问题解决方案研究J.煤炭科学技术, 2014, 24 (2) :6367.
