智能變電站技術(shù)在煤礦供電工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

王惠臣

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

1 項(xiàng)目背景

隨著我國(guó)煤炭行業(yè)機(jī)械化和智能化程度的不斷提升，對(duì)煤礦供電安全性的要求越來(lái)越高；另外煤礦供電受井下高溫、潮濕、粉塵及瓦斯等特殊環(huán)境影響，容易誘發(fā)供電事故，給煤礦生產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。近幾年來(lái)由于智能電氣設(shè)備、電子通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能變電站的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，國(guó)家電網(wǎng)要求110kV及以上電壓等級(jí)的新建變電站均為智能變電站[1]。為了保證煤礦的生產(chǎn)安全，同時(shí)積極響應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)相關(guān)政策，煤礦新建變電站已逐步改為智能變電站。本文結(jié)合五彩灣一號(hào)煤礦110kV變電站項(xiàng)目，論述智能變電站技術(shù)在煤礦供電工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

五彩灣一號(hào)煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.00Mt/a，全礦計(jì)算負(fù)荷約為22.91MW，采用110kV供電電壓，線路電壓損失小于5%，滿足規(guī)范要求[2]。在副井工業(yè)場(chǎng)地布置一座110kV變電站，兩回110kV電源均引自煤化工基地220kV變電站，架空輸電線路為JL/G1A-240/2×4km。變電站采用半戶內(nèi)站，110kV、35kV及10kV配電裝置、控制室等室內(nèi)布置，變壓器室外布置[3]。投產(chǎn)初期選用兩臺(tái)有載調(diào)壓電力變壓器，容量為31.5MVA，變比為110/38.5/10.5kV，一用一備；達(dá)產(chǎn)后再上一臺(tái)變壓器，兩用一備。110kV采用雙母線接線，配置7臺(tái)GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備；35kV采用雙母線接線，配置7臺(tái)35kV中置式開(kāi)關(guān)柜；10kV采用單母線分段接線，配置36臺(tái)10kV中置式開(kāi)關(guān)柜。在10kV母線上配置兩套SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置，每套容量為10000kVar。

2 設(shè)計(jì)方案比選

目前國(guó)內(nèi)煤礦投運(yùn)的大多為常規(guī)變電站，站內(nèi)IED設(shè)備將傳統(tǒng)電磁型電壓、電流互感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成低電平信號(hào)，通過(guò)電纜將這些測(cè)量值傳輸給繼電保護(hù)、測(cè)控及自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)模塊化，工作可靠性高，繼電保護(hù)相對(duì)獨(dú)立。但由于二次系統(tǒng)采用單元間隔的布置模式，設(shè)備間缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化，輸入信息無(wú)法共享、系統(tǒng)擴(kuò)展困難、接線復(fù)雜。

智能變電站由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過(guò)程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，以IEC61850通信規(guī)范為基礎(chǔ)，使用標(biāo)準(zhǔn)化建模語(yǔ)言，能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠家智能設(shè)備間的信息共享和互操作[4]。智能變電站主要解決了以下問(wèn)題：實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化；避免傳統(tǒng)互感器的絕緣、飽和及諧振等；節(jié)省長(zhǎng)距離電纜、屏間電纜；增加狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能告警等高級(jí)應(yīng)用功能。智能變電站與常規(guī)變電站相比，間隔層和站控層變化較小，只是設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口和通信模型發(fā)生改變，而過(guò)程層變化較大，主要包括兩個(gè)方面：基于電子式互感器的智能化采樣和采用智能單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化。智能變電站和常規(guī)變電站技術(shù)對(duì)比如圖1所示。

通過(guò)智能變電站和傳統(tǒng)變電站的對(duì)比，五彩灣一號(hào)煤礦確定采用110kV智能變電站。本文重點(diǎn)介紹該智能變電站過(guò)程層的設(shè)計(jì)方案，概述變電站“三層兩網(wǎng)”式通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對(duì)智能變電站設(shè)計(jì)和應(yīng)用中遇到的問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)。

3 智能變電站設(shè)計(jì)方案

3.1 過(guò)程層設(shè)計(jì)方案

3.1.1 一次設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)

1)采用電子式互感器。高壓電子式互感器[5]：國(guó)內(nèi)變電站采用的主要是GIS 電子式、獨(dú)立型電子式及直流用電子式互感器。電子式互感器的分類見(jiàn)表1[6]。

中壓電子式互感器：電子式電流電壓互感器測(cè)量范圍寬、精度高、線性度好；電流互感器采用LPCT原理，精度0.2S/5P級(jí)；電壓互感器采用感應(yīng)分壓原理，精度0.2/3P級(jí)。對(duì)于10kV/35kV開(kāi)關(guān)柜形式的間隔，推薦采用常規(guī)互感器：中壓常規(guī)互感器一般不存在飽和問(wèn)題，電子式互感器的抗飽和特性無(wú)法體現(xiàn)；保護(hù)裝置就地裝于開(kāi)關(guān)柜，采樣值傳輸距離很短，電子式互感器節(jié)省電纜優(yōu)勢(shì)無(wú)法體現(xiàn)；電子式互感器體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)對(duì)于開(kāi)關(guān)柜體積沒(méi)有貢獻(xiàn)。

2)采用合并單元及智能終端[7]。合并單元是通過(guò)對(duì)電子式互感器采集的電氣量進(jìn)行合并和同步處理，并將處理后的數(shù)字信號(hào)傳輸給二次設(shè)備，傳輸格式采用IEC61850-9-2或IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)；智能二次設(shè)備均從合并單元獲取一次電流電壓信息。智能終端采用GOOSE通信技術(shù)，由人機(jī)交互和主CPU、輸入、輸出、通信等模塊組成，既具備傳統(tǒng)操作箱的斷路器操作功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)刀閘的分合閘及操作閉鎖等功能，一次設(shè)備的狀態(tài)量也實(shí)現(xiàn)了就地采集。通過(guò)GOOSE實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的信息交互，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、控制精度高。可實(shí)現(xiàn)智能終端、合并單元二合一的模式，保證了在源端實(shí)現(xiàn)GOOSE和SMV的共端口，能夠顯著簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方便了工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用；支持高精度網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)及IRIG-B碼光纖對(duì)時(shí)，滿足了各種不同的對(duì)時(shí)模式；智能終端同時(shí)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及組網(wǎng)的GOOSE和IEC61850-9-2通信。合并單元及智能終端原理如圖2所示。

3)采用智能變壓器。變壓器是煤礦變電站的核心樞紐，傳統(tǒng)變壓器需要定期檢修，維護(hù)繁瑣，供電可靠性有待提高，而智能變壓器實(shí)現(xiàn)了變壓器的保護(hù)及狀態(tài)精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)功能[8]，便于維護(hù)，供電可靠性高。變壓器可能會(huì)發(fā)生多種故障類型，如保護(hù)誤動(dòng)作、繞組短路及油質(zhì)劣化等故障，智能變壓器采用傳感器監(jiān)測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息的采集和處理，能夠準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4)采用GIS智能控制柜。GIS智能控制柜實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS設(shè)備的遠(yuǎn)方/就地控制、儲(chǔ)能電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制、模擬量/位置信號(hào)的采集和監(jiān)視、軟件聯(lián)鎖及諧波分析等一系列功能。通過(guò)優(yōu)化控制回路和聯(lián)合組屏設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制功能的智能化，將GIS監(jiān)控和傳統(tǒng)的二次測(cè)控功能有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成GIS智能控制和測(cè)控功能的一體化。技術(shù)特點(diǎn)：GIS二次回路全部在智能控制柜中完成，實(shí)現(xiàn)測(cè)控、操作箱與GIS智能控制一體化；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠反應(yīng)GIS性能的分合閘回路電流、氣體密度、氣體壓力、溫度等重要信息；GIS一次設(shè)備的本體保護(hù)，取代了以往通過(guò)電纜和傳統(tǒng)繼電器搭建的復(fù)雜外回路；實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的智能化GIS聯(lián)鎖功能，解決了傳統(tǒng)GIS實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能依賴大量輔助接點(diǎn)和電纜導(dǎo)致可靠性低等問(wèn)題；具有內(nèi)置程序化操作服務(wù)器，通過(guò)內(nèi)含操作票實(shí)現(xiàn)GIS的程序化操作，提高了一次設(shè)備可控性。

3.1.2 采樣值的智能化設(shè)計(jì)

1)高壓110kV電子式互感器、合并單元的配置方案：依據(jù)雙重化保護(hù)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，電源、采樣線圈、A/D轉(zhuǎn)換等保護(hù)傳感模塊均需雙重化獨(dú)立配置，可單獨(dú)配置測(cè)量傳感模塊[9]。所有110kV間隔除主變間隔需要配置主、后備一體化雙重保護(hù)外，其余110kV間隔原則上單配保護(hù)。母線PT間隔配置電子式電壓互感器，主變間隔、線路間隔、母聯(lián)間隔配置電子式電流、電壓互感器。除主變間隔因參與變壓器雙重化保護(hù)需配置兩套合并單元外[10]，其余母線PT 間隔、線路間隔、母聯(lián)間隔均為單一配置；可以通過(guò)合并單元實(shí)現(xiàn)電壓并列、電壓切換功能，不再需要配置單獨(dú)裝置。110kV 電子式互感器及合并單元配置如圖3所示。

圖3 110kV 電子式互感器及合并單元配置

2)中壓35kV/10kV電子式互感器、合并單元的配置方案：考慮到間隔層的多個(gè)設(shè)備之間基本上不需要共享35kV/10kV各間隔的電流、電壓信號(hào)，所以不必對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行智能轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行傳輸，而且35kV/10kV電子式互感器的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和常規(guī)互感器相比已不再明顯。故對(duì)于中電壓等級(jí)，仍使用常規(guī)互感器[11]，與就地安裝的保護(hù)、測(cè)控、合并單元、智能終端多合一IED相配合，智能IED采用智能接口進(jìn)行采樣和GOOSE輸出，并完全支持IEC61850。

采用小模擬量輸出的中低壓電子式互感器：保護(hù)裝置就地開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝，集成合并單元功能，中低壓電子式互感器輸出小模擬信號(hào)接入保護(hù)裝置完成A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，母線PT間隔配置單獨(dú)合并單元并把電壓信號(hào)分發(fā)至其他間隔。35kV/10kV 電子式互感器及合并單元配置如圖4所示。

圖4 35kV/10kV 電子式互感器及合并單元配置

3.2 變電站通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

全站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分層分布開(kāi)放式[12-15]，由相互獨(dú)立的過(guò)程層、間隔層和站控層構(gòu)成，智能變電站采用IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率不低于1000Mb/s。全站網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議如下：過(guò)程層合并單元與間隔層之間采用IEC 61850-9-2通信協(xié)議；過(guò)程層智能終端與間隔層之間采用GOOSE通信協(xié)議[16-18]；間隔層之間可傳輸MMS協(xié)議和GOOSE報(bào)文；間隔層與站控層之間采用IEC 61850-8-1通信協(xié)議。全站“三層兩網(wǎng)”通信網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 全站“三層兩網(wǎng)”通信網(wǎng)絡(luò)

站控層采用雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)雙工方式運(yùn)行[19]。以太網(wǎng)絡(luò)具備雙重化冗余功能，采用熱備用模式。繼電保護(hù)裝置采用相互獨(dú)立的控制器數(shù)據(jù)接口接入不同層網(wǎng)絡(luò)。站控層的所有設(shè)備根據(jù)IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)建模并進(jìn)行信息傳輸。間隔層的主變保護(hù)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接采樣方式，通過(guò)與各側(cè)智能終端之間的GOOSE點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纜跳各側(cè)開(kāi)關(guān)，即“直采直跳”方式，通過(guò)各側(cè)開(kāi)關(guān)智能終端的直接跳閘實(shí)現(xiàn)主變非電量保護(hù)；110kV線路保護(hù)亦采用“直采直跳”方式。10kV繼電保護(hù)采用常規(guī)跳閘方式[20，21]。間隔層設(shè)備之間有關(guān)跨間隔保護(hù)或閉鎖功能的信息交換、間隔層與過(guò)程層智能終端之間的信息交換均通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。GOOSE網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)電壓等級(jí)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了雙網(wǎng)冗余配置。通過(guò)間隔層從合并單元采集信息實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層的采樣值傳輸，采樣值報(bào)文采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)。

4 智能變電站存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展

目前煤礦智能變電站設(shè)計(jì)和應(yīng)用還存在以下問(wèn)題：①由于設(shè)計(jì)人員對(duì)智能變電站相關(guān)的新技術(shù)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)了解不夠，所以在方案設(shè)計(jì)和智能設(shè)備選型等方面仍存才一定問(wèn)題；②智能變電站的管理操作規(guī)程不同于常規(guī)變電站，需要根據(jù)其自身特點(diǎn)制訂，現(xiàn)場(chǎng)人員缺乏相關(guān)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)；③開(kāi)放式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全存在一定隱患。上述問(wèn)題在一定程度上制約著智能變電站的發(fā)展。

盡管存在上述問(wèn)題，但是智能變電站在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高設(shè)備可靠性和運(yùn)行效率等方面有著很大優(yōu)勢(shì)，隨著各種設(shè)備在可靠性、穩(wěn)定性和精度等方面的進(jìn)一步改善和設(shè)計(jì)人員對(duì)智能變電站相關(guān)知識(shí)的深入了解，智能變電站必將成為煤礦變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，煤礦供電系統(tǒng)將更加可靠、穩(wěn)定、智能。