1、煤矿供电系统数字化发展探讨【关键词】探讨,发展,数字化,供电系统,煤矿,开关设备采用智能终端方案改造后可具备信号数字化测量和网络化控制功能，并具备部分在线监测功能。智能终端通信采用光纤以太网接口，应用 IEC 61850 面向通用对象的变电站事件（GOOSE）服务接收保护和控制单元的分合闸信号，传输断路器、隔离开关位置及压力低闭锁重合闸等信号。目前智能终端方案的最大优点在于基于成熟的间隔层数字化技术，能在大量减少电缆、节约占地、提升数字化水平的同时，满足可靠性和稳定性的要求。未来智能开关设备会引入在线监测功能、电子操动机构等新技术，集操作控制、信息采集、设备在线监测、采样值传输等功能于一身的智
2、能开关设备将成为开关设备智能化的发展必然趋势。（二）网络化二次设备由于智能化一次设备的发展，能够提供数字化通信接口，通信光缆替代了设备间的控制、信号和电流电压电缆，二次设备也相应的要求具有网络化的通讯功能，以实现信息传递和数据共享。工业以太网技术在变电站二次系统已经得到成功应用，为数字化变电站的应用推广提供了关键的通信平台，使得数字化变电站高速、可靠的实时信息网络构建得以实现。数字化变电站取消了二次电缆，设备间的信息交换传输均依赖于网络，运行设备的状态信息、站内各种互联闭锁信息及保护、测控、自动装置等动作跳合闸命令均在以太网络传输、共享，二次设备不再出现功能重复的 I/O 接口及其外部接线，常
3、规的功能装置变成了逻辑的功能模块，二次设备之间连接采用高速的网络通信取代常规电缆接线，可以大量简化站内二次接线,节省二次电缆投资和占地面积，而且没有硬接点连线，提高了抗干扰能力，也在一定程度上避免了运行中由于二次电缆引发的变电站事故。（三）采样同步和延时为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一个时间点上获得采样数据，传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在这个问题，电子式互感器输出的数字信号就必须含有时间信息，合并单元在送出的采样值中必须打上时标，提供给二次设备，时标分为相对时标（序号）和绝对时标（时间）两种。目前变电站各种 IED 均采用数字化处理技术，内部晶振回路可以在输出信息中附
4、以时标信息，但内部晶振回路因设备的质量、使用寿命会产生较大的时间偏差，在实际系统应用中不同设备的时间累积误差会很大。因此，变电站内所有的 IED 必须实现互相之间时间同步，并与外部同步信号源同步，同步接口可以使不同地点安装的设备具有基准的时间点。目前基本的时钟同步方式包括 IRIG-B 同步时钟、脉冲（PPS、PPM）同步时钟、串口通信同步时钟、网络同步时钟 SNTP 等，其中 IRIG-B 同步时钟、脉冲同步时钟在电力系统中的设备得到比较广泛的应用，串口通信时钟同步主要直接针对主站计算机。现在一种新的对时方式 IEEE 1588 正在数字化变电站中得到推广应用，它通过以太网底层硬件打报文进出
5、时标，实现了亚微妙级别对时，使得同一个光纤以太网端同时实现数据通信和时钟同步，是数字化变电站对时未来发展的方向，IEEE 工作组正在在研究其电力子集。二、数字化技术在矿井电网中的应用（一）矿井电网存在的主要问题1、越级跳闸目前我国煤炭企业电网普遍采用多级辐射状供电模式，其特点为：一方面由于延伸级数较多，上级电网配合时限越来越短，造成各级保护时限无法配合；另一方面由于供电系统容量增大、供电线路短，不同级别的短路电流很接近，造成各级保护的电流定值无法配合。2、漏电保护问题我国 335kV 矿井电网一般采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式。过去当系统发生单相接地故障时，一般依靠逐条出线拉闸停电来
6、判断故障线路，严重地影响供电的可靠性。3、母线保护死区目前国内中低压电网一般不配置专用的快速母线保护，而是依赖上一级变压器的后备保护切除母线短路故障，因故障切除时间过长，加重了设备的损伤程度，破坏严重时可能造成事故进一步扩大，威胁电力系统的稳定运行。4、矿井电网自动化水平低，技术管理手段落后由于煤矿井下电网的特殊性，井下电网的自动化应用水平较低，保护技术不完善、采用的保护和测控装置的软硬件技术平台落后，各家使用的协议、通信接口不兼容，造成系统联网困难，技术管理手段落后。（二）矿井电网的数字化改造本文根据煤矿供电系统的特点，设计了一个矿井电网数字化改造方案（图） 。图 数字化改造方案矿井电网数字
7、化变电站采用分层、分布式网络结构，由站控层、间隔层和过程层三部分组成。站控层包括监控主机/操作员工作站、远动主机、网络设备及打印机等，完成站内监控功能，为变电站提供运行、管理、工程配置的界面，并记录站内所有相关信息。远动主机通过远动通道向调度端传送信息。监控主机可进行当地操作，并形成当地报表；还可与间隔层设备共同实现小电流接地选线和电压无功综合控制功能(VQC)。所有站控层设备均采用快速工业以太网，并按照 IEC 61850 通信规范进行系统建模并进行信息传输。间隔层主要包括保护装置、测控装置以及其他智能设备。低压间隔层设备直接下放至各间隔智能控制柜及开关柜上，各间隔设备相对独立，仅通过通讯网
8、互联，和站控层采用以太网通信。过程层包括电子式互感器（含合并器） 、智能开关设备及过程层网络设备等。过程层使用 100M 光纤以太网,采用双重化以太网，保证单一故障时不损失任何功能，选用点到点或基于交换机的星型拓朴结构，传输介质选用光纤。变电站内配置规约转换器，将 UPS、直流屏、五防、GPS 等不支持IEC 61850 的智能设备，转换成符合 IEC 61850 规范的接口。各间隔的断路器等设备，可以在调度端、站内监控主机和就地三处进行控制，相互之间具有联锁功能，同一时间内只能由一处控制。开关柜和测控柜上设有远方/就地切换开关和就地控制开关，就地控制开关经五防闭锁。间隔层和过程层之间，采用光
9、纤点对点与过程总线相结合的方式。即交流采样采用光纤点对点，跳合闸等开关量信息采用 GOOSE 网络方式。采样数据独立，将 GOOSE 信息单独组网。方案中采用分相电流差动保护系统，用于实现煤矿井下重要供电线路的差动保护，解决煤矿井下电网继电保护的选择性问题；采用智能零时限电流保护技术，各保护装置的光纤通信接口与 GOOSE 网络交换机连接，传递逻辑信号。当系统发生短路故障时，下级保护启动，并通过GOOSE 网络交换机向上级保护发出闭锁信号，上级保护装置收到闭锁信号后闭锁保护装置的速断保护，下级开关跳开后，闭锁信号自动消失；若下级开关拒动，上级保护装置经一定延时后自动解除，由上级保护切除故障，解
10、决煤矿供电系统普遍存在的继电保护“越级跳闸”问题。本方案基于数字和变电站技术，结合光纤差动保护、弧光保护、智能零时限电流保护和漏电保护技术，采用先进的数字化通信技术，实现保护装置间的智能通信，简化了保护的配置，消除了保护的死区（包括母线保护死区） ，解决了继电保护快速性和选择性的矛盾，为实现坚强矿井电网奠定了技术基础。（三）技术经济分析在技术上，建设数字化变电站可以减少设备的退出次数和退出时间，提高设备的使用效率；避免信号传输和处理过程带来的附加误差，提高保护、测量和计量系统的精度；提供更完善的状态检测功能；原来冗余控制回路如防跳、不一致、压力闭锁等二次接线得以简化和优化，提高系统的可靠性，进
11、一步提高自动化和管理水平，具有很大的现实意义。在经济上，与常规综合自动化系统变电站相比，按数字化变电站会增加电子式互感器、智能终端、网络交换机等设设备，投资会有所增加。但是数字化变电站采用了光缆联结，节省大量控制电缆，降低了土方量，既节省了投资，又便于施工，最终数字化变电站与常规综合自动化系统变电站综合费用应大致相当，甚至更低。三、结束语通信技术、信息技术的发展推动了数字化变电站的发展，以数字式的网络通信代替传统的硬接线，从而使变电站整体具备了优化整合的条件。本文根据煤矿电力系统的特点，探讨了矿井电网数字化改造方案，探讨煤矿供电系统数字化变电站架构和模式，并为建设坚强矿井电网提供可借鉴的经验。
12、数字化变电站是未来变电站发展的必然方向，未来很多传统配置的变电站也面临着向数字化方向改造的需求，煤矿电力系统也应该紧跟技术发展潮流，进行全数字化变电站的试点，为传统设备的变电站向数字化方向进行改造提供工程依据和借鉴的经验，同时也为全数字化变电站的普及提供理论实现的依据和工程建设的经验，研究并制定数字化变电站的各种规范，为数字化变电站的推广和应用作好准备。数字化电站涉及多学科、多种产品，是一个庞大复杂的体系，需要多个专业的协同工作，智能化开关、数字式互感器、建模工具、系统配置工具、IED 配置工具、报文仿真分析工具、数字式继电保护测试设备等需要应用，从传统上打破了电力系统固有的专业划分。数字化变电站是一个不断发展的过程，其应用应从生产实际需要出发，考虑技术和管理上的现实可能，积极探索，稳妥推进。
