神东矿区110kV煤矿智能变电站设计研究李山

神东矿区110kV煤矿智能变电站设计研究李山

李山

（鄂尔多斯市神东工程设计有限公司内蒙古自治区鄂尔多斯市017000）

摘要：煤炭企业110kV变电站及其线路是保障煤矿生产的重要设施，随着国家电网智能变电站的普及，煤矿相关的变电站设计也在朝着智能化方向发展。在智能变电站继电保护方面，将与自适应控制技术、人工智能技术等结合起来，实现保护、控制、测量和数据通信的一体化，是煤矿智能变电站的发展趋势。

关键词：智能变电站；自适应控制技术；人工智能；

1引言

神东煤炭集团所属矿井一般地处远离城市的郊区，在建设初期经常受地理位置及周边电网条件的制约，主供电源大部分采用35kV电压等级供电。随着近几年来，井下6.3m、7.1m、8.8m等大采高重型工作面装备在矿区的投入运行，现有35kV供电网络敷设范围和供电能力有限，全矿井总负荷矩的计算电压降很难控制在5%以内。因此，神东近年来规划设计的大型矿井进线电源，普遍采用电压等级较高的110kV电源供电，这也符合《煤炭工业矿井节能设计规范》GB51053-2014在节能方面的要求。

矿井110kV总降压变电站及其线路是保障煤矿生产的重要设施，对矿井的生产及安全起着非常重要的作用。我国110kV及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式，这样中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过1.4倍运行相电压；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，漏电保护能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短，使整个系统设备绝缘要求水平降低，从而大幅降低造价。

2.传统设计存在的问题

传统模式下的煤矿110kV变电站，由于建站初期没有统一模板，存在监控、保护、远动和计量等多个网络，设备兼容性较差。常规变电站通过电磁型电流互感器和电压互感器完成信息采集工作，系统内部各装置之间相对独立，功能较分散，缺乏整体性，难以实现信息共享。

3.国内智能电网的建设情况

近年来，国家电网公司大力推广的智能变电站建设，广泛运用了新设备，推动了变电站的信息数字化等建设，成为了构建“坚强智能电网”的关键支撑。2009年，国家电网公司发布《智能变电站技术导则》企业标准，首次明确了智能变电站定义，并对智能变电站发展思路、建设理念提出了系统性要求。2012年，经修订更新后，该标准成为国家标准。自此，我国智能变电站建设发展有了有效指导。自2013年起，国家电网公司开始创新变电站工程建设模式，开展标准配送式智能变电站建设，推行“标准化设计、模块化建设”，带动了整个电力行业的革命。

神东煤炭集团组织各部门参观了国网公司北京供电局海青落110KV变电站、南网公司贵阳供电局滨湖110KV变电站。海青落110kV变电站是国家电网公司最新投运的新一代智能变电站，同时也是全国六个新一代智能变电站示范工程之一，于2013年10月30日正式投入运行。滨湖110KV变电站是南方电网公司于2012年3月2日正式投入运行。通过两座110kV变电站的实地考察，加深了笔者对110kV智能变电站的印象。

4.智能变电站的定义与组成

智能变电站是坚强智能电网的基石和重要支撑，是承载和推动新一轮能源革命的基础平台之一，而且智能变电站具有极强的适应性和兼容性。

4.1智能变电站的定义：

智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

2、智能变电站的结构

智能变电站从逻辑上看，采取三层两网式结构，如图1。三层即过程层、间隔层、站控层，两网即过程层网络、站控层网络。网络结构基本采用冗余网络，采用双星型网构拓扑结构。

（1）过程层：主要包括变压器、断路器、隔离刀闸、电流互感器、电压互感器等一次电气设备及所属的智能组件以及独立的智能电子装置，实现测量、控制、状态检测等功能。

图1智能变电站体系结构示意图

（2）间隔层：主要包括数字化保护装置、测控装置、监测功能组等二次设备，利用过程层网络实现对一次设备的测量与控制。

（3）站控层：主要包括保护及工程师站、信息一体化平台工作站（五防、备自投、顺序控制等其它高级应用功能）、远动工作站、在线监测站、智能辅助系统（遥视安防、消防给水控制、全站温湿度监测与控制、照明控制等）、对时系统。

（4）过程层网络：为了确保采样及跳合闸的正确性，保护及测控采取直采直跳组网模式。即MU采样后SV报文直接上传给保护及测控装置，保护装置及测控装置跳、合闸直接下传给智能终端，中途数据不经过交换机转发。因此过程层网络中SV不在单独组网，只包括GOOSEA网、GOOSEB网。由于光纤对电磁辐射具有天然的免疫，它成为了过程层网络传输的首选介质。

（5）站控层网络：间隔层通过站控层网络与站控层联络，从而实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

5.神东现有变电站与智能变电站的差异

现有变电站采用组合电器+电磁式互感器的模式；而智能变电站采用组合电器+电子式互感器+智能组件或智能一次设备的模式。

5.1二次设备差异：

现有变电站监视、保护、控制、故障录波、测量以及计量等装置采用单一装置模式，设备配置重复，监测系统庞大。现有变电站通信准则没有标准，各个设备之间通信规约均存在差异，要实现设备间自由交换数据，增加大量的规约转换设备，系统繁杂。继电保护装置使用二次电缆连接，保护装置背板端子引导屏柜端子排上，在端子排和保护装置之间添加硬压板，通过二次电缆将各个保护屏柜连接起来，在由调试人员对装置的功能以及二次回路进行测试。现有变电站跳闸、合闸、或者装置设备之间的启动、闭合等功能都是通过二次电缆实现，二次回路的接触不良，设备就会发出报警、断线等信号，二次回路故障导致的线路断线往往无法被及时发现，影响供电系统的正常供电。

智能变电站侧实现了信息采集、网络通信以及数据的共享。采用电子式互感器，使数据采集智能化。监视、保护、控制、故障录波、测量以及计量等装置智能结合，避免设备配置重复，实现信息共享，及时有效的获取变电站运行状态的相关数据，利用智能化装置对所有功能单元有效监视。采用GOOSE网络，二次回路虚拟化，通过GOOSE网络连接警示系统，对二次回路故障进行及时监督，通过IEC61850通信标准，实现了各设备之间的互通性利用网络代替电缆，提高了信号传输质量，实现传输回路自检，提高供电系统稳定性。

5.2运行维护方面差异

智能变电站实现了设备的网络化、智能化，实现了设备与变电站之间的信息传输，并在传输过程中，实现了将电磁信号转变为数字信号，利用计算机处理后这样就转变为一种虚回路的方式，主要差异有：

（1）改变了保护功能压板投退。在进行保护功能时，现有变电站通过硬压板的方式来保护后台系统，然后在后台界面中实现，智能变电站的结构形式是软压板，相对于原来保护装置，智能变电站可以通过强大的网络控制系统，实现远程监控、只需要人员在后台上进行操控就可以完成。

（2）改变了开关跳、合闸压板的投退。与现有变电站跳、合闸压板的结构相比，智能变电站简化模拟为计算机软件操作，通过智能控制装置实现变电站内部所有开关保护装置的跳、合闸。

（3）二次设备巡视重点发生改变。二次设备的网络化，使数据被装置共享。一个MU采集的电流、电压信息可以同时给线路保护（主变保护）、母线保护、测控装置所使用。智能终端采集的开关、刀闸信息在GOOSE网络中共享给测控装置、保护装置、合并单元。这些装置一旦发生故障，影响范围较大，必须等同于一次设备故障处理。

（4）检修状态压板的作用发生改变。原来装置检修状态压板作用是屏蔽装置的故障、动作信息，不上传给站控层。智能变电站为了方便设备检修，在检修过程中不发生误跳合闸，在保护装置、测控装置、智能操作箱、合并单元都配置了相应“检修状态”硬压板。在装置的“检修状态压板”加用后，其网络数据打上了“检修”的标记，装置间的逻辑关系取决于此标记。例如：保护装置“检修状态压板”加用，智能操作箱未加用，当保护装置跳闸指令发出后，开关不会跳闸，因智能操作箱的“检修状态压板”未加用，二者状态不对应。

（5）GPS对时系统的作用发生改变。常规变电站GPS系统作用是确保全站时间一致性，以便于故障分析。智能变电站GPS系统的时间同步关系到数字保护功能的可靠性、动作正确性，以及正确分析处理事故的能力，它是实现站域、区域实时控制的安全策略基础。与常规综自系统变电站相比，GPS对时系统地位更加重要。

（6）设备验收过程发生改变。智能变电站的二次回路通过全站SCD配置文件实现，为了检验SCD文件合法性、数据模型内外描述一致性、以及全站智能设备互操性及一致性，需要进行厂内联调。在厂家联调过程中系统集成商将除了一次设备（变压器、断路器、隔离刀闸等）外的所有二次系统相关设备在厂内完成安装、模拟文件配置、装置调试。设备调试中的一大部分调试项目在厂内完成，实现最大化的工厂工作量，最小化现场工作量。厂内联调过程验收成为了必不可少的环节。

6.智能变电站对继电保护的要求

继电保护装置要求一旦电力系统发生故障，保护设备能自动地、快速地、有选择性地借助于断路器将故障元件从电力系统中切除，保证无故障元件快速恢复正常运行，并使故障元件免于继续遭受破坏。

当前较为普遍使用的微机型综合保护装置，是一种集保护、控制、测量和数据通信于一身的装置，它将继电保护与人工智能技术、自适应控制技术等结合起来，有着十分强大的功能，也是继电保护的发展趋势。

人工智能技术，如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究。专家系统、人工神经网络和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。

近年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确做出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。

自适应继电保护能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣，是微机保护具有生命力和不断发展的重要内容。

自适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，采用自适应控制技术，从而提高保护的性能。

7.智能变电站优势

在智能变电站中，光纤代替电缆，设计安装调试都变得简单。模拟量输入回路和开关量输入输出回路都被通信网络所取代，二次设备硬件系统大为简化。统一的信息模型，避免了规约转换，信息可以充分共享。可观测性和可控性增强，产生新型应用：如状态监测、站域保护控制。

智能化变电站采用先进的传感器、信息、通信、控制、智能等技术，以一次设备参量数字化和标准化、规范化信息平台为基础，实现变电站运行监视信息全面、操作控制的高安全可靠、综合信息分析和智能告警等功能，达到“系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保、支撑调控一体”新一代智能变电站。

图2设备智能演变示意图

8.总结

智能变电站建设是国家电网发展的一个必然趋势，也指明了未来煤矿电网设计的方向。智能变电站在继电保护方面，将与自适应控制技术、人工智能技术等结合起来，实现保护、控制、测量和数据通信的一体化，继电保护技术必将向着自动化、智能化、网络化的方向发展。

智能变电站建设涉及输电线路，供电、通信、网络、安全、土建、通风等多个专业，在国网、南网专业电力设计院有典型设计方案，在设计细节方面考虑较为周全。随着数字矿山和智慧矿山在神东矿区的推广运用，引入国家电网公司和南方电网公司新型的智能变电站设计，提高煤矿供电的可靠性，全力保障煤矿的用电安全，已经成为一种必然趋势。

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