煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李建修 邵志敏 李立生 孫勇 張世棟

（山東省電力科學(xué)研究院，山東省濟(jì)南市，250002）

我國(guó)煤礦配電網(wǎng)一般由多級(jí)變電站組成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過(guò)程中的運(yùn)行方式發(fā)生改變時(shí)，工作人員往往無(wú)法及時(shí)掌握系統(tǒng)合環(huán)狀態(tài)。系統(tǒng)合環(huán)后，配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)潮流重新分布，可能會(huì)引起難以控制的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)功率，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作、線路過(guò)負(fù)荷、電氣設(shè)備損壞甚至危及人身安全等事故發(fā)生。目前煤礦配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合環(huán)狀態(tài)主要依靠人員巡視，因此對(duì)煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研制具有重要意義。

本文針對(duì)煤礦配電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了基于自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈的煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)消弧線圈調(diào)諧時(shí)，地面調(diào)度中心同步采集各段母線中性點(diǎn)位移電壓信號(hào)，依據(jù)判據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合環(huán)狀態(tài)。若系統(tǒng)合環(huán)運(yùn)行則搜索規(guī)則庫(kù)，確定合環(huán)開(kāi)關(guān)。

1 煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理

假設(shè)煤礦配電網(wǎng)內(nèi)的n段母線各裝設(shè)一套消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置，若其中的第1，2，…，n段母線在同一環(huán)網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，則其所連的第1，2，…，n臺(tái)消弧線圈并聯(lián)運(yùn)行，此環(huán)網(wǎng)電壓諧振回路如圖1所示。X1，…，Xn分別為這n 個(gè)消弧線圈電抗，XCΣ為環(huán)網(wǎng)對(duì)地容抗，E·0為系統(tǒng)不平衡電壓，U·0為中性點(diǎn)位移電壓。

圖1 電壓諧振回路

假設(shè)地面調(diào)度中心同步采集到的第1，2，…，n段母線的中性點(diǎn)位移電壓分別為U1，U2，…，Un，則理論上應(yīng)有：

式中：U0——系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓有效值，V；

E0——系統(tǒng)不平衡電壓的有效值，V；

XLΣ——n臺(tái)消弧線圈并聯(lián)等值電抗 （XLΣ=1／（X-11+X-12+…+X-1n）），Ω。

當(dāng)其中一臺(tái)消弧線圈調(diào)諧時(shí)，XLΣ變化，U0，U1，U2，…，Un同步變化 （變化幅度與變化方向相同）。于是，設(shè)定煤礦配電網(wǎng)合環(huán)判據(jù)如下：當(dāng)系統(tǒng)某一消弧線圈開(kāi)始調(diào)諧，此時(shí)記為時(shí)刻t1，調(diào)諧完畢時(shí)記為時(shí)刻ts。在t1～ts的這段時(shí)間里，合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各段母線中性點(diǎn)位移電壓按時(shí)間均勻采樣s次，時(shí)刻記為t1，t2…，ts。若其中的n段母線 （包含調(diào)諧消弧線圈所在母線）合環(huán)運(yùn)行，中性點(diǎn)位移電壓采樣值在t1，t2…，ts各個(gè)時(shí)刻一定滿足式 （3）和式（6）：

式中：Ui——第i臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓 （i=1，2，…，n），V；

Uj——第j臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓 （j=1，2，…，n），V；

δ——誤差因子，一般取0.1V。

式中：ΔUi——第i臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓的變化量 （i=1，2，…，n），V；

ΔUj——第j臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓的變化量 （j=1，2，…，n），V；

δ——誤差因子，一般取0.1V。

式中：Ui（tl+1）——tl+1采樣時(shí)刻第i臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓，V；

U（t）——t采樣時(shí)刻第i 臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓，V。

式中：Uj（tl+1）——tl+1采樣時(shí)刻第j 臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓，V；

Uj（tl）——tl采樣時(shí)刻第j 臺(tái)消弧線圈所在母線中性點(diǎn)位移電壓，V。

如果發(fā)現(xiàn)各段目前電壓的變化滿足式 （3）和式（4），則說(shuō)明這n段母線合環(huán)運(yùn)行。

2 煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)則庫(kù)的形成

在煤礦配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定后，若任意兩段或多段母線在同一環(huán)網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，均可確定可能的合環(huán)點(diǎn) （導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)形成閉合的開(kāi)關(guān)），將此信息存儲(chǔ)至調(diào)度端服務(wù)器形成規(guī)則庫(kù)。當(dāng)消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)判據(jù)監(jiān)測(cè)到計(jì)劃外的合環(huán)運(yùn)行。在確定環(huán)網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的各段母線中性點(diǎn)位移電壓異常變化后，即可搜索和匹配規(guī)則庫(kù)，在調(diào)度端服務(wù)器顯示可能的合環(huán)點(diǎn) （導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)形成閉合的開(kāi)關(guān)），從而指導(dǎo)工作人員巡視迅速排除計(jì)劃外的合環(huán)狀態(tài)。合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)如表1所示。

表1 合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。消弧線圈調(diào)諧時(shí)，各控制器將采集到的各段母線中性點(diǎn)位移電壓上傳至調(diào)度服務(wù)器，服務(wù)器依據(jù)判據(jù)判斷可能存在的環(huán)網(wǎng)，若環(huán)網(wǎng)存在則搜索規(guī)則庫(kù)，確定合環(huán)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 程序流程

合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器可以包含消弧線圈并聯(lián)運(yùn)行控制程序模塊，從而系統(tǒng)兼具合環(huán)監(jiān)測(cè)和協(xié)調(diào)控制并聯(lián)運(yùn)行消弧線圈的功能。系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3 運(yùn)行實(shí)例

本合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行于西山煤電集團(tuán)杜兒坪煤礦110kV 變電站，變電站一次系統(tǒng)接線如圖4所示。

圖4 一次系統(tǒng)接線圖

由圖4可以看出，地上變電站含3段母線，分別設(shè)為I段、II段和III段母線，經(jīng)斷路器接入井下變電站。3段母線分別裝設(shè)有消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置。井下變電站不具備遙信功能，無(wú)法監(jiān)測(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)QFD1、QFD2和QFD3的開(kāi)閉狀態(tài)。

2012年9月6日，2＃消弧線圈調(diào)諧，合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到II段和III段母線中性點(diǎn)的位移電壓變化趨勢(shì)如表2所示。

表2 中性點(diǎn)位移電壓變化趨勢(shì)

合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到II段和III段母線的中性點(diǎn)位移電壓滿足式 （3）和式 （4），系統(tǒng)判斷II段和III段母線合環(huán)運(yùn)行并詢問(wèn)運(yùn)行人員可否合環(huán)，運(yùn)行人員給出否定回答，系統(tǒng)搜索規(guī)則庫(kù)得出QFD2閉合并告警。工作人員迅速前往現(xiàn)場(chǎng)，檢查發(fā)現(xiàn)QFD2確實(shí)閉合。

從運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，基于自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈的煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)合環(huán)狀態(tài)并告警，能夠很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈的煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷網(wǎng)絡(luò)合環(huán)狀態(tài)及時(shí)、準(zhǔn)確，投入運(yùn)行后取得了良好的監(jiān)測(cè)效果。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從合環(huán)網(wǎng)絡(luò)的形成到判斷出合環(huán)點(diǎn)需要數(shù)分鐘時(shí)間，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如何依靠消弧線圈控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)合環(huán)狀態(tài)有待進(jìn)一步研究。

［1］ 朱全印，高保衛(wèi).煤礦電網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2009 （9）

［2］ 陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析 ［M］.北京：水力電力出版社，1985

［3］ 鄭淑麗.煤礦井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)分析［J］.煤礦機(jī)械，2004 （10）

［4］ 苑捷 .配電網(wǎng)合環(huán)操作的研究 ［J］ .陜西電力，2007 （4）

［5］ 于建輝，周浩，陸華.杭州10kV 配電網(wǎng)合環(huán)問(wèn)題的研究 ［J］.機(jī)電工程，2007 （10）