煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)設(shè)計

徐永峰

(神華烏海能源有限責任公司， 內(nèi)蒙古 烏?！?16000)

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煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)設(shè)計

徐永峰

(神華烏海能源有限責任公司， 內(nèi)蒙古 烏海016000)

摘要：為保證煤礦第三電源點的安全性、可靠性，設(shè)計了煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)硬件和功能設(shè)計。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對煤礦第三電源點的監(jiān)控和保護功能，提高了煤礦第三電源點的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：煤礦； 儲能系統(tǒng)； 第三電源點； 監(jiān)控系統(tǒng)； 應急電源模式； 在線模式

0引言

當前,煤礦供電系統(tǒng)仍不能滿足安全生產(chǎn)對供電可靠性的嚴格要求，特別是對于高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井或有突水淹井危險礦井，一旦發(fā)生動力電源掉電，將很有可能因為通風和提升設(shè)備不能正常工作而造成極其嚴重的安全事故。因此，增設(shè)獨立的第三電源點，即大容量應急電源，就成為提高煤礦供電可靠性和確保煤礦安全生產(chǎn)的必然選擇。

電池儲能技術(shù)近年來發(fā)展很快，具有可靠性高、啟動迅速、能量密度高、占地面積小、效率高、建設(shè)周期短、站址適應性強等特點[1-4]，非常適用于煤礦應急電源系統(tǒng)的應用。煤礦第三電源點選用電池儲能系統(tǒng)作為電能饋出裝置。

煤礦第三電源點的核心功能：在電網(wǎng)失電時，為煤礦重要負荷(主要通風機和局部通風機)提供可靠的應急后備電源；在電網(wǎng)正常時，使用儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion Unit，PCS)進行動態(tài)無功補償。電池儲能系統(tǒng)中的PCS已經(jīng)具備了在非應急狀況下執(zhí)行無功補償、功率因數(shù)校正以及利用峰谷電價差盈利等多種高附加值功能的潛力[5]?；陔姵貎δ芟到y(tǒng)的煤礦第三電源點的建設(shè)將是兆瓦級儲能技術(shù)在國內(nèi)煤礦配電網(wǎng)的率先應用。儲能系統(tǒng)的各項功能都是通過監(jiān)控通信系統(tǒng)實現(xiàn)的。為此，本文研究和設(shè)計了煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)。

1煤礦第三電源點概況

煤礦第三電源點采用電池儲能技術(shù)實現(xiàn)，硬件系統(tǒng)主要包括電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和監(jiān)控通信系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)包括鉛酸電池管理系統(tǒng)BAT-II和磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)BAT-I，電池的總?cè)萘繛?/3.4 MW·h，其中，鉛酸蓄電池容量約為2.4 MW·h，磷酸鐵鋰電池容量約為1 MW·h；能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)總體規(guī)模為3 MW，由12臺PCS控制柜組成，其中，鉛酸電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS-II的容量為2 MW，磷酸鐵鋰電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS-I的容量為1 MW。煤礦第三電源點總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　煤礦第三電源點總體架構(gòu)

煤礦第三電源點具有應急電源模式和在線模式2種工作模式。在線模式運行時，通過對已有煤礦配電網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)的電能數(shù)據(jù)共享與在線分析優(yōu)化，給6 kV母線I段與II段提供動態(tài)無功補償以及相關(guān)的削峰填谷、負荷跟蹤等有功變化的總體協(xié)調(diào)與控制功能。應急電源模式運行時，通過對已有煤礦配電網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)的開關(guān)數(shù)據(jù)共享與在線分析優(yōu)化，準確判斷并啟動應急電源模式，并為用戶提供手動或自動2種配電網(wǎng)重構(gòu)選擇方式。

2監(jiān)控通信系統(tǒng)功能設(shè)計

煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)要保證與現(xiàn)有煤礦配電網(wǎng)監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與信息同步，以實現(xiàn)在線模式下對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的在線分析與動態(tài)預測，在應急電源模式下對配電網(wǎng)提供主要通風機負荷的手動重構(gòu)與局部通風機負荷的自動重構(gòu)，保證重要負荷的電力供應。監(jiān)控通信系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能有監(jiān)測控制和保護。

2.1監(jiān)測控制功能

煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)按無人值班、有人值守設(shè)計，可通過該系統(tǒng)對煤礦第三電源點實現(xiàn)遠程控制。煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)主要對電池管理系統(tǒng)BMS、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS和繼電保護設(shè)備等的數(shù)據(jù)信息進行采樣和綜合分析，結(jié)合煤礦第三電源點的整體運行方式和運行狀態(tài)，制定合適的控制策略，對鉛酸電池管理系統(tǒng)BAT-II、磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)BAT-I、鉛酸電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS-II和磷酸鐵鋰電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS-I運行參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置，根據(jù)要求自動或手動發(fā)出控制指令，控制煤礦第三電源點充、放電狀態(tài)，實現(xiàn)對煤礦第三電源點的控制和管理。煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)支持接入煤礦供電系統(tǒng)內(nèi)其他規(guī)約設(shè)備，與交、直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置通過RS485串口或以太網(wǎng)連接。

2.2保護功能

(1) 繼電保護：包括過載保護、短路保護、相序保護、頻率保護、交流側(cè)過/欠壓保護等，通過對運行方式的分析和匹配，配置合理的繼電保護裝置，使得在煤礦第三電源點或者電網(wǎng)系統(tǒng)嚴重不正常時，斷開兩者的電氣連接。

(2) 軟件保護：包括通信保護、電池過充/過放保護，通過對各種關(guān)鍵參數(shù)的采樣和分析，當發(fā)現(xiàn)第三電源點處于危險狀態(tài)時由主機主動發(fā)出保護指令，改變第三電源點的工作狀態(tài)，從而保證第三電源點安全；當監(jiān)測到第三電源點已經(jīng)正常時，能自動恢復其正常工作狀態(tài)。

(3) 硬件保護：包括極性反接保護、相不平衡保護、直流端過/欠壓保護、逆變器過溫保護、接地故障保護、電池組異常工況保護、孤島保護等。采用硬件回路對電力電子器件和電池組本身構(gòu)成可靠的保護，一般不允許自動恢復。

3監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象為高壓配電設(shè)備、低壓配電設(shè)備、變壓器、控制電源設(shè)備、變流器設(shè)備、蓄電池組、消防設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、空調(diào)設(shè)備以及這些設(shè)備的電量與環(huán)境參數(shù)等。監(jiān)控內(nèi)容主要有電壓、電流、電度、頻率、設(shè)備運行狀態(tài)、溫濕度等。煤礦第三電源點監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　煤礦第三電源點監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

煤礦第三電源點監(jiān)控系統(tǒng)硬件由4個主要的設(shè)備組成。

(1) 數(shù)據(jù)共享設(shè)備:是煤礦第三電源點與煤礦配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換接口，作為煤礦配電網(wǎng)千兆瓦網(wǎng)絡(luò)的一個分站，主要負責交換的信息包括煤礦6 kV 進線開關(guān)狀態(tài)、儲能變流器6 kV并網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)、儲能變流器6 kV并網(wǎng)開關(guān)控制、主要通風機負荷沿線相關(guān)開關(guān)狀態(tài)、主要通風機負荷沿線相關(guān)開關(guān)控制、煤礦6 kV進線電量、煤礦主要通風機負荷電量、第三電源點6 kV連接點的電量、配電網(wǎng)各開關(guān)點的開關(guān)狀態(tài)與負荷電量、配電網(wǎng)的負荷優(yōu)化開關(guān)控制邏輯與時序等。

(2) 智能分析設(shè)備:是對煤礦配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行實時分析的主要設(shè)備。分析的結(jié)果主要用于2個方面：一是進行負荷的優(yōu)化調(diào)度與調(diào)節(jié)，通過配電網(wǎng)自身對負荷開關(guān)的邏輯組合與時移達到降低尖峰負荷和線損，提高設(shè)備利用率的作用；二是短時間內(nèi)，直接調(diào)用儲能系統(tǒng)對負荷進行削峰填谷。

(3) 監(jiān)測管理設(shè)備:用于對煤礦第三電源點所有相關(guān)設(shè)備進行在線監(jiān)測與管理,收集采集到的測量數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)一方面用作實時控制，另一方面用作故障分析與判斷。

(4) 實時控制設(shè)備:是對儲能應急電源系統(tǒng)中時間響應要求最高級別的電池儲能子系統(tǒng)進行直接控制的設(shè)備，其控制模式的確定來自于智能分析設(shè)備或者監(jiān)測管理設(shè)備。其中智能分析設(shè)備的信息側(cè)重于功率控制流向與大小的命令；監(jiān)測管理設(shè)備的信息側(cè)重于運行模式邏輯選擇與配電組合方式的命令。實時控制設(shè)備會基于這兩方面的要求，最大限度滿足來自于高級控制策略的要求。

4通信系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)設(shè)計主要包括4條通道的設(shè)計，根據(jù)業(yè)務(wù)對通道的需求，各通道均采用光纖通信方式。

保護通道：兩回路6 kV出線均配置光纖電流差動保護，各需2芯專用光纖通道。

遠動通道：第三電源點至地調(diào)SCADA/EMS系統(tǒng)采用1條2 MB專線通道和1條傳輸速率不小于1 200 bit/s的專線通道。

計量通道：第三電源點至地調(diào)計量自動化系統(tǒng)采用1條傳輸速率為1 200 bit/s的專線通道和1條系統(tǒng)撥號通道。

通信通道：分別有2條獨立的調(diào)度電話通道送至地調(diào)。

5結(jié)語

煤礦應用環(huán)境對儲能應急電源系統(tǒng)的安全性和可靠性有著極高的要求，煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)在煤礦電網(wǎng)監(jiān)測中的應用，有效保護了煤礦電網(wǎng)的安全。該系統(tǒng)具有對電網(wǎng)的監(jiān)控和保護功能，在應急電源模式下，第三電源點能夠快速接入煤礦供電網(wǎng)絡(luò)，并完成煤礦供電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；在在線模式下，接入第三電源點，可為變電站母線提供無功，當負荷變化時，無功功率實時變化，功率因數(shù)基本無波動,滿足了煤礦配電系統(tǒng)電能質(zhì)量管理的動態(tài)補償要求。

煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)已在神華烏海能源有限責任公司平溝煤礦通過工業(yè)性試驗，并且取得了良好的使用效果。

參考文獻：

[1]廖懷慶，劉東，黃玉輝，等.基于大規(guī)模儲能系統(tǒng)的智能電網(wǎng)兼容性研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(2)：15-19.

[2]吳賢章，尚曉麗.可再生能源發(fā)電及智能電網(wǎng)儲能技術(shù)比較[J].儲能科學與技術(shù)，2013，2(3)：316-320.

[3]ECKROAD S. Handbook of energy storage for transmission or distribution applications[R].Palo Alto, CA, USA: Electric Power Research Institute (EPRI), 2002.

[4]廖斯達，賈志軍，馬洪運，等. 電化學應用(Ⅰ)——鉛酸蓄電池的發(fā)展及其應用[J]. 儲能科學與技術(shù)，2013，2(5)：514-521.

[5]張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(7)：1-9.

Design of monitoring and communication system for the third power point of coal mine

XU Yongfeng

(Shenhua Wuhai Energy Co., Ltd., Wuhai 016000, China)

Abstract:To ensure safety and reliability of the third power point of coal mine, a monitoring and communication system for the third power point of coal mine was designed, hardware and function design of the system were introduced. The system realizes monitoring and protection function for the third power point, and improves safety and reliability of the third power point of coal mine.

Key words:coal mine; energy storage system; the third power point; monitoring system; emergency power supply mode; on-line mode

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-07 15:23

作者簡介：徐永峰(1958-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，高級工程師，主要從事煤礦機電管理及供電管理工作，E-mail：xyf@shwhny.com.cn。

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2014AA052302-1)；神華集團科技創(chuàng)新項目(ST930014SH01)。

收稿日期：2015-11-26；修回日期：2016-01-26；責任編輯：張強。

文章編號：1671-251X(2016)03-0081-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.019

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1523.019.html

徐永峰.煤礦第三電源點監(jiān)控通信系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(3)：81-83.