王惠臣

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

1 项目背景

随着我国煤炭行业机械化和智能化程度的不断提升，对煤矿供电安全性的要求越来越高；另外煤矿供电受井下高温、潮湿、粉尘及瓦斯等特殊环境影响，容易诱发供电事故，给煤矿生产安全带来严重威胁。近几年来由于智能电气设备、电子通信等技术的飞速发展，智能变电站的应用也越来越广泛，国家电网要求110kV及以上电压等级的新建变电站均为智能变电站[1]。为了保证煤矿的生产安全，同时积极响应国家电网相关政策，煤矿新建变电站已逐步改为智能变电站。本文结合五彩湾一号煤矿110kV变电站项目，论述智能变电站技术在煤矿供电工程中的设计和应用。

五彩湾一号煤矿设计生产能力为6.00Mt/a，全矿计算负荷约为22.91MW，采用110kV供电电压，线路电压损失小于5%，满足规范要求[2]。在副井工业场地布置一座110kV变电站，两回110kV电源均引自煤化工基地220kV变电站，架空输电线路为JL/G1A-240/2×4km。变电站采用半户内站，110kV、35kV及10kV配电装置、控制室等室内布置，变压器室外布置[3]。投产初期选用两台有载调压电力变压器，容量为31.5MVA，变比为110/38.5/10.5kV，一用一备；达产后再上一台变压器，两用一备。110kV采用双母线接线，配置7台GIS开关设备；35kV采用双母线接线，配置7台35kV中置式开关柜；10kV采用单母线分段接线，配置36台10kV中置式开关柜。在10kV母线上配置两套SVG无功补偿装置，每套容量为10000kVar。

2 设计方案比选

目前国内煤矿投运的大多为常规变电站，站内IED设备将传统电磁型电压、电流互感器的输出信号转换成低电平信号，通过电缆将这些测量值传输给继电保护、测控及自动化系统。该系统的优点是结构模块化，工作可靠性高，继电保护相对独立。但由于二次系统采用单元间隔的布置模式，设备间缺乏整体的协调和功能优化，输入信息无法共享、系统扩展困难、接线复杂。

智能变电站由智能化一次设备和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建，以IEC61850通信规范为基础，使用标准化建模语言，能够实现不同厂家智能设备间的信息共享和互操作[4]。智能变电站主要解决了以下问题：实现一次设备智能化；避免传统互感器的绝缘、饱和及谐振等；节省长距离电缆、屏间电缆；增加状态监测、智能告警等高级应用功能。智能变电站与常规变电站相比，间隔层和站控层变化较小，只是设备的网络接口和通信模型发生改变，而过程层变化较大，主要包括两个方面：基于电子式互感器的智能化采样和采用智能单元技术实现一次设备的智能化。智能变电站和常规变电站技术对比如图1所示。

通过智能变电站和传统变电站的对比，五彩湾一号煤矿确定采用110kV智能变电站。本文重点介绍该智能变电站过程层的设计方案，概述变电站“三层两网”式通信网络结构，并对智能变电站设计和应用中遇到的问题进行归纳总结。

3 智能变电站设计方案

3.1 过程层设计方案

3.1.1 一次设备的智能化设计

1)采用电子式互感器。高压电子式互感器[5]：国内变电站采用的主要是GIS 电子式、独立型电子式及直流用电子式互感器。电子式互感器的分类见表1[6]。

中压电子式互感器：电子式电流电压互感器测量范围宽、精度高、线性度好；电流互感器采用LPCT原理，精度0.2S/5P级；电压互感器采用感应分压原理，精度0.2/3P级。对于10kV/35kV开关柜形式的间隔，推荐采用常规互感器：中压常规互感器一般不存在饱和问题，电子式互感器的抗饱和特性无法体现；保护装置就地装于开关柜，采样值传输距离很短，电子式互感器节省电缆优势无法体现；电子式互感器体积小、重量轻的优势对于开关柜体积没有贡献。

2)采用合并单元及智能终端[7]。合并单元是通过对电子式互感器采集的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号传输给二次设备，传输格式采用IEC61850-9-2或IEC60044-8标准；智能二次设备均从合并单元获取一次电流电压信息。智能终端采用GOOSE通信技术，由人机交互和主CPU、输入、输出、通信等模块组成，既具备传统操作箱的断路器操作功能，还能够实现刀闸的分合闸及操作闭锁等功能，一次设备的状态量也实现了就地采集。通过GOOSE实现与其他设备的信息交互，实时性强、控制精度高。可实现智能终端、合并单元二合一的模式，保证了在源端实现GOOSE和SMV的共端口，能够显著简化网络结构，方便了工程设计和现场使用；支持高精度网络对时及IRIG-B码光纤对时，满足了各种不同的对时模式；智能终端同时支持点对点及组网的GOOSE和IEC61850-9-2通信。合并单元及智能终端原理如图2所示。

3)采用智能变压器。变压器是煤矿变电站的核心枢纽，传统变压器需要定期检修，维护繁琐，供电可靠性有待提高，而智能变压器实现了变压器的保护及状态精准在线监测功能[8]，便于维护，供电可靠性高。变压器可能会发生多种故障类型，如保护误动作、绕组短路及油质劣化等故障，智能变压器采用传感器监测等技术实现了设备信息的采集和处理，能够准确判断设备运行的稳定性。

4)采用GIS智能控制柜。GIS智能控制柜实现了对GIS设备的远方/就地控制、储能电机的驱动和控制、模拟量/位置信号的采集和监视、软件联锁及谐波分析等一系列功能。通过优化控制回路和联合组屏设计实现控制功能的智能化，将GIS监控和传统的二次测控功能有机结合，构成GIS智能控制和测控功能的一体化。技术特点：GIS二次回路全部在智能控制柜中完成，实现测控、操作箱与GIS智能控制一体化；实时监测能够反应GIS性能的分合闸回路电流、气体密度、气体压力、温度等重要信息；GIS一次设备的本体保护，取代了以往通过电缆和传统继电器搭建的复杂外回路；实现了基于网络的智能化GIS联锁功能，解决了传统GIS实现联锁功能依赖大量辅助接点和电缆导致可靠性低等问题；具有内置程序化操作服务器，通过内含操作票实现GIS的程序化操作，提高了一次设备可控性。

3.1.2 采样值的智能化设计

1)高压110kV电子式互感器、合并单元的配置方案：依据双重化保护设计的相关要求，电源、采样线圈、A/D转换等保护传感模块均需双重化独立配置，可单独配置测量传感模块[9]。所有110kV间隔除主变间隔需要配置主、后备一体化双重保护外，其余110kV间隔原则上单配保护。母线PT间隔配置电子式电压互感器，主变间隔、线路间隔、母联间隔配置电子式电流、电压互感器。除主变间隔因参与变压器双重化保护需配置两套合并单元外[10]，其余母线PT 间隔、线路间隔、母联间隔均为单一配置；可以通过合并单元实现电压并列、电压切换功能，不再需要配置单独装置。110kV 电子式互感器及合并单元配置如图3所示。

图3 110kV 电子式互感器及合并单元配置

2)中压35kV/10kV电子式互感器、合并单元的配置方案：考虑到间隔层的多个设备之间基本上不需要共享35kV/10kV各间隔的电流、电压信号，所以不必对电流、电压信号进行智能转换后再进行传输，而且35kV/10kV电子式互感器的技术和经济优势和常规互感器相比已不再明显。故对于中电压等级，仍使用常规互感器[11]，与就地安装的保护、测控、合并单元、智能终端多合一IED相配合，智能IED采用智能接口进行采样和GOOSE输出，并完全支持IEC61850。

采用小模拟量输出的中低压电子式互感器：保护装置就地开关柜内安装，集成合并单元功能，中低压电子式互感器输出小模拟信号接入保护装置完成A/D转换环节，母线PT间隔配置单独合并单元并把电压信号分发至其他间隔。35kV/10kV 电子式互感器及合并单元配置如图4所示。

图4 35kV/10kV 电子式互感器及合并单元配置

3.2 变电站通信网络设计方案

全站通信网络结构采用分层分布开放式[12-15]，由相互独立的过程层、间隔层和站控层构成，智能变电站采用IEC 61850通信标准，传输速率不低于1000Mb/s。全站网络通信协议如下：过程层合并单元与间隔层之间采用IEC 61850-9-2通信协议；过程层智能终端与间隔层之间采用GOOSE通信协议[16-18]；间隔层之间可传输MMS协议和GOOSE报文；间隔层与站控层之间采用IEC 61850-8-1通信协议。全站“三层两网”通信网络如图5所示。

图5 全站“三层两网”通信网络

站控层采用双星型拓扑结构，双网双工方式运行[19]。以太网络具备双重化冗余功能，采用热备用模式。继电保护装置采用相互独立的控制器数据接口接入不同层网络。站控层的所有设备根据IEC61850通信标准进行系统建模并进行信息传输。间隔层的主变保护采用点对点直接采样方式，通过与各侧智能终端之间的GOOSE点对点光缆跳各侧开关，即“直采直跳”方式，通过各侧开关智能终端的直接跳闸实现主变非电量保护；110kV线路保护亦采用“直采直跳”方式。10kV继电保护采用常规跳闸方式[20，21]。间隔层设备之间有关跨间隔保护或闭锁功能的信息交换、间隔层与过程层智能终端之间的信息交换均通过GOOSE网络实现。GOOSE网络采用星型拓扑结构，根据电压等级组网，实现了双网冗余配置。通过间隔层从合并单元采集信息实现了过程层的采样值传输，采样值报文采用IEC61850-9-2标准。

4 智能变电站存在的问题及未来发展

目前煤矿智能变电站设计和应用还存在以下问题：①由于设计人员对智能变电站相关的新技术和规范标准了解不够，所以在方案设计和智能设备选型等方面仍存才一定问题；②智能变电站的管理操作规程不同于常规变电站，需要根据其自身特点制订，现场人员缺乏相关实操经验；③开放式综合自动化系统的网络安全存在一定隐患。上述问题在一定程度上制约着智能变电站的发展。

尽管存在上述问题，但是智能变电站在保证电网安全运行、提高设备可靠性和运行效率等方面有着很大优势，随着各种设备在可靠性、稳定性和精度等方面的进一步改善和设计人员对智能变电站相关知识的深入了解，智能变电站必将成为煤矿变电站自动化技术的发展趋势，煤矿供电系统将更加可靠、稳定、智能。