煤礦第三電源點監控通信系統設計

徐永峰

(神華烏海能源有限責任公司， 內蒙古 烏海　016000)

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煤礦第三電源點監控通信系統設計

徐永峰

(神華烏海能源有限責任公司， 內蒙古 烏海016000)

摘要：為保證煤礦第三電源點的安全性、可靠性，設計了煤礦第三電源點監控通信系統，詳細介紹了該系統硬件和功能設計。該系統實現了對煤礦第三電源點的監控和保護功能，提高了煤礦第三電源點的安全性和可靠性。

關鍵詞：煤礦； 儲能系統； 第三電源點； 監控系統； 應急電源模式； 在線模式

0引言

當前,煤礦供電系統仍不能滿足安全生產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，一旦發生動力電源掉電，將很有可能因為通風和提升設備不能正常工作而造成極其嚴重的安全事故。因此，增設獨立的第三電源點，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的必然選擇。

電池儲能技術近年來發展很快，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的應用。煤礦第三電源點選用電池儲能系統作為電能饋出裝置。

煤礦第三電源點的核心功能：在電網失電時，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；在電網正常時，使用儲能系統的能量轉換系統(Power Conversion Unit，PCS)進行動態無功補償。電池儲能系統中的PCS已經具備了在非應急狀況下執行無功補償、功率因數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的煤礦第三電源點的建設將是兆瓦級儲能技術在國內煤礦配電網的率先應用。儲能系統的各項功能都是通過監控通信系統實現的。為此，本文研究和設計了煤礦第三電源點監控通信系統。

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實現，硬件系統主要包括電池管理系統(Battery Management System,BMS)、能量轉換系統和監控通信系統。電池管理系統包括鉛酸電池管理系統BAT-II和磷酸鐵鋰電池管理系統BAT-I，電池的總容量為3/3.4 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；能量轉換系統總體規模為3 MW，由12臺PCS控制柜組成，其中，鉛酸電池能量轉換系統PCS-II的容量為2 MW，磷酸鐵鋰電池能量轉換系統PCS-I的容量為1 MW。煤礦第三電源點總體架構如圖1所示。

圖1　煤礦第三電源點總體架構

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監測調度系統的電能數據共享與在線分析優化，給6 kV母線I段與II段提供動態無功補償以及相關的削峰填谷、負荷跟蹤等有功變化的總體協調與控制功能。應急電源模式運行時，通過對已有煤礦配電網監測調度系統的開關數據共享與在線分析優化，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種配電網重構選擇方式。

2監控通信系統功能設計

煤礦第三電源點監控通信系統要保證與現有煤礦配電網監測調度系統的數據共享與信息同步，以實現在線模式下對電網數據的在線分析與動態預測，在應急電源模式下對配電網提供主要通風機負荷的手動重構與局部通風機負荷的自動重構，保證重要負荷的電力供應。監控通信系統需實現的功能有監測控制和保護。

2.1監測控制功能

煤礦第三電源點監控通信系統按無人值班、有人值守設計，可通過該系統對煤礦第三電源點實現遠程控制。煤礦第三電源點監控通信系統主要對電池管理系統BMS、能量轉換系統PCS和繼電保護設備等的數據信息進行采樣和綜合分析，結合煤礦第三電源點的整體運行方式和運行狀態，制定合適的控制策略，對鉛酸電池管理系統BAT-II、磷酸鐵鋰電池管理系統BAT-I、鉛酸電池能量轉換系統PCS-II和磷酸鐵鋰電池能量轉換系統PCS-I運行參數進行優化設置，根據要求自動或手動發出控制指令，控制煤礦第三電源點充、放電狀態，實現對煤礦第三電源點的控制和管理。煤礦第三電源點監控通信系統網絡結構如圖2所示。

圖2　煤礦第三電源點監控通信系統網絡結構

煤礦第三電源點監控通信系統支持接入煤礦供電系統內其他規約設備，與交、直流系統監控裝置通過RS485串口或以太網連接。

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系統嚴重不正常時，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，通過對各種關鍵參數的采樣和分析，當發現第三電源點處于危險狀態時由主機主動發出保護指令，改變第三電源點的工作狀態，從而保證第三電源點安全；當監測到第三電源點已經正常時，能自動恢復其正常工作狀態。

(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成可靠的保護，一般不允許自動恢復。

3監控系統硬件設計

監控系統的主要監控對象為高壓配電設備、低壓配電設備、變壓器、控制電源設備、變流器設備、蓄電池組、消防設備、視頻監控設備、空調設備以及這些設備的電量與環境參數等。監控內容主要有電壓、電流、電度、頻率、設備運行狀態、溫濕度等。煤礦第三電源點監控系統基本結構如圖3所示。

圖3　煤礦第三電源點監控系統基本結構

煤礦第三電源點監控系統硬件由4個主要的設備組成。

(1) 數據共享設備:是煤礦第三電源點與煤礦配電網的數據交換接口，作為煤礦配電網千兆瓦網絡的一個分站，主要負責交換的信息包括煤礦6 kV 進線開關狀態、儲能變流器6 kV并網開關狀態、儲能變流器6 kV并網開關控制、主要通風機負荷沿線相關開關狀態、主要通風機負荷沿線相關開關控制、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、配電網各開關點的開關狀態與負荷電量、配電網的負荷優化開關控制邏輯與時序等。

(2) 智能分析設備:是對煤礦配電網的數據進行實時分析的主要設備。分析的結果主要用于2個方面：一是進行負荷的優化調度與調節，通過配電網自身對負荷開關的邏輯組合與時移達到降低尖峰負荷和線損，提高設備利用率的作用；二是短時間內，直接調用儲能系統對負荷進行削峰填谷。

(3) 監測管理設備:用于對煤礦第三電源點所有相關設備進行在線監測與管理,收集采集到的測量數據。測量數據一方面用作實時控制，另一方面用作故障分析與判斷。

(4) 實時控制設備:是對儲能應急電源系統中時間響應要求最高級別的電池儲能子系統進行直接控制的設備，其控制模式的確定來自于智能分析設備或者監測管理設備。其中智能分析設備的信息側重于功率控制流向與大小的命令；監測管理設備的信息側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通信系統設計

通信系統設計主要包括4條通道的設計，根據業務對通道的需求，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SCADA/EMS系統采用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：第三電源點至地調計量自動化系統采用1條傳輸速率為1 200 bit/s的專線通道和1條系統撥號通道。

通信通道：分別有2條獨立的調度電話通道送至地調。

5結語

煤礦應用環境對儲能應急電源系統的安全性和可靠性有著極高的要求，煤礦第三電源點監控通信系統在煤礦電網監測中的應用，有效保護了煤礦電網的安全。該系統具有對電網的監控和保護功能，在應急電源模式下，第三電源點能夠快速接入煤礦供電網絡，并完成煤礦供電網絡重構；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，功率因數基本無波動,滿足了煤礦配電系統電能質量管理的動態補償要求。

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

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[5]張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用[J].電網技術，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網絡出版時間：2016-03-07 15:23

作者簡介：徐永峰(1958-)，男，內蒙古巴彥淖爾人，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：國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2014AA052302-1)；神華集團科技創新項目(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

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1523.019.html

徐永峰.煤礦第三電源點監控通信系統設計[J].工礦自動化，2016,42(3)：81-83.