煤礦智能變電站順序控制實用化方案研究

劉建華 臧其威 桑振華 宋祖磊 楊 艷

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

煤礦智能變電站順序控制實用化方案研究

劉建華 臧其威 桑振華 宋祖磊 楊 艷

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

指出了當(dāng)前變電站順序控制的不足，鑒于煤礦供電系統(tǒng)基礎(chǔ)弱和底子薄的現(xiàn)狀，研究了一套適用于煤礦智能變電站的順序控制實用化方案，介紹了具體選定的順序控制總體方案、操作票生成方案、圖票防誤順控一體化方案、通信傳輸方案以及異常情況解決方案。

煤礦 智能變電站 順序控制 實用化方案

國內(nèi)煤礦電力自動化應(yīng)用水平普遍較低，傳統(tǒng)電力自動化系統(tǒng)一直無法徹底解決煤礦供電安全問題。近年來，智能電網(wǎng)及智能變電站技術(shù)的快速發(fā)展為解決煤礦供電安全問題提供了新的思路。建設(shè)煤礦智能變電站不僅可以跟上電力系統(tǒng)智能化建設(shè)的步伐，也可以保證與電力系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)操作能力。順序控制技術(shù)是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是智能變電站標(biāo)志性功能，它是一種新型的變電站綜合自動化技術(shù)，其主要特點就是將變電站倒母線轉(zhuǎn)換運行等傳統(tǒng)人工操作方式通過編制好的軟件程序在計算機上代替人工完成順序操作，避免了人為因素可能導(dǎo)致的誤操作。整個操作過程中操作員不需要到達(dá)現(xiàn)場，在節(jié)省人力、物力、財力和操作時間的同時提高了煤礦變電站自動化水平，保障了變電站安全運行。本文立足于新興智能電網(wǎng)和智能變電站技術(shù)，研究了適合于煤礦電網(wǎng)的智能變電站順序控制實用化方案，以打造技術(shù)先進(jìn)、智能化功能突出、安全可靠的煤礦智能供電系統(tǒng)。

1 智能變電站順序控制總體方案研究

智能變電站順序控制有以下3種方案可供選擇：

（1）集中式方案。集中式方案的控制特點是在主站編制好操作票，間隔層裝置負(fù)責(zé)執(zhí)行主站發(fā)出的操作票指令。集中式方案優(yōu)點是間隔層設(shè)備無需改動，實現(xiàn)方式簡單，而且主站編制操作票方法靈活，還可以調(diào)用編輯典型票等。集中式方案的缺點是主站獲得信息是依靠通訊網(wǎng)絡(luò)上傳的，所以要考慮通訊中斷故障的應(yīng)急方案，另外，順控操作模塊和調(diào)度系統(tǒng)集成在一起在一定程度上也影響智能供電系統(tǒng)的可靠性。集中式方案智能變電站順序控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（2）分布式方案。分布式方案操作票的存儲和執(zhí)行都在本間隔內(nèi)進(jìn)行，其優(yōu)點是運行可靠和工程維護(hù)簡單，而且已運行的間隔對變電站的擴建影響較小。分布式方案的缺點是間隔層設(shè)備直接編程存儲比較繁瑣且改造擴建實施難度大，在煤礦井下工作條件較差的情況下，間隔層頻繁調(diào)試和跨間隔操作比較繁瑣和復(fù)雜。

圖1 集中式方案智能變電站順序控制結(jié)構(gòu)圖

（3）分布式集中式結(jié)合方案。分布式集中式結(jié)合方案控制特點是本間隔操作由間隔內(nèi)裝置完成，跨間隔操作由站控層順控服務(wù)器協(xié)助完成。分布式集中式結(jié)合方案的優(yōu)點是間隔內(nèi)的操作信息直接采集，這使得采集到的信息可靠性高，缺點是跨間隔操作實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

綜合比較以上3種方案，根據(jù)實現(xiàn)難易程度選擇集中式方案作為智能變電站順序控制總體方案。

2 智能變電站順序控制詳細(xì)技術(shù)方案

2.1 操作票生成方案

（1）查詢開票方式。查詢開票方式是將變電站操作經(jīng)常使用的操作票以典型票形式存于數(shù)據(jù)庫中，操作票數(shù)據(jù)庫管理維護(hù)平臺對典型票進(jìn)行分類存儲、檢索、編輯和輸出等操作。經(jīng)常性操作的操作票以文本形式存儲于數(shù)據(jù)庫中，操作人員利用上述平臺進(jìn)行檢索調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的歷史票，然后檢查編輯保存即可生成新的操作票。這種開票方式在早期應(yīng)用較多，現(xiàn)在投運的MIS系統(tǒng)也常見應(yīng)用。

（2）點圖開票方式。點圖開票方式依據(jù)圖形化界面，用戶可以直觀地在系統(tǒng)圖上直接用鼠標(biāo)點擊設(shè)備選擇相應(yīng)的操作 （開合等），每操作一步系統(tǒng)都會實時進(jìn)行規(guī)則校驗，符合校驗規(guī)則的操作即形成相應(yīng)的操作語句，違反校驗規(guī)則的操作發(fā)出操作提示，逐步完成操作后系統(tǒng)自動生成操作序列。由于直接在圖形界面上操作形象直觀，因此深受煤礦變電站操作人員歡迎。

（3）短語開票方式。短語開票方式是操作者在操作票生成界面上選定要操作的一次設(shè)備，系統(tǒng)自動調(diào)出一次或二次操作短語作為選項，點選相應(yīng)的短語可以直接形成操作票語句。

（4）自動推理開票方式。利用專家系統(tǒng)技術(shù)自動生成操作票，自動推理開票方式模擬了人的智能，具備自學(xué)功能，甚至可以學(xué)習(xí)訓(xùn)練自主總結(jié)經(jīng)驗。操作人員通過界面指定操作任務(wù)就能自動生成相應(yīng)的操作票，而且開票簡單、快捷。相比于點圖開票，自動推理開票方式依賴于程序做出每一步的選擇，因此相應(yīng)的規(guī)則較多且知識表達(dá)較困難。實際應(yīng)用中，制約這種開票方式的系統(tǒng)投入運行的條件很多，真正能實際運行的很少，而且后續(xù)的實際應(yīng)用效果的跟蹤報道也沒有，不適合可靠性要求極高的煤礦供電系統(tǒng)。

（5）其他開票方式。除上述開票方式外，還有學(xué)者研究如何將自動開票問題抽象為數(shù)學(xué)模型，而后引入Petri網(wǎng)和框架理論等智能技術(shù)，但目前均未見實例。

綜合對常見的幾種開票方式進(jìn)行分析比較，采用典型票和非典型票結(jié)合的方案作為本智能變電站順序控制操作票生成方案，典型票由操作票數(shù)據(jù)庫調(diào)取做檢查修改后使用，非典型票 （數(shù)據(jù)庫沒有的操作票）采用點圖開票方式生成。

2.2 圖票防誤順控一體化方案

根據(jù)煤礦安全規(guī)程和電氣防誤閉鎖原則規(guī)定，各開關(guān)、刀閘、接地線等的操作順序和閉鎖邏輯事先寫入規(guī)則庫存于服務(wù)器中，在圖形化界面中各元件與規(guī)則庫中命名一一對應(yīng)。開具操作票時，在圖形化界面上點擊相應(yīng)元件設(shè)定動作方式，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前實時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)，用規(guī)則庫校驗其是否是合法操作，若符合操作則該步操作記錄于操作票中，不符合操作則彈出警告對話框并給出提示。操作票完成后，點擊模擬運行則在圖形界面上可以模擬預(yù)演，模擬運行的過程自動調(diào)取規(guī)則庫實時校驗并有動態(tài)著色功能。這樣，通過圖形界面點圖開票的過程就帶有邏輯校驗，然后在圖形界面上模擬預(yù)演，整個過程方便直觀。圖票防誤順控的實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 圖票防誤順控的實現(xiàn)流程圖

順序控制操作執(zhí)行時配合機械閉鎖、電氣閉鎖、監(jiān)控系統(tǒng)軟件防誤閉鎖、專用微機防誤系統(tǒng)等常規(guī)防誤閉鎖。主站規(guī)則庫防誤結(jié)合設(shè)備層防誤和傳統(tǒng)微機五防并用的方式保證了順控操作的正確性和安全性。

2.3 通信傳輸方案

為了實現(xiàn)順序控制功能，間隔層裝置之間要求實現(xiàn)橫向通信才能收發(fā)開關(guān)位置信息和順序控制命令，IEC61850協(xié)議保證了不同廠家設(shè)備可以互通互聯(lián)，它應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對一次設(shè)備統(tǒng)一建模，建模完成后各智能裝置互相通信，實現(xiàn)互操作。

2.4 異常情況解決方案

順控操作過程中必須考慮執(zhí)行異常時的解決方案，煤礦供電系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜事故原因多樣，當(dāng)順序控制執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常時，簡單的終止程序不能體現(xiàn)順控操作的智能性，最好的處理方案應(yīng)該按照事故類型及緊急程度分類給出相應(yīng)的提示，通過人機界面處理異常情況。執(zhí)行過程中系統(tǒng)實時保存斷面，當(dāng)由于異常情況導(dǎo)致操作票系統(tǒng)異常重啟后，可以重新裝載原操作票并根據(jù)斷面恢復(fù)至重啟前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。

3 應(yīng)用效果

2010年初，淮北礦業(yè) （集團）有限責(zé)任公司祁南煤礦抓住智能電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展契機，對煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造并在2011年9月改造完成，項目新建設(shè)的地面110 k V智能變電站1座，井下變電站智能化改造3座。順序控制技術(shù)成功應(yīng)用于本項目，在地面開關(guān)柜實現(xiàn)了一鍵式操作，系統(tǒng)集圖形開票防誤閉鎖順序控制于一體，實現(xiàn)了煤礦供電系統(tǒng)圖形化和一鍵化操作，改善了常規(guī)手工操作對操作者操作經(jīng)驗及人員素質(zhì)的依賴。與傳統(tǒng)變電站操作方式相比，順序控制可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，操作者不必親臨現(xiàn)場作業(yè)節(jié)省了操作人員的工作時間、改善了工作環(huán)境、大大提高了勞動效率且有效降低了變電站運營成本。地面變電站全站恢復(fù)供電操作時間由原來的15～20 min縮短到幾分鐘，倒變壓器操作由原來的30 min以上縮短到5 min，參與人員由原來的5～10人減少至2人。所有操作過程均通過系統(tǒng)界面完成，無需人工干預(yù)，大大提升了煤礦供電的安全性和智能性。

［1］韓建國.110 k V變電站綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 ［J］.中國煤炭，2008 （10）

［2］王文龍，胡邵謙，湯震宇.程序化操作在變電站中實現(xiàn)的幾個關(guān)鍵問題 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008（22）

［3］鄭博明，吳奕，楊洪等 .變電程序化操作的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006（9）

Study of Practical Scheme of Coal Mine Intelligent Substation Sequence Control

Liu Jianhua，Zang Qiwei，Sang Zhenhua，Song Zulei，Yang Yan
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The shortcomings of current sequence control were pointed.In view of the status of weak basis and poor economic foundation，we study a practical scheme of sequence control which is used in the coal mine intelligent substation.We determine the overall scheme，the scheme of formation system of operation-order-sheet，the scheme of the graph-sheet-antimisoperation and the sequence control integrated system，the scheme of communication transmission，the scheme of the solutions of the abnormal situation.

coal mine，intelligent substation，sequence control，practical scheme

TD611

A

劉建華 （1973-），男，河南鞏義人，博士，副教授。主要研究領(lǐng)域為煤礦供電安全、智能電器和中性點接地方式與漏電保護(hù)。

（責(zé)任編輯 路 強）