煤矿第三电源点监控通信系统设计.pdf

第 4 2 卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No． 3 M a r ． 2 01 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 8 1 0 3 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 1 9 徐永峰． 煤矿第三电源点监控通信系统设计r- j ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 8 1 8 3 ． 煤矿第三电源点监控通信系统设计 徐 永峰 神 华 乌海 能源 有 限责任 公 司 ，内蒙古 乌海0 1 6 0 0 0 摘要 为保证煤矿第三电源点的安全性 、 可靠性 ， 设计了煤矿第三电源点监控通信 系统 ， 详细介绍了该 系 统硬 件 和功 能设 计 。该 系统 实现 了对煤矿 第 三 电源点 的监 控 和保 护 功 能 ， 提 高 了煤 矿 第 三 电源 点 的安 全性 和 可 靠性 。 关 键词 煤 矿 ； 储 能 系统 ；第三 电源 点 ；监控 系统 ； 应 急 电源模 式 ； 在 线模 式 中图分 类 号 TD 6 1 1 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 2 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 2 3 ． 0 1 9 ． h t ml De s i g n o f mo ni t o r i ng a nd c o mmun i c a t i o n s y s t e m f o r t he t hi r d p o we r p o i n t o f c o a l mi n e XU Yon gf e ng S h e n h u a W u h a i En e r g y Co． ，Lt d． ，W u h a i 0 1 6 0 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t To e ns u r e s a f e t y a nd r e l i a bi l i t y of t he t h i r d p o we r p oi nt of c oa l m i ne， a mon i t o r i n g a nd c o m mun i c a t i on s ys t e m f o r t he t h i r d po we r p o i nt of c o a l mi n e wa s de s i gne d，ha r d wa r e a nd f unc t i o n d e s i gn o f t h e s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ．Th e s y s t e m r e a l i z e s mo n i t o r i n g a n d p r o t e c t i o n f u n c t i o n f o r t h e t h i r d p o we r po i nt ，a nd i mpr o ve s s a f e t y a n d r e l i a bi l i t y o f t he t hi r d p o we r p o i nt o f c o a l m i ne． Ke y wo r ds c oa l m i n e；e ne r gy s t or a g e s ys t e m ；t he t hi r d po we r po i nt ；m o ni t or i n g s y s t e m ；e me r ge nc y p o we r s u pp l y m o de；o n l i ne m o de 0 引言 当前 ， 煤矿供电系统仍不能满足安全生产对供 电可靠性 的严格要求 ， 特别是对于高瓦斯矿井和煤 与瓦斯突出矿井或有突水淹井危险矿井 ， 一旦发生 动力 电源掉电 ， 将很有可能 因为通风和提升设备不 能正常工作而造成极其严重 的安全事故 。因此 ， 增 设 独 立 的第 三 电源 点 ， 即大 容量 应急 电源 ， 就 成 为提 高煤矿 供 电可 靠性 和 确保 煤 矿 安 全 生产 的必 然 选择 。 电池储 能 技术 近年 来 发展很 快 ， 具有 可靠 性 高 、 启动迅速 、 能量密度高 、 占地面积小 、 效率高 、 建设周 期短、 站址适应性 强等特点r l 。 ] ， 非常适用于煤矿应 急 电源系统的应用 。煤矿第三电源点选用电池储能 系统作 为 电能 馈 出装 置 。 煤 矿第 三 电源 点 的核心 功能 在 电网失 电时 ， 为 煤矿重要负荷 主要通风机和局部通风机 提供可靠 的应急后备电源 ； 在电网正常时， 使用储能系统的能 量 转换 系 统 P o we r C o n v e r s i o n Un i t ， P C S 进 行 动 态无功补偿 。电池储能 系统 中的 P C S已经具备 了 在非应急状况下执行无功补偿 、 功率因数校正以及 利用峰谷 电价 差 盈利 等 多种 高 附加值 功 能 的潜 力_ 5 ] 。基于电池储能系统 的煤矿第三电源点的建设 将是兆瓦级储能技术在 国内煤矿配 电网的率先应 用 。储 能 系统 的各项 功能 都是通 过监 控通信 系统 实 现 的 。为 此 ， 本 文研 究 和 设计 了煤 矿 第 三 电源 点 监 控通信系统。 1 煤 矿 第三 电源 点概 况 煤矿第三电源点采用 电池储能技术实现 ， 硬件 收藕 日期 2 0 1 5 一 i 1 2 6 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 1 2 6 ； 责任编辑 张强 。 基 金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 4 AA0 5 2 3 0 2 1 ； 神华集 团科技创新项 目 s T9 3 o o 1 4 s H0 1 。 作 者简 介 徐永峰 1 9 5 8 一 ， 男 ， 内蒙古巴彦淖尔人 ， 高级工程师 ， 主要从事煤矿机电管理及供 电管理工作 ， E - ma i l x y f s h wh n y ． c o rn． c n 。 8 2 工矿 自动化 2 O 1 6年 第 4 2卷 系统 主要 包 括 电池 管 理 系统 B a t t e r y Ma n a g e me n t S y s t e m， B MS 、 能 量转 换 系统 和 监控 通 信 系统 。电 池管 理系 统包括 铅酸 电池 管理 系统 B AT I I 和磷 酸 铁锂 电池 管 理 系 统 B ATI ， 电池 的 总 容 量 为 3 ／ 3 ． 4 MW h ，其中 ，铅 酸 蓄 电 池 容 量 约 为 2 ． 4 MW h ， 磷酸 铁锂 电池容 量 约 为 1 MW h； 能 量转 换系 统总 体 规 模 为 3 MW ， 由 1 2台 P C S控 制 柜组 成 ， 其 中 ， 铅 酸 电池能 量转 换 系统 P C S I I的容 量为 2 Mw ， 磷酸铁 锂 电池能 量转 换 系统P C S I 的容 量为 1 Mw。煤矿第三电源点总体架构如图 1 所示。 ‘一⋯⋯⋯⋯⋯⋯ r 川 ‘ 。 甚 崽 ⋯～ I 二二 1 M W ． 1 1 } _ _ g 卜 - 2 M W “ _ _ 1 杰亘 卜 _ 2铅 酸．4 M W电 池．h 应急电源监测控制系统- Ma s t e r 系统 自检， 保护与安全保障功能 簌-- {妻 嚣 餮 智 能 监 测 ／ 在 线 优 化 应急电源_ - J 应急状态 应急状态 数据共享 主要通风机 负荷手动重构 J 局 部 通 风 机l I 至 竺 j 局部通风机负荷 自动重构 图 l煤 矿 第 三 电源 点 总 体 架 构 煤矿第三电源点具有应急电源模式和在线模式 2 种工作模式。在线模式运 行时， 通过对 已有煤 矿 配 电网监测 调度 系统 的 电能 数据 共享 与在线 分析 优 化 ， 给 6 k V 母 线 I 段 与 I I 段 提 供 动态 无 功 补 偿 以 及 相关 的削峰 填谷 、 负荷 跟 踪 等有 功 变 化 的 总体 协 调与控制功能。应急 电源模式运行时， 通过对 已有 煤 矿配 电 网监 测调 度 系统的 开关数据 共享 与在 线分 析 优化 ， 准确 判断并 启动 应急 电源模 式 ， 并 为用 户提 供 手动 或 自动 2 种 配 电网重 构选择 方式 。 2监 控通 信 系统 功能 设计 煤矿第三电源点监控通信系统要保证与现有煤 矿配 电 网监 测调 度 系统 的数 据共 享 与 信 息 同 步 ， 以 实 现在线 模 式 下 对 电 网数 据 的在 线 分 析 与 动 态 预 测 ， 在应急电源模式下对配电网提供主要通风机负 荷 的手 动重构 与局 部 通 风 机负 荷 的 自动重 构 ， 保 证 重 要负 荷的 电力供 应 。监 控通 信 系统需 实现 的功能 有 监测 控制 和保护 。 2 ． 1监 测 控 制 功 能 煤矿第三电源点监控通信系统按无人值班 、 有 人 值守 设计 ， 可通 过该 系统 对 煤 矿第 三 电源 点 实现 远程控 制 。煤矿第 三 电源点监 控通 信系 统主要 对 电 池管 理 系统 B MS 、 能 量 转换 系统 P C S和继 电保 护 设备 等 的数 据信 息 进行 采 样 和综 合 分 析 ， 结 合 煤 矿 第 三 电源 点 的整 体 运行 方 式 和运 行状 态 ， 制 定合 适 的控 制策 略 ， 对铅 酸 电池管 理 系统 B AT I I 、 磷 酸 铁 锂电池管理 系统 B ATI 、 铅酸 电池 能量转换 系统 P C S I I 和磷 酸铁锂 电池 能量 转换 系 统 P C S I 运 行 参数 进行优 化设 置 ， 根 据 要求 自动 或 手 动发 出控 制 指令 ， 控制 煤矿 第 三 电源 点 充 、 放 电状 态 ， 实 现 对 煤 矿第 三 电源点 的控制 和管 理 。煤 矿第 三 电源点监 控 通信系统网络结构如图 2所示。 图 2 煤矿第三 电源点监控通信 系统 网络结构 煤 矿第 三 电源点监 控通 信 系统支 持接 入煤矿 供 电系统内其他规约设备， 与交、 直流系统监控装置通 过 R S 4 8 5串 口或 以太 网连接 。 2 ． 2保 护 功 能 1 继 电保 护 包 括 过 载 保 护 、 短路 保 护 、 相序 保 护 、 频 率保 护 、 交 流侧过 ／ 欠 压保 护等 ， 通过 对运行 方 式 的分析 和匹 配 ， 配置 合理 的继 电保 护装 置 ， 使得 在煤矿 第三 电源 点或 者 电 网系 统严 重 不 正 常 时 ， 断 开两者 的 电气连 接 。 2 软件保护 包括通信保护、 电池过充／ 过放 保护 ， 通过 对 各 种 关 键 参 数 的采 样 和 分 析 ， 当 发 现 第三 电源 点处 于危 险状 态 时 由主机 主动发 出保护 指 令 ， 改 变第 三 电源点 的工作 状态 ， 从而 保证第 三 电源 点安 全 ； 当监测 到第 三 电源点 已经正 常 时 ， 能 自动恢 复 其正 常工作 状态 。 3 硬件 保 护 包括 极性 反接 保 护 、 相不 平 衡保 护 、 直流 端过 ／ 欠压 保护 、 逆变 器过温 保护 、 接地 故 障 保 护 、 电池组 异常 工况保 护 、 孤 岛保 护等 。采 用硬件 回路对 电 力 电子 器 件 和 电池 组 本 身 构 成 可 靠 的保 护， 一般不允许 自动恢复。 3监 控 系统硬件 设计 监 控 系 统 的主要 监 控 对象 为 高 压 配 电设 备 、 低 压配 电设 备 、 变压 器 、 控制 电源设 备 、 变流器 设备 、 蓄 2 0 1 6年 第 3期 徐 永峰 煤矿 第三 电源 点监控 通信 系统设计 8 3 电池组 、 消 防设 备 、 视频 监 控 设 备 、 空调 设 备 以及 这 些设备的电量与环境参 数等 。监 控 内容 主要有 电 压、 电流 、 电度 、 频率、 设备运行状态 、 温湿度等 。煤 矿第 三 电源 点监 控 系统基 本结 构 如 图 3所示 。 配 电网监控 调度中心 荔 t 监 1固 咽 图 3 煤矿第 三电源点监控系统基本结构 煤矿 第 三 电源 点监控 系 统硬 件 由 4个 主要 的设 备组 成 。 1 数 据共 享 设 备 是 煤 矿 第 三 电源 点 与煤 矿 配 电 网的数 据交 换 接 口 ， 作 为 煤 矿 配 电 网千 兆 瓦 网 络的一个分站 ， 主要负责交换 的信息包括煤矿 6 k V 进 线开 关 状态 、 储 能 变 流 器 6 k V 并 网 开关 状态 、 储 能 变流 器 6 k V 并 网开 关 控 制 、 主 要 通 风 机 负 荷 沿 线 相关 开关 状 态 、 主 要 通 风机 负荷 沿 线 相 关 开 关 控 制 、 煤 矿 6 k V 进 线 电 量 、 煤 矿 主 要 通 风 机 负 荷 电 量 、 第 三 电源 点 6 k V 连接 点 的 电量 、 配 电网各 开 关 点 的 开关 状态 与 负荷 电量 、 配 电 网 的 负荷 优 化 开 关 控 制逻 辑 与 时序等 。 2 智 能分 析 设 备 是 对 煤 矿 配 电 网 的数 据 进 行 实 时分 析 的主要 设 备 。分析 的结 果 主要用 于 2个 方 面 一是 进 行负 荷 的优化 调 度与 调节 ， 通 过配 电 网 自身 对负 荷 开关 的逻 辑组 合 与时移 达 到降低 尖 峰负 荷和 线损 ， 提 高设 备 利 用 率 的作 用 ； 二 是 短 时 间 内 ， 直接 调用 储 能系 统对 负荷 进行 削 峰填谷 。 3 监测管理设 备 用于对煤矿第三 电源点所 有相 关设 备 进行 在 线 监 测 与管 理 ， 收集 采 集 到 的测 量数 据 。测 量数 据 一 方 面用 作 实 时 控 制 ， 另 一 方 面 用作 故 障分 析与 判断 。 4 实 时控 制 设 备 是 对 储 能 应 急 电源 系 统 中 时 间响应 要 求最 高级 别 的 电池 储 能子 系统 进行 直接 控 制 的设 备 ， 其 控制 模 式 的确 定 来 自于 智 能分 析 设 备或者监测管理设备。其中智能分析设备 的信息侧 重于功率控制流向与大小 的命令 ； 监测管理设备 的 信息侧重于运行模式逻辑选择与配电组合方式的命 令 。实时控制设备会基 于这两方面的要求 ， 最大限 度满 足来 自于高级 控制 策略 的要求 。 4 通信 系统 设计 通信 系统 设计 主要 包 括 4条 通 道 的设 计 ， 根 据 业务对通道的需求 ， 各通道均采用光纤通信方式 。 保 护通 道 两 回路 6 k V 出线 均 配 置 光 纤 电流 差动保护， 各需 2芯专用光纤通道。 远 动 通 道 第 三 电源 点 至 地 调 S C AD A／ E MS 系统采用 1条 2 MB专线通道和 1条传输速率不小 于 1 2 0 0 b i t ／ s的专线 通道 。 计 量 通 道 第 三 电 源点 至 地调 计 量 自动 化 系统 采用 1条传输 速率 为 1 2 0 0 b i t ／ s的专线 通道 和 1条系 统拨 号通 道 。 通信 通 道 分 别有 2条 独 立 的调 度 电话 通 道 送 至地 调 。 5 结 语 煤矿应 用环境 对储 能应 急 电源 系统 的安 全 性 和 可靠性有 着极高 的要 求 ， 煤矿第 三 电源点 监控通 信 系 统在煤 矿 电网监测 中的应用 ， 有效 保护 了煤矿 电 网的 安全 。该系统具有对电网的监控和保护功能， 在应急 电源 模 式下 ， 第 三 电源 点 能 够快 速 接 入煤 矿 供 电 网 络 ， 并 完成 煤 矿 供 电 网 络重 构 ； 在 在 线模 式 下 ， 接 人 第 三 电源点 ， 可 为变 电站母 线 提供无 功 ， 当负荷 变化 时 ， 无 功功 率实 时变 化 ， 功率 因数 基 本无 波 动 ， 满 足 了煤矿 配 电系统 电能 质量 管理 的动 态补偿 要求 。 煤 矿第 三 电源点 监控 通信 系统 已在 神华 乌海 能 源有 限责任 公 司平 沟 煤 矿通 过 工 业 性 试 验 ， 并 且取 得 了 良好 的使用 效果 。 参考文献 E l l 廖怀庆 ， 刘 东 ， 黄玉辉 ， 等 ． 基于大规模储能系统 的智能 电网兼容 性研 究 [ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 4 2 15 19 ． [ 2 ] 吴贤章 ， 尚晓丽． 可再生能源发 电及智能 电网储 能技术 比较E J ] ． 储能科学 与技术 ， 2 0 1 3 ， 2 3 3 1 6 3 2 0 ． [ 3 ] E C K RO AD S ． Ha n d b o o k o f e n e r g y s t o r a g e f o r t r a n s mi s s i o n o r d i s t r i b u t i o n a p p l i c a t i o n s[ R] ．P a l o Al t o， CA ， USA El e c t r i c Po we r Re s e a r c h I ns t i t u t e E PRI ，2 0 0 2 ． [ 4 ] 廖斯 达 ， 贾 志军 ， 马洪运 ， 等．电化学 应用 I 铅 酸蓄电池 的 发 展 及 其 应 用 [ J ] ．储 能 科 学 与技 术 ， 2 O 1 3 ， 2 5 5 1 4 5 2 1 ． E s ] 张文亮 ， 丘 明， 来小康 ． 储 能技术 在电力 系统 中的应用 I- J ] ． 电网技术 ， 2 0 0 8 ， 3 2 7 1 - 9 ． 圈一 l 鎏 些 ～