煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨.pdf

第 45 卷第 6 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 移动阅读 刘扬,刘建功,王毅颖,等. 煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨[J]. 煤炭学报,2020,4562296-2307. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0334 LIU Yang,LIU Jiangong,WANG Yiying,et al. Discussion on theory and technology of building robust intelligent power grid in coal mine of China[J]. Journal of China Coal Society,2020,4562296-2307. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0334 煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨 刘 扬1,刘建功2,王毅颖2,史艳楠2 1. 中国矿业大学北京 机电与信息工程学院,北京 100083; 2. 河北工程大学 机械与装备工程学院,河北 邯郸 056000 摘 要针对中国煤炭企业智能煤矿建设的需求和现在煤矿井下电网存在的问题,提出建设具有煤 矿特点和优势的坚强安全、智能控制的“煤矿坚强智能电网”的思路。 分析了井下用电负荷集中化 的趋势和事故多发的原因,指出了煤矿电网结构、监测和保护、电能质量、信息系统等方面存在的不 足;提出“坚强与智能同行,智能和坚强共进”的煤矿智能电网建设理念,给出了煤矿坚强智能电网 的拓扑结构。 建设煤矿坚强智能电网主要有用先进材料、先进装备和先进工艺建设主干坚强、科 学冗余的坚强电网架构;对电网安全参数和动态运行状况进行连续大数据监测的感知系统、基于深 度学习的分析判断智能控制系统和基于 5G 网络的智能电网通信系统,实现煤矿电网的预先感知、 智能控制、互联互通。 描述了煤矿坚强智能电网的自感知、自强安全、自愈和自储备分布式电源 4 个基本预期优势。 利用煤矿得天独厚的优势,建设水蓄能发电和压缩空气蓄能发电为核心的自储 备电源。 并提出建立我国煤矿智能电网技术体系,研究攻关克服多种技术组合的煤矿电网应用技 术,深入研究煤矿智能电网高性能传感技术、高端技术装备和智能控制系统;制定煤矿坚强智能电 网的技术标准,并敢为人先,创新实践,加快煤矿坚强智能电网的发展步伐。 关键词智能煤矿;坚强智能电网;自感知;自储备电能 中图分类号TD67;TD61 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-2296-12 收稿日期2020-03-01 修回日期2020-05-25 责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目2018YFC0406404 作者简介刘 扬1982,男,山东滨州人,讲师,博士。 E-mailliuyangebox126． com Discussion on theory and technology of building robust intelligent power grid in coal mine of China LIU Yang1,LIU Jiangong2,WANG Yiying2,SHI Yannan2 1. School of Mechanical Electrical and Ination Engineering,China University of Mining and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2. School of Mechanical and Equipment Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056000,China AbstractIn view of the problems existing in the coal mine power grid in the process of intelligent mine construction in coal mines and the development status of intelligent power grid at home and abroad,this paper puts forward the idea of building a robust,safe and intelligent control “coal mine robust intelligent power grid” with coal mine characteristics and advantages. This paper analyzes the trend of underground power load concentration and the causes of frequent ac- cidents,points out the shortcomings of coal mine power grid structure,monitoring and protection,and puts forward the construction concept of coal mine intelligent power grid,which is “robust and intelligent,smart and robust together”. The topology structure of robust intelligent power grid in coal mine is given. The robust intelligent power grid of coal mine mainly includesbuilding a robust and scientific redundant power grid structure with advanced materials,equip- ment and technology;constructing a continuous big data monitoring perception system for static safety parameters and 第 6 期刘 扬等煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨 dynamic operation of power grid,an analysis and judgment intelligent control system based on deep learning and an in- telligent power grid communication system based on 5G network to realize coal mine electricity network pre-sensing, intelligent control and interconnection. This paper describes four basic characteristics of the coal mine robust smart grid,which are self-perception,self-improvement safety,self-healing and self-reserve distributed power. Taking advan- tage of the unique advantages of coal mines,the self-reserve power supply with water storage power generation and compressed air storage power generation as the core is constructed. It is also proposed to find out the shortcomings of China’s coal mine smart grid technology,focus on research and overcome,in-depth study of high-perance sensing technology,high-end technical equipment and intelligent control system of coal mine smart grid,ulate technical standards of coal mine robust smart grid,and speed up the development of coal mine robust smart grid. Key wordsintelligent coal mine;robust smart grid;self-sensing;self-reserve power 智能电网是运用智能装备、先进材料、清洁能源, 集成传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等多种 现代技术建成的[1]。 智能电网可有效抵御外界干 扰,实现清洁能源和储能技术的快速发展,促进电力 流、信息流、业务流不断融合,满足日益多样化用户需 求,实现电网安全、可靠、经济、高效运行。 美国 IBM 公司在 2006 年开始与电力企业及相 关科研机构合作开发了“智能电网”解决方案,第 1 次提出了智能电网的概念[2]。 在 2007 年,我国的华 东电网公司启动了关于智能电网可行性研究的项目, 开启了我国智能电网的研究与建设之路[3]。 智能矿山建设是现代煤矿的发展道路,煤矿电网 是连接在国家电网上的独立的、特殊的、庞大的用电 系统,对于煤炭企业,供电安全不仅仅是企业的生产 和效益,更是煤炭企业安全工作的重中之重。 煤矿 火、水、瓦斯等各类灾害的治理,一刻也离不开电力系 统的支持,井下供电安全是煤矿安全的重要保证,煤 矿井下供电系统就是煤矿井下的安全、生产和效益的 大动脉。 近年来,煤矿井下规模化发展有了长足的进 步,采煤工作面自动化、装备大型化、生产集约化、超 大型采煤工作面不断出现,用电负荷高度集中,煤矿 井下供电系统已经越来越不适应,因此,煤矿电网必 须进行整体水平的提升或重塑,提高电网的坚强和智 能水平,向煤矿智能电网迈进,保证供电安全可靠,适 应煤炭企业的快速发展。 1 智能电网发展现状 1． 1 国外智能电网发展现状 智能电网有效地增强电网运行的安全性、可靠性 和灵活性,提高了发电、输送和使用效率。 因此,智能 电网建设成为世界各国电网的发展方向,但各国实际 国情的区别,各自智能电网发展重点各不相同,甚至, 智能电网没有统一的概念,形不成共识,但各个国家 都在用不同的方式努力推动智能电网建设图 1。 图 1 智能电网系统 Fig． 1 Smart grid system 7922 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 美国发展智能电网重点在配电和用电上,推动可 再生能源发展,注重触摸式创新利用用户条件的提 升,致力于高温超导电网,电力储能技术,可再生电源 与分离式系统集成, 实现传输可靠性及安全系 统[4-5]。 欧洲地区建设智能电网是以法国、德国、英国等 国家为主,其他国家为辅。 所有国家都根据自己国家 具体情况,积极按照欧盟委员会的统筹和部署开展智 能电网的相关工作。 英国以清洁能源和分布式能源 为发展重点,拓展智能家居、智能家庭、虚拟电池、嵌 入式储存、分布发电等相关应用,并采取强化电压设 计及智能设计等多种方式加强整个电网的智能化、自 动化和控制力;法国继续推进以智能电表为核心的用 户端技术服务;德国确立发展清洁能源的长远目标, 利用在太阳能热利用和光伏发电领域的世界领先地 位,积极推进信息技术与能源产业的结合[6]。 日本和韩国智能电网的建设在亚太地区处于领 先地位,并且各有各的特色。 日本在储能方面具有明 显的技术优势,所以大力发展电动汽车及光伏并网的 相关产业。 韩国则基于自身 IT 技术的优势,主要推 进智能电表等用电侧的发展,并寄希望于研发更新一 代的 IT 技术,使输配电技术得到发展。 印度作为亚 太地区智能电网的新参与者,主要以分布式能源的接 入和能效管理作为其研究重点[6]。 1． 2 我国智能电网发展现状 21 世纪初,我国电力体制改革后,为解决我国地 域辽阔,电网规模庞大,各地电网发展不平衡的具体 问题,提出建设坚强电网的规划并斥巨资支持。 “十 二五”期间,建成连接大型能源基地与主要负荷中心 的“三横三纵”的特高压骨干网架和 13 回长距离支 流输电工程。 在坚强电网建设取得重大突破后,2010 年 6 月,国家电网制定的智能电网技术标准体系规 划,明确了坚强智能电网技术标准路线图,是世界 上首个用于引导智能电网技术发展的纲领性标准,我 国电网的建设向坚强智能电网的方向发展[7]。 2015 年,国家能源局、国家发改委印发关于促 进智能电网发展的指导意见,明确了智能电网的定 义和发展智能电网的重要意义,指出了智能电网的发 展目标[1]。 我国坚强智能电网建设立足我国电网发展实际, 在已有成果基础上继承和发展,体现了“坚强”与“智 能”并重原则,构建安全高效的信息通信支撑平台, 系统提升电网的智能化水平,强化电力需求侧管理, 确保电网安全、可靠、经济运行;同时,积极接纳新能 源,加强能源互联,促进多种能源优化互补,推动多领 域电能替代,培育新型业务及服务模式;建立健全网 源协调发展和运营机制,促进上下游产业健康发展; 完善标准体系,加快我国坚强智能电网的标准化步 伐图 2。 图 2 中国坚强智能电网示意 Fig． 2 Diagram of strong smart grid with Chinese characteristics 2 智能煤矿面临的供电系统挑战 煤矿电网承担着煤矿矿区和井下供电,是煤炭企 业生产和安全的重要支撑,煤矿安全规程明确规 定煤矿必须至少有两路不同电源母线的电源供 电,这就体现了煤矿用电安全的重要性。 随着煤炭企 业的智能矿山和大型无人工作面的快速发展,煤炭井 下规模化生产方式已经成为煤炭的主流,煤矿井下供 电系统在供电方式、装备和保护等方面遇到了新的难 题和挑战。 1井下供电方式不匹配。 煤矿井下供电电压为 6 kV10 kV,一般都采用 双回路区域变电所,变成 1 140 V 或 660 V 送到采煤 工作面和配电点图 3。 由于煤矿井下的特殊环境, 供电系统主干线只能沿掘进巷道敷设电缆,形成放射 状垂直多级供电系统,生产工作面,基本都是单回路 供电,只有一路低压电源从采区变电所一直到工作地 点。 这种运行方式,控制机制反应迟缓,供电线路的 停和用是一个刚性结构,很难重新组合成新的供电系 统,没有自愈功能,发生故障时供电能力的恢复完全 依赖于设备冗余配置。 煤矿生产是连续的,矿井开采区域不断延伸,井 下供电线路不断增长,用电设备不断增加,供电电压 不能改变,负荷距不可能合理布置,存在长距离低压 供电现象,电缆承载过重,末端电压低,设备启动困 难,损坏严重,影响井下安全和生产。 2井下用电负荷趋于集中。 随着煤炭工业的快速发展,大型矿井和千万吨级 采煤工作面越来越多,大型装备也随之增加,如图 4 所示,区域集中负荷迅速增加。 过去煤矿规模较小, 8922 第 6 期刘 扬等煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨 图 3 煤矿供电系统 Fig． 3 Coal mine power supply system diagram 工作面推进速度慢,供电区域相对稳定,供电系统变 化不快,一般采用采区变电所供电就能满足生产需 要。 但现在的工作面产量是原来的十倍或数十倍,装 机功率从几十千瓦到几千千瓦,工作面推进速度快, 采煤区域变更频繁,井下供电格局不断变化,不可能 形成稳定的供电区域。 图 4 煤矿负荷示意 Fig． 4 Coal mine load system Schematic diagram 集约化生产使得装备的功率大幅度增加,尽管部 分装备使用了启停控制,但由于其单机容量占区域配 电网容量比例较大,这些大型装备的启停对电网的冲 击仍然会产生很大的影响。 3井下电网基础配置安全参数变化大。 井下供电系统是高压电缆、接线装置和防爆装备 在井下巷道敷设安装建成的,建设中的所有电缆型 号、配电装备和材料的电气性能,以及安装环境、安装 方法和原始参数决定了电网质量,这就确定了井下供 电系统基础配置的安全参数。 电网基础配置安全参数是变化的,影响因素有电 气设备本身的变化和环境条件的变化两种状况井下 电网环境恶劣,非常潮湿,空气成分复杂,会严重影响 电缆和配电装置的内部绝缘状况,引起单相接地,由 于煤矿井下都是电缆系统,电容电流较大,中性点经 消弧线圈接地系统对电容电流进行了补偿,中性点绝 缘系统则可能引起弧光接地过电压;同时巷道变形或 坍塌,对电缆产生外部损伤,绝缘破坏也多有发生,这 些都能造成电缆故障,甚至短路,导致电网局部或全 部断电。 但现在井下电网不能确定电网内部和外部 环境带来的电网安全参数的变化,也就不能预防电网 事故的发生。 4井下电网动态运行保护不稳定。 煤矿电网是公共电网的末端,电网的保护还是遵 循着电力系统给予末端用户的时限数据,按照“离线 整定,在线判断”保护原则,采用电流时限保护或速 断保护,煤矿井下电网中间同电压级数较多,每级都 有动作时间的定值时限,而上级电网又给出了总的动 作时限,由于这个总时限太短,不能满足继电器的响 应时间,在井下供电的实际应用中无法分配,所以会 发生越级跳闸。 大型设备启动引起电网电压波动也 会造成不规则跳闸;同时保护装置本身性能也是不可 忽略的因素,错误跳闸的现象时有发生,严重影响了 电网的可靠性,也给电网事故的判断引向误区。 近年来应用了井下供安全监控系统、利用现有通 讯系统的电气闭锁和光纤差动等一些装置,因为煤矿 各种条件限制,影响了作用的发挥。 同时,井下供电 系统是中性点不直接接地系统,接地电流不确定因素 较多,系统的小电流接地的检测和保护也较为困难。 5井下电网电能质量下降。 随着电力电子变流设备的大量应用,电网中产生 了大量谐波,本来谐波源都比较集中,就地补偿可以 发挥作用,但是井下由于防爆和地点的限制,没有很 好的利用,造成大量谐波返送到电网,影响各种电气 设备的正常工作,加速设备绝缘老化,还会造成电气 线路中的保护装置的误动作。 井下供电的特点就是工作面许多台大型设备集 中使用,这些装备的启动引起电压波动,给电网带来 影响,同时它们的运行要从电网索取大量无功功率, 影响了电网的无功功率的平衡,增加了线路损耗,影 响了系统的电压质量。 6电网信息系统尚未建立。 9922 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 近年来,煤矿自动化与信息化发展较快,不少 煤矿建设了各种独立或共生的通信系统,电网虽 然是煤矿井下生产和安全的大动脉,但是还没有 电网安全运行的通讯系统,电网运行过程中的所 有信息没有传递信道,这对电网静态参数的预测、 动态运行状况的监视和故障发生后的应急处理, 都带来不便。 近年来虽然供电系统的局部装备和保护水平在 不断提高,但电网的信息系统不尽完善,电网数据和 信息没有建立共享,造成信息孤岛,使其只能在有限 范围内发挥作用,没有形成一个实时的有机统一整 体,使整个电网自动控制能力提升效果很差。 3 煤矿坚强智能电网的建设 煤矿电网虽然是配电网,但它的安全运行对于煤 炭企业来说意义重大,煤炭企业应该按照国家智能电 网的模式,研究井下供电的特殊条件和井下装备的使 用特点,建设具有煤矿优势的坚强安全、智能控制的 “煤矿坚强智能电网”。 3． 1 煤矿坚强智能电网的基本要求 煤矿井下电网敷设条件受限,环境潮湿,巷道状 况变化较大,负荷集中且移动变化快,智能化的装备 井下要符合煤矿井下煤安要求,这都给智能电网的建 设增加了难度。 煤矿智能电网,要采用先进传感技术对设备状态 参量、动力等进行全面采集,充分应用现代信息技术, 体现坚强安全、先进实用、面向井下,建设状态全面感 知、信息互联共享、设备诊断高度智能的煤矿井下坚 强智能电网。 煤矿井下坚强智能电网设备要按照“坚强安全、 状态感知、智能巡检、免少维护、标准设备”等要求 进行选型设计,全面提升煤矿井下坚强智能电网设备 质量和智能化水平。 煤矿地面智能变电站是煤矿坚强智能电网的控 制中心,是煤矿坚强智能电网的大脑,在控制中心,要 建设先进的控制、通讯和感知系统,来分析各种电网 安全态势信息,发布电网智能运行的各种控制指令; 煤矿智能电网的控制信息和电源经电缆和光缆自井 上智能变电站送到井下中央变电站,在井下中央变电 站,装备先进的柔性配电装置和检测、通讯和控制系 统,组成井下智能电网的执行指挥系统,是井下智能 电网的控制执行中心;电力流、控制流和信息流一直 传送到电网的采区智能变电站,这是智能电网的用户 端,采区智能变电站是智能电网的执行机构,高级配 电控制系统执行着通过信息系统传送来的各种控制 指令,并将各种采集信息传回井下中央变电站和地面 智能变电站,同时,对电网质量进行就地治理。 采区 智能变电站具有多电源供电回路,并和煤矿自储能系 统连接,在电网发生重大事故时,形成计划孤岛供电 微网,保证安全负荷的正常供电。 电网的通讯系统和 感知系统覆盖电网的全部电气空间和物理空间,建立 电力流、信息流和控制流的全方位、全过程密切融合 体系。 3． 2 煤矿坚强智能电网的拓扑结构 井下电网应坚强可靠、网络合理、科学冗余;同时 建设电网智能、通信和控制系统,利用区块链技术,完 成电网基础配置安全参数和动态运行的安全态势连 续监测,建立电网自感知、自强安全和自愈能力,并能 利用煤矿优势,建立自储能分布式发电系统,坚持 “坚强与智能同行,智能与坚强共进”原则,适应煤矿 智能矿山和无人化工作面的需求,有效解决煤矿井下 电网制约安全和生产的问题,促进煤矿电网的“两 化”融合,保障煤炭智能矿山和现代化开采水平的提 高。 煤矿电网是一个特殊的网络系统,井上下供电方 式差异很大,特别需要利用智能的技术手段,先进材 料,先进工艺,构建煤矿坚强智能电网图 5。 图 5 煤矿坚强智能电网拓扑 Fig． 5 Topology of coal mine strong smart system diagramgrid 1多电源环形供电系统。 煤矿电网的主干线 及其组网形式必须改变原来的刚性结构,具备质量坚 强可靠、科学冗余、结构可变的功能,在电网的某一部 分和某一装备发生故障时,能及时改变供电路径,保 证供电的连续性和电网的安全可靠运行。 2电网安全态势感知系统。 要对电网运行前 的基本配置安全参数、运行过程中的变化,电网动态 运行参数、电能质量等重要参数要有全方位、全息、全 过程在线监测,完成电网安全态势的感知。 0032 第 6 期刘 扬等煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨 3独立的通讯系统。 建立独立的电网数据传 输通道,迅速、准确地把感知信息、控制指令传达到各 个环节,同时利用 5G 增强移动带宽和高可靠低时延 的特点,实现全过程故障检测定位、安全态势信息采 集、负荷控制和分布式自储能电源管理。 4DG 分布式电网储能系统。 利用煤矿条件, 建立分布式储能电源,使原来的单纯电网电源变成了 多源网络,是保证重要负荷不间断供电成为可能,在 一定功率下,按照重要符合电源优先原则,保证矿井 的通风和排水供电,提高矿井的安全水平。 5智能控制系统。 智能电网要对电网的安全 态势、配电设备的工作状态进行监测,对电能质量各 项参数实时监控,当参数值超出整定值时便产生预 警、报警,并控制相关配电设备,提高煤矿井下供电系 统的可靠性、安全性和自动化水平。 煤矿坚强智能电网的智能控制系统是电网的灵 魂,建设基础安全参数和动态状况电网安全态势监测 系统,实现电网的自感知,利用区块链技术对感知的 大数据储存和传递,对电网安全参数和动态运行的电 流、电压、潮流、负荷变化以及谐波和电能质量等准确 测量,对海量大数据进行分析、并解释成电网负载状 况,控制电网运行。 智能电网要有一个完整的通讯系 统,实现所有信息流、能量流、控制流的互动。 3． 3 煤矿电网智能装备 1地面智能变电站。 智能变电站是煤炭企业 建设智能电网的重要组成部分,是智能电网控制中 心。 采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备,以 全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化 为基本要求,自动完成信息采集、测量、控制、保护、计 量和监测等基本功能,并可根据需要支持电网实时自 动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功 能的变电站图 6。 图 6 变电站结构 Fig． 6 Substation structure diagram 智能变电所一次设备的智能化改变了传统变电 站继电保护设备的结构,二次设备和一次设备功能重 新定位,AD 变换变成了高速数据接口,开关量输出 DO、输入 DI 移入智能化开关,保护装置发布命令,由 一次设备的执行器来执行操作,如图 7 所示。 智能变电站分为过程层、间隔层、站控层 3 层, 过程层由变压器、断路器、CT/ PT 等及其所属的智能 组件MU智能操作箱组成。 间隔层是保护、测控等二次设备、各种远方输入/ 输出、传感器和控制器接口,实现使用一个间隔的数 据并且作用于该间隔一次设备的功能。 站控层包括自动化站级监视控制系统、站域控 图 7 智能化一次设备 Fig． 7 Intelligent primary equipment 制、通信系统、对时系统等,实现面向全站设备的监 视、控制、告警及信息交互功能,完成数据采集和监视 控制SCADA、操作闭锁以及同步相量采集、电能量 采集、保护信息管理等相关功能。 站控层功能高度集 成,可在一台计算机或嵌入式装置实现,也可分布在 1032 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 多台计算机或嵌入式装置中,对传统变电所各方面功 能有了观念性突破。 2电力电子变压器。 电力电子变压器Power Electrnics Transer, PET 又 被 称 为 固 态 变 压 器Solid-State Transer,SST,采用电力电子变换 器及中高频变压器实现的电力电子变流装置图 8。 图 8 电力电子变压器 Fig． 8 Power electrnicstranser 电力电子变压器作为智能电网的主要装备之一, 可以实现传统的电气转换、电气隔离和能量传输等基 本功能外,电力电子变压器还可以实现无功补偿、谐 波治理,配合隔爆无功补偿器可以更好的保证煤矿智 能电网电能质量。 电力电子变压器也具有断路器的 功能,利用大功率电力电子器件可瞬时在微妙级时 间内关断故障大电流,使煤矿智能电网结构优化。 3地面变电站智能隔离断路器。 智能隔离开 关断路器将隔离开关,电子互感器,断路器和智能组 件集成于一体,维护周期延长,缩减配电装置纵向尺 寸,大大减少煤矿智能电网中的变电站占地面积,提 高煤矿智能电网电能质量与环境效益,增强其可靠 性,安全性,降低损耗图 9。 图 9 智能隔离开关断路器集成 Fig． 9 Intelligent isolation circuit breaker integration 4隔爆型静止无功发生器SVG。 煤矿井下 电能质量越来越受到重视,隔爆型静止无功发生器在 煤矿智能电网起到越来越重要的作用, 以碳化 硅SiC和氮化镓GaN为代表的宽禁带半导体材料 所制造的新型半导体器件制造电力电子设备可大幅 度提高设备散热性与功率密度,更适应煤矿井下工 况图 10。 5固态断路器。 固态断路器SSCB依托于现 代电子技术,可以通过无触点开关实现对断路器操动 图 10 隔爆型静止无功发生器 Fig． 10 Flameproof static var generator 速度和准确性的控制,可以无弧、快速地开断配电网 路,并且具备一定的故障自检功能和过流保护能力, 克服了机械断路器开断速度慢的缺点,有助于提升煤 矿井下电网线路的可靠性。 6固态转换开关。 煤矿井下电网负载转换,固 态转换开关SSTS控制时,可在 1/4 个电源周期内 完成对备用馈电线路的切换,向负载提供不间断电 源。 7智能电力运维巡检机器人。 电力巡检机器 人以机器视觉技术为导航,基于边缘计算框架设计, 能根据煤矿地面或井下各级变电站的运维要求,以自 主或者遥控的方式,以无人机、轮式、吊柜等结构,在 煤矿各级变电站进行巡检,识别各个装备的位置状 态、表计读数、温度高低等,及时发现煤矿电力设备热 缺陷、外观异常、状态异常等问题并进行自动报警。 结合煤矿 5G 通讯系统,实现数据采集、分析的智能 化,可独立完成相关运维巡检任务。 4 煤矿坚强智能电网技术体系 煤矿坚强智能电网的建设是多种技术的组合创 新,要学习和借鉴国电智能电网的建设经验,克服煤 矿井下环境恶劣的困难,研究现代的新技术、新工艺 在煤矿电网中的应用,建设煤矿坚强智能电网技术体 系。 4． 1 煤矿坚强智能电网的在线感知系统 电网工作环境和运行状态的连续不间断监测是 电网感知能力的基础图 11,感知能力是智能电网 预测和判断的基础,煤矿智能电网要连续自动采集设 备状态信息和从相关系统自动复制其他状态信息,对 不同区段、不同型号电缆、接线盒以及配电装置的绝 缘状况进行连续监测,对悬挂电缆的巷道也要进行不 间断探查,建立对影响电网运行的安全态势所有电参 数和非电参数在线监测的感知系统,利用侵入式、非 侵入式、定自动巡检等多种监测方式建设电网数据感 知群,触角伸到电网运行的所有物理空间和电气空 间,利用区块链技术,建立海量数据库,并将感知大数 2032 第 6 期刘 扬等煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨 据存储、传递,使电网在自我感知下运行[8-11]。 图 11 智能电网在线感知系统 Fig． 11 Smart grid online Perceptual system 1电网绝缘连续监测。 电网的基础配置安全 参数最大隐患就是电缆绝缘下降,引起电网的低阻接 地、高阻接地、泄露电流和闪络性故障。 对于煤矿井 下,空气及地下水的腐蚀性加大,对电网绝缘影响会 更大,同时电缆接头,配电装置的绝缘也会加剧,运用 侵入式和非侵入式技术完成电网绝缘的在线监测。 2环境状况监测。 这个系统包括工作面电缆 敷设巷道的环境温度、湿度、空气质量、水质量、巷道 完好状况和电缆敷设安全状况,用定点监测和无人机 巡测相结合,不间断、无漏洞监测。 3分段区域监测。 根据巷道和电缆的分接点, 分段监测各项参数,而且电缆温度要和环境温度互相 印证。 对于电缆接头,配电装置安装监测设备实现梯 度分段测量,综合预判。 4负荷电流的监测。 电网的主要功能就是承 载电能流动,为电网中的负荷提供能量,形成了电网 内部的电能潮流,而准确监测负荷状况,电能流的正 常流向是智能电网的关键要素。 5线路电流监测。 电网运行状况的保护是电 网稳定运行的保证,利用分布式分段瞬时方式判别。 同时要监测各电缆段电流,保证能量流的唯一性。 6电能质量监测。 非线性负载产生的电磁扰 动是煤矿井下电网的主要污染源,建立电能质量监测 系统,随时监测电网的谐波、功率因数、无功功率等参 数,不间断监视电网运行质量。 7电缆、装备运行温度监测。 利用定点监测和 无人机巡测方法相结合,监测电缆和用电设备的运行 温度,并和同地点环境温度实时区分,大数据监测电 网运行状况。 4． 2 煤矿坚强智能电网的区块链技术 煤矿电网的安全参数和动态运行参数都需要分 属性、分区段连续测量和储存,无论是系统间、采区间 还是设备间,它们既有独立性,也有关联性,特别是对 于智能采煤工作面和掘进工作面,各设备间有很强的 联动性和互操作性。 煤矿坚强智能电网需要开发和 使用区块链技术,建立一个通用的数据库,能够存储 下海量的信息,同时又能在没有中心化结构的体系下 保证数据库的完整性;并且在数据采集线路故障状态 时,仍然能保证整个数据库系统的正常运行与信息完 备。 煤矿坚强智能电网区块链技术是加密算法、P2P 数据传输等多种现有技术集成,形成了一种新的煤矿 坚强智能电网的数据记录、传递、存储与呈现的方式, 保证智能电网的预感知能力、互操作能力和协同控制 能力的发挥[12-13]。 4． 3 坚强智能电网的鲁棒控制系统 如图 12 所示,智能控制系统是智能电网的指挥 机关,具备感知系统采集海量大数据进行分析、诊断 和预测状态能力,通过预设的专家系统,得出电网运 行质量边界条件,对电网当前状况予以确认、可能造 成的影响进行评估,做出电网运行态势预测,确定和 采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能 质量扰动的控制方法, 保证电网的智能安全运 行[14-17]。 图 12 煤矿坚强智能电网控制系统 Fig． 12 Coal mine strong smart grid control system 1大数据分析处理。 对感知的海量数据运用 多数据融合、大数据因果和数据挖掘等先进分析技 术,对各种异构数据分属性、分类别进行科学分析,变 成可以利用的信息,为智能准确判断提供依据。 2信息解释和控制。 对大数据处理后的信息 进行解释和决策,显现电网的实时质量状态和运行状 3032 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 况,处理后,确定电网稳定运行的边界条件,能够对电 网进行实际控制,实现电网的安全和自愈运行。 3配电网快速仿真与模拟技术fast simulation and modeling,FSM。 FSM 技术分析和诊断系统运行 状态,相当于智能电网的大脑,有利于帮助电力系统 工作人员做出正确的决策。 FSM 能够把控系统运行 状态及提高系统运行效率,满足系统在现代泛电力物 联网中的各类运行环境和各层控制级别下的运行要 求,为全网持续的提供运行条件识别、预测、预防和控 制事故,执行运行计划和满足运行裕度的要求,支持 系统恢复。 4鲁棒控制。 由于电网的工作状况时常会发 生变动,实际井下电网运行的精确模型很难得到,电 网的各种故障也将导致模型的不确定性,因此可以说 不确定性在电网运行过程中广泛存在,因此在电网的 控制过程利用鲁棒控制方法,使具有不确定性的对象 满足控制品质,保证电网可靠运行。 5快速反应的能力。 通过实时通信系统和智 能控制技术的结合,实现预测和执行的快速性,及时 调整运行方式,修改系统设置、状态和潮流,降低电网 隐患的扩展,防止紧急事故的发生。 6煤矿坚强电网智能设备。 高级电力电子的 新技术、新材料应用到煤矿配电装备中,电网的功能 性大为提高。 智能化隔离断路器;固态断路器、隔爆 型静止无功发生器、隔爆无功补偿和电力电子变压器 等高端设备,执行和数据采集于一体,使煤矿智能电 网结构优化,配电网的控制和保护能力大为提高。 7自储备分布电源接入。 煤矿利用自身优势 和先进的储能技术,打造自储备分布式电源,提高电 网质量和效益,电网具备对自