煤矿电网自愈控制的研究

李丽华

李丽华（黑龙江科技大学哈尔滨150027）

摘要：本文分析了煤矿电网的运行特点，设计了适合于煤矿的自愈电网，应用预测和自诊断的方法，给出了智能电网自愈控制的关键和方法，解决了煤矿电网的电压不稳，越级跳闸等问题，最大程度地提高煤矿供电可靠性，将停电范围缩到最小。

关键词：自愈电网；自愈控制；故障隔离；网格重构

0引言中国是产煤大国，产量位居世界第一。但中国煤矿的安全方面百万吨死亡率一直很高，煤矿各类安全事故经常发生，其中很多事故与供电有关。在中国，由于煤矿的管理理念和经济的问题，使很多煤矿供电靠性和供电安全平水平很低，供电线路时间长老化严重，供电设备的自动化程度不高，设备管理不规范，继电保护装置整定不精确，不稳定，受这样多种因素的影响，使煤矿供电系统会出现继电保护错误动作、出现故障不动作和越级跳闸等事故，严重甚至会造成大面积停电，对煤矿生产的安全和产量产生严重的影响。很多煤矿的供电供电系统分级很多；由于供电距离较长，供电网路损耗大，到达电网末端的电压过低，使末端负荷不能正常工作；由于煤矿的生产需要，煤矿的大负载较多，特别是电动机，这些大负载启动时相互影响。煤矿的供电是煤矿生产的动力，供电安全、可靠了生产才有保障，其在煤矿中的重要性不容置疑，煤矿电网的智能程度决定了煤矿供电的安全可靠程度。随着近年来各种生物能、太阳能和风能发电等可再生能源和分布式电源的发展，世界各国及相关组织都把利用生物能、风能、太阳能发电这样的环保、经济、安全的电能作为电力建设的重点，并把智能的，有自愈控制功能的电网作为未来电网发展的目标。配电网“自愈”是智能电网的一个重要特征[1]。突出自愈控制的智能“自愈”电网方面的相关研究，已成为世界电力发展研究的新热点，是将来先进智能电网的重大科技创新和变革方向。

1煤矿电网的特点随着煤矿工作面的不断扩大、延伸以及煤矿特有的工作环境的影响造成煤矿电网与其它电网不同的特点：（1）负荷侧电压偏差大，煤矿的大负荷较多，一部分大负荷在采掘面而且比较集中，供电距离也随着采掘的进展而不断延长，线路的延长加大了线路电压降，从而使负荷上的电压过低，影响设备的正常使用，也影响了煤矿的正常生产。

（2）电网电压波动和闪变较大，煤矿有很多大功率设备经常启停，如提升机，掘进机等，由于这些设备的功率较大，启停时对电网的冲击较大，造成电网电压在短时间内急剧变动，严重时可能导致同一电网的其他设备不能正常工作。随着新型设备的自动化程度的不断提高，对电网的要求也越来越高，大功率设备启停所造成的电压波动和闪变，对煤矿电网的安全和运行的可靠造成的影响已不可忽视。

（3）煤矿井下电网功率因数一般都比较低，但由于井下环境恶劣，要求设备防爆，普通的无功补偿装置不能用于井下。另一方面，为了满足生产的需求，井下用电设备电压等级不断提高，这对无功补偿装置的耐压，绝缘等电气性能的要求又提高一截。通过参考文献[2]知井下的无功功率补偿装置只是在近两三年才有少部分应用，还没有推广。

（4）煤矿中经常发生越级跳闸，煤矿供电系统越级跳闸中由于电压波动、电气干扰、保护和开关性能差等原因造成的突发越级跳闸的比例远高于短路过流造成的越级跳闸。

（5）传统煤矿电网不具备自愈能力，当电网出现故障后，无法自动恢复。同时电网也对整体电网的安全性没有实时评估平台，缺乏安全保障。

2自愈电网的概念和基本功能电网故障自愈能力，是电网把故障元件从电网中隔离或者把电网从故障状态恢复到正常运行状态的能力。“自愈”电网的概念最开始来源于美国电力基础设施战略防护系统（strategicpowerinfrastructuredefensesystem，SPID），SPID系统采用了3层的Multi-Agent结构：（1）底层：以发电、保护为主的反应层。

（2）中层：实现频率的稳定、警报的过滤、故障的处理、模型的更新的命令的翻译等功能的协作层。

（3）高层：实现对事件的预测、对于电网的评估、对电网的监视、和对于网络的重构、对故障的恢复功能的认知层。

SPID的自愈战略理念，在自愈电网（selfhealinggrid，SHG）的研发中得到了继承和发展。SHG是由自动输电和配电系统组成、支持高效、可靠提供和传输电力的智能电网体系结构[3]。SHG应具备如下功能：（1）预测、诊断和隔离电网的各种故障和潜在的隐患；（2）自动根据系统内外的条件，适时优化系统运行状态，以使系统处于最佳的运行状态、具有最强抗扰动能力；（3）控制系统抵御外部故障冲击、保障系统能在故障情况下维持运行并进行自我诊断、自主修复。

3智能电网自愈控制的关键技术及实现方法3.1智能电网的自愈控制电网自愈控制的准则就是实现无中断供电。参考文献[4]介绍智能电网自愈控制系统在不同层次、不同区域实行不同的最佳的自愈控制策略，以实现智能电网的“自我感知”、“自我诊断”、“自我决策”和“自我恢复”功能。自愈控制的控制框图如图1所示。

自愈控制电网分为5种运行状态：（1）正常状态：在系统的保护、控制装置的各项功能正常的情况下，如果电网发生故障，系统能控制电网正常运行。

（2）脆弱状态：如果电网发生故障，即使系统的保护、控制装置功能正常，电网仍然会失去负荷。

（3）故障状态：是指电网故障正在发生的状态。

（4）故障后状态：是指电网发生故障后，经系统网络重构，控制电网达到一个新的平衡状态，最严重的故障后状态是电网瘫痪。

（5）优化状态：是在正常状态的基础上具有更大的安全系数。

对应自愈电网的5种运行状态，电网自愈控制有4种应对控制方式。

（1）预防控制：是系统检测到是脆弱状态将其恢复到正常状态的控制。

（2）紧急控制：是指电网发生故障时，将电网恢复到正常状态的控制。

（3）恢复控制：电网发生故障后，系统会将电网网络重构成一个新的平衡状态，恢复控制是将电网从这个新平衡状态恢复到正常状态的控制。

（4）优化控制：是在正常情况下，将电网最优化，使其拥有较大安全系统的控制。根据电网的运行情况及内外部实际条件通过控制总是使电网处于一个最优的运行状态。

3.2智能电网快速仿真与模拟通过参考文献[7]快速仿真与模拟（fastsimulationandmodeling，FSM）技术的发展为自愈电网提供了数学支撑，增强了自愈电网的预测能力，最终形成一个功能强大的控制软件平台，为操作人员在复杂电网环境下，做控制决策提供强有力的技术支持。它主要实现故障的定位、故障的排除、电网网络的重新构建、电网的无功功率的自动监测与补偿等，FSM仿真工具主要有：电网状态的评估、电网潮流的优化重组、电网动态的安全评估、电网负荷的预测等，FSM建模工具主要电网主要设备模型、电网的主要负荷模型和发电机模型[5]。

3.3智能电网自愈控制的在线智能分析与决策自愈电网的在线智能分析的重点是根据预想的事故自动匹电网自愈控制技术方案，针对于事先想到的事故给出最有效的控制措施和最佳的保护动作方案，并做出典型事故处理预案。主要研究对于智能电网的连锁故障而演变出来的故障的预防控制方法。对于自愈控制系统的要求是：能够在决策实施前对各种控制预案在线进行分析、比较、评价与优化，估计出决策实施后可能的控制效果，对控制决策中的对立与冲突问题如何进行解决，并做出最佳的后备解决方案。智能电网自愈控制的在线智能分析与决策是智能电网的“自我诊断”与“自我决策”。

3.4智能电网自愈控制的处理此技术包括保护装置控制技术、负荷保障与大面积停电恢复技术和故障隔离与网络重构技术。

保护装置控制技术是针对多电源供电的电网利用局域信息实施网络式保护。电网的自愈控制系统应当准确、及时地检测到配电网网络拓扑变化及分布式电源（DG）的投切，在第一时间完成在线自适应保护装置的整定。

负荷供电保障与大面积停电恢复技术主要是指对于电网内部与外部的严重故障分别采用被动解列的技术与主动解列的技术，以及采用对于电网网络进行重新构建的电网故障后局部供电恢复技术。研究在极端条件下对电网的关键负荷的供电保障技术。

故障隔离与网络重构技术是智能电网基于保护原理，利用电网局部信息对故障实行隔离，研究基于全局信息，采用分布式智能控制而实现的故障隔离技术，实行集中控制与就地控制相结合的协调控制策略。立足于智能配电网非正常状态下故障恢复技术，实现电网故障时的“自我恢复”。

4结束语智能电网是经济与技术发展的必然结果，智能电网自愈控制已成为提高供电可靠性和安全性，防止连锁故障和大面积停电发生的主要技术手段，是电网安全运行最有力的支撑。对于煤矿电网，自愈控制在提高煤矿供电安全、煤矿产量以及减小煤矿安全事故方面将起到越来越大的作用。煤矿自愈电网也将成为将来建设智能矿山甚至无人矿山的重要基石。

参考文献：[1]郭丽丽.煤矿供电的自愈安全评估研究[D].河南理工大学，2011，12.[2]毛善君.“高科技煤矿”信息化建设的战略思考及关键技术[J].煤炭学报，2014，8：1572－1582.[3]董旭柱，黄绍远，陈柔伊，等.智能配电网自愈控制技术[J].电力系统自动化，2012，36（18）：17-21.[4]王明俊.自愈电网与分布能源[J].电网技术，2007，31（6）.[5]秦红霞，谭志海，葛亮，等.智能配电网自愈控制系统技术研究与设计[J].电力系统保护与控制，2014，16：134－138.[6]刘新东，李伟华，朱永，等.基于多代理技术的分布式电网自愈控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（17）：116-120.[7]文丹，刘敏.智能配电网自愈控制研究[J].电网与清洁能源，2012，3.作者简介：李丽华（1970-），女，黑龙江鸡西人，毕业于黑龙江科技大学，从事电气工程与自动化方面的教学与研究工作。