煤矿智能变电站顺序控制实用化方案研究

刘建华 臧其威 桑振华 宋祖磊 杨 艳

（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏省徐州市，221008）

煤矿智能变电站顺序控制实用化方案研究

刘建华 臧其威 桑振华 宋祖磊 杨 艳

（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏省徐州市，221008）

指出了当前变电站顺序控制的不足，鉴于煤矿供电系统基础弱和底子薄的现状，研究了一套适用于煤矿智能变电站的顺序控制实用化方案，介绍了具体选定的顺序控制总体方案、操作票生成方案、图票防误顺控一体化方案、通信传输方案以及异常情况解决方案。

煤矿 智能变电站 顺序控制 实用化方案

国内煤矿电力自动化应用水平普遍较低，传统电力自动化系统一直无法彻底解决煤矿供电安全问题。近年来，智能电网及智能变电站技术的快速发展为解决煤矿供电安全问题提供了新的思路。建设煤矿智能变电站不仅可以跟上电力系统智能化建设的步伐，也可以保证与电力系统整体的协调操作能力。顺序控制技术是智能电网发展的关键技术，也是智能变电站标志性功能，它是一种新型的变电站综合自动化技术，其主要特点就是将变电站倒母线转换运行等传统人工操作方式通过编制好的软件程序在计算机上代替人工完成顺序操作，避免了人为因素可能导致的误操作。整个操作过程中操作员不需要到达现场，在节省人力、物力、财力和操作时间的同时提高了煤矿变电站自动化水平，保障了变电站安全运行。本文立足于新兴智能电网和智能变电站技术，研究了适合于煤矿电网的智能变电站顺序控制实用化方案，以打造技术先进、智能化功能突出、安全可靠的煤矿智能供电系统。

1 智能变电站顺序控制总体方案研究

智能变电站顺序控制有以下3种方案可供选择：

（1）集中式方案。集中式方案的控制特点是在主站编制好操作票，间隔层装置负责执行主站发出的操作票指令。集中式方案优点是间隔层设备无需改动，实现方式简单，而且主站编制操作票方法灵活，还可以调用编辑典型票等。集中式方案的缺点是主站获得信息是依靠通讯网络上传的，所以要考虑通讯中断故障的应急方案，另外，顺控操作模块和调度系统集成在一起在一定程度上也影响智能供电系统的可靠性。集中式方案智能变电站顺序控制结构图如图1所示。

（2）分布式方案。分布式方案操作票的存储和执行都在本间隔内进行，其优点是运行可靠和工程维护简单，而且已运行的间隔对变电站的扩建影响较小。分布式方案的缺点是间隔层设备直接编程存储比较繁琐且改造扩建实施难度大，在煤矿井下工作条件较差的情况下，间隔层频繁调试和跨间隔操作比较繁琐和复杂。

图1 集中式方案智能变电站顺序控制结构图

（3）分布式集中式结合方案。分布式集中式结合方案控制特点是本间隔操作由间隔内装置完成，跨间隔操作由站控层顺控服务器协助完成。分布式集中式结合方案的优点是间隔内的操作信息直接采集，这使得采集到的信息可靠性高，缺点是跨间隔操作实现起来比较复杂。

综合比较以上3种方案，根据实现难易程度选择集中式方案作为智能变电站顺序控制总体方案。

2 智能变电站顺序控制详细技术方案

2.1 操作票生成方案

（1）查询开票方式。查询开票方式是将变电站操作经常使用的操作票以典型票形式存于数据库中，操作票数据库管理维护平台对典型票进行分类存储、检索、编辑和输出等操作。经常性操作的操作票以文本形式存储于数据库中，操作人员利用上述平台进行检索调出数据库中的历史票，然后检查编辑保存即可生成新的操作票。这种开票方式在早期应用较多，现在投运的MIS系统也常见应用。

（2）点图开票方式。点图开票方式依据图形化界面，用户可以直观地在系统图上直接用鼠标点击设备选择相应的操作 （开合等），每操作一步系统都会实时进行规则校验，符合校验规则的操作即形成相应的操作语句，违反校验规则的操作发出操作提示，逐步完成操作后系统自动生成操作序列。由于直接在图形界面上操作形象直观，因此深受煤矿变电站操作人员欢迎。

（3）短语开票方式。短语开票方式是操作者在操作票生成界面上选定要操作的一次设备，系统自动调出一次或二次操作短语作为选项，点选相应的短语可以直接形成操作票语句。

（4）自动推理开票方式。利用专家系统技术自动生成操作票，自动推理开票方式模拟了人的智能，具备自学功能，甚至可以学习训练自主总结经验。操作人员通过界面指定操作任务就能自动生成相应的操作票，而且开票简单、快捷。相比于点图开票，自动推理开票方式依赖于程序做出每一步的选择，因此相应的规则较多且知识表达较困难。实际应用中，制约这种开票方式的系统投入运行的条件很多，真正能实际运行的很少，而且后续的实际应用效果的跟踪报道也没有，不适合可靠性要求极高的煤矿供电系统。

（5）其他开票方式。除上述开票方式外，还有学者研究如何将自动开票问题抽象为数学模型，而后引入Petri网和框架理论等智能技术，但目前均未见实例。

综合对常见的几种开票方式进行分析比较，采用典型票和非典型票结合的方案作为本智能变电站顺序控制操作票生成方案，典型票由操作票数据库调取做检查修改后使用，非典型票 （数据库没有的操作票）采用点图开票方式生成。

2.2 图票防误顺控一体化方案

根据煤矿安全规程和电气防误闭锁原则规定，各开关、刀闸、接地线等的操作顺序和闭锁逻辑事先写入规则库存于服务器中，在图形化界面中各元件与规则库中命名一一对应。开具操作票时，在图形化界面上点击相应元件设定动作方式，系统根据当前实时拓扑结构及运行状态，用规则库校验其是否是合法操作，若符合操作则该步操作记录于操作票中，不符合操作则弹出警告对话框并给出提示。操作票完成后，点击模拟运行则在图形界面上可以模拟预演，模拟运行的过程自动调取规则库实时校验并有动态着色功能。这样，通过图形界面点图开票的过程就带有逻辑校验，然后在图形界面上模拟预演，整个过程方便直观。图票防误顺控的实现流程如图2所示。

图2 图票防误顺控的实现流程图

顺序控制操作执行时配合机械闭锁、电气闭锁、监控系统软件防误闭锁、专用微机防误系统等常规防误闭锁。主站规则库防误结合设备层防误和传统微机五防并用的方式保证了顺控操作的正确性和安全性。

2.3 通信传输方案

为了实现顺序控制功能，间隔层装置之间要求实现横向通信才能收发开关位置信息和顺序控制命令，IEC61850协议保证了不同厂家设备可以互通互联，它应用面向对象技术对一次设备统一建模，建模完成后各智能装置互相通信，实现互操作。

2.4 异常情况解决方案

顺控操作过程中必须考虑执行异常时的解决方案，煤矿供电系统环境复杂事故原因多样，当顺序控制执行过程中出现异常时，简单的终止程序不能体现顺控操作的智能性，最好的处理方案应该按照事故类型及紧急程度分类给出相应的提示，通过人机界面处理异常情况。执行过程中系统实时保存断面，当由于异常情况导致操作票系统异常重启后，可以重新装载原操作票并根据断面恢复至重启前的状态继续执行。

3 应用效果

2010年初，淮北矿业 （集团）有限责任公司祁南煤矿抓住智能电网技术快速发展契机，对煤矿供电系统进行智能化改造并在2011年9月改造完成，项目新建设的地面110 k V智能变电站1座，井下变电站智能化改造3座。顺序控制技术成功应用于本项目，在地面开关柜实现了一键式操作，系统集图形开票防误闭锁顺序控制于一体，实现了煤矿供电系统图形化和一键化操作，改善了常规手工操作对操作者操作经验及人员素质的依赖。与传统变电站操作方式相比，顺序控制可以实现远程操作，操作者不必亲临现场作业节省了操作人员的工作时间、改善了工作环境、大大提高了劳动效率且有效降低了变电站运营成本。地面变电站全站恢复供电操作时间由原来的15～20 min缩短到几分钟，倒变压器操作由原来的30 min以上缩短到5 min，参与人员由原来的5～10人减少至2人。所有操作过程均通过系统界面完成，无需人工干预，大大提升了煤矿供电的安全性和智能性。

［1］韩建国.110 k V变电站综合自动化系统的设计与应用 ［J］.中国煤炭，2008 （10）

［2］王文龙，胡邵谦，汤震宇.程序化操作在变电站中实现的几个关键问题 ［J］.电力系统自动化，2008（22）

［3］郑博明，吴奕，杨洪等 .变电程序化操作的设计与实现 ［J］.电力系统自动化，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

刘建华 （1973-），男，河南巩义人，博士，副教授。主要研究领域为煤矿供电安全、智能电器和中性点接地方式与漏电保护。

（责任编辑 路 强）