煤矿配电网合环监测系统的研究与设计

李建修 邵志敏 李立生 孙勇 张世栋

（山东省电力科学研究院，山东省济南市，250002）

我国煤矿配电网一般由多级变电站组成，电网结构复杂，当系统在网络重构过程中的运行方式发生改变时，工作人员往往无法及时掌握系统合环状态。系统合环后，配电网拓扑结构发生变化，网络潮流重新分布，可能会引起难以控制的网络循环功率，导致保护动作、线路过负荷、电气设备损坏甚至危及人身安全等事故发生。目前煤矿配电网监测系统合环状态主要依靠人员巡视，因此对煤矿配电网合环监测系统进行研制具有重要意义。

本文针对煤矿配电网的特点，提出了基于自动调谐消弧线圈的煤矿配电网合环监测系统。当消弧线圈调谐时，地面调度中心同步采集各段母线中性点位移电压信号，依据判据监测系统合环状态。若系统合环运行则搜索规则库，确定合环开关。

1 煤矿配电网合环监测系统的基本原理

假设煤矿配电网内的n段母线各装设一套消弧线圈自动调谐装置，若其中的第1，2，…，n段母线在同一环网内运行，则其所连的第1，2，…，n台消弧线圈并联运行，此环网电压谐振回路如图1所示。X1，…，Xn分别为这n 个消弧线圈电抗，XCΣ为环网对地容抗，E·0为系统不平衡电压，U·0为中性点位移电压。

图1 电压谐振回路

假设地面调度中心同步采集到的第1，2，…，n段母线的中性点位移电压分别为U1，U2，…，Un，则理论上应有：

式中：U0——系统中性点位移电压有效值，V；

E0——系统不平衡电压的有效值，V；

XLΣ——n台消弧线圈并联等值电抗 （XLΣ=1／（X-11+X-12+…+X-1n）），Ω。

当其中一台消弧线圈调谐时，XLΣ变化，U0，U1，U2，…，Un同步变化 （变化幅度与变化方向相同）。于是，设定煤矿配电网合环判据如下：当系统某一消弧线圈开始调谐，此时记为时刻t1，调谐完毕时记为时刻ts。在t1～ts的这段时间里，合环监测系统对系统内各段母线中性点位移电压按时间均匀采样s次，时刻记为t1，t2…，ts。若其中的n段母线 （包含调谐消弧线圈所在母线）合环运行，中性点位移电压采样值在t1，t2…，ts各个时刻一定满足式 （3）和式（6）：

式中：Ui——第i台消弧线圈所在母线中性点位移电压 （i=1，2，…，n），V；

Uj——第j台消弧线圈所在母线中性点位移电压 （j=1，2，…，n），V；

δ——误差因子，一般取0.1V。

式中：ΔUi——第i台消弧线圈所在母线中性点位移电压的变化量 （i=1，2，…，n），V；

ΔUj——第j台消弧线圈所在母线中性点位移电压的变化量 （j=1，2，…，n），V；

δ——误差因子，一般取0.1V。

式中：Ui（tl+1）——tl+1采样时刻第i台消弧线圈所在母线中性点位移电压，V；

U（t）——t采样时刻第i 台消弧线圈所在母线中性点位移电压，V。

式中：Uj（tl+1）——tl+1采样时刻第j 台消弧线圈所在母线中性点位移电压，V；

Uj（tl）——tl采样时刻第j 台消弧线圈所在母线中性点位移电压，V。

如果发现各段目前电压的变化满足式 （3）和式（4），则说明这n段母线合环运行。

2 煤矿配电网合环监测系统的设计

2.1 规则库的形成

在煤矿配电网网络拓扑确定后，若任意两段或多段母线在同一环网内运行，均可确定可能的合环点 （导致环网形成闭合的开关），将此信息存储至调度端服务器形成规则库。当消弧线圈自动调谐时，系统依据判据监测到计划外的合环运行。在确定环网内运行的各段母线中性点位移电压异常变化后，即可搜索和匹配规则库，在调度端服务器显示可能的合环点 （导致环网形成闭合的开关），从而指导工作人员巡视迅速排除计划外的合环状态。合环监测系统规则库如表1所示。

表1 合环监测系统规则库

2.2 系统结构设计

合环监测系统的结构如图2所示。消弧线圈调谐时，各控制器将采集到的各段母线中性点位移电压上传至调度服务器，服务器依据判据判断可能存在的环网，若环网存在则搜索规则库，确定合环点。

图2 系统结构图

2.3 程序流程

合环监测系统的服务器可以包含消弧线圈并联运行控制程序模块，从而系统兼具合环监测和协调控制并联运行消弧线圈的功能。系统的程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

3 运行实例

本合环监测系统运行于西山煤电集团杜儿坪煤矿110kV 变电站，变电站一次系统接线如图4所示。

图4 一次系统接线图

由图4可以看出，地上变电站含3段母线，分别设为I段、II段和III段母线，经断路器接入井下变电站。3段母线分别装设有消弧线圈自动调谐装置。井下变电站不具备遥信功能，无法监测联络开关QFD1、QFD2和QFD3的开闭状态。

2012年9月6日，2＃消弧线圈调谐，合环监测系统监测到II段和III段母线中性点的位移电压变化趋势如表2所示。

表2 中性点位移电压变化趋势

合环监测系统监测到II段和III段母线的中性点位移电压满足式 （3）和式 （4），系统判断II段和III段母线合环运行并询问运行人员可否合环，运行人员给出否定回答，系统搜索规则库得出QFD2闭合并告警。工作人员迅速前往现场，检查发现QFD2确实闭合。

从运行结果来看，基于自动调谐消弧线圈的煤矿配电网合环监测系统能及时、准确地判断系统合环状态并告警，能够很好地满足现场需求。

4 结语

基于自动调谐消弧线圈的煤矿配电网合环监测系统判断网络合环状态及时、准确，投入运行后取得了良好的监测效果。监测系统从合环网络的形成到判断出合环点需要数分钟时间，无法做到实时监测，如何依靠消弧线圈控制器实时监测网络合环状态有待进一步研究。

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