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
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 kV(10 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。
图3 煤矿供电系统
Fig.3 Coal mine power supply system diagram
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，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。
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。
(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。
(4)DG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。
图7 智能化一次设备
Fig.7 Intelligent primary equipment
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 Transformer,PET)又被称为固态变压器(Solid-State Transformer,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 electrnicstransformer
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)。
图10 隔爆型静止无功发生器
Fig.10 Flameproof static var generator
(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，电网具备对自储备分布式电源的接入、消纳和调节能力，提高电网抗灾能力和运行质量。
4.4 基于5G技术的智能电网通信系统
先进而全面的通信系统是实现智能电网的基础，煤矿智能电网在原有通信系统的基础上，充分利用5G无线技术的大容量、低延时、可网络切片等特性，建立智能电网双向、高速、实时、动态信息和电力交换互动的煤矿电网通信系统。实现“电力流、信息流、控制流”的高度一体化融合[18-19]。
(1)“广连接”使电网信息流更畅通。5G网络可以实现电网信息更高品质的广度和深度覆盖，对开采环境、空气质量、井巷变化、工作面位置及设备参数的采集、分析和传输提供海量接入和准时实时数据的强大技术支持。
(2)利用5G的“低延时”完善电网的保护系统。在井下电缆巷道，利用5G网络超低时延的优点，进行输电线路状态监测，替代光纤做配网差动保护和分区分级保护，大幅提高保护装置的响应时间和反应速度，增强煤矿井下电网控制需求的可靠性。
(3)“大带宽”，实现电网的泛数据链接。5G网络的应用可以连通配用电侧的采集、控制等设备，构筑全面感知、数据汇集、智能决策的电力物联网系统，满足配电网精益化管理需求，通过引入AR/VR增强技术，实现现场数据、高清图像、视频传输、提高巡检的能力。
4.5 煤矿智能电网的自储备分布电源(DG)
如图13所示，煤矿在开采过程中产生大量的矿井水，如果把矿井水在电力谷段时排到地面，当作资源储存起来，峰电时段利用煤矿高差进行水力发电，既能利用煤矿优势产生新的分布式电源，同时也是电力储存的好方法。水蓄能是当前技术最成熟、最经济的大规模电能储存手段，启停迅速，运行灵活，跟踪负荷能力强，煤矿井上下的高差具有得天独厚的条件，可以很好地满足煤矿智能电网建设的要求。抽水蓄能可作为我国煤矿坚强智能电网建设的重要组成部分[20]。
图13 煤矿自储备电源示意
Fig.13 Diagram of coal mine self-reserve power supply
煤矿开采后遗留很多巷道，经过技术处理，谷电时将空气压缩后存储到煤矿废弃巷道里，峰电时段利用压缩空气发电，形成煤矿又一个自储备分布电源，这是煤矿的独特的资源优势，发展前景很大[21]。
同时利用沉陷区光伏发电、因地制宜发展风力发电，组成煤矿集储能、发电为一体的具有鲜明行业特色的自储备分布式电源群，利用智能电网统一调度，进入电网运行。
4.6 煤矿智能电网的自愈技术
电网自愈是在原来的继电保护基础上的发展，本来煤矿井下电网的继电保护系统就存在着缺陷，所以，煤矿井下电网的自愈能力的提高更为重要。
自愈电网就是要把电网中故障设备或故障线路从电网中解除，使电网恢复到正常供电状态，煤矿井下电网的自愈和大电网有着不同的特点，既有大电网自愈技术共性，又有煤矿井下配电网对保安负荷的特殊要求，可为煤矿安全和生产发挥更大的作用。但是煤矿井下电网的自愈需要在电网结构基础上认真打造。
(1)符合煤矿井下的特点。安全是煤矿井下的重中之重，井下瓦斯和水灾害事是煤矿安全的杀手，井下的通风和排水关系到井下工作人员的生命安全，要用专门线路保证供电，在自愈电网的建设中，也要首先保证这些负荷的供电不能中断。
(2)自愈必须坚强。井下智能电网要使用现代材料建设，选择好敷设环境，配备各种智能开关，和配电终端，要具有多电源供电，如果可能，应具有分布式储能电源;同时必须有可靠地通讯网络和具备信息的分析、处理和预警的控制系统。
(3)多电源供电网络。自愈电网功能的形成必须具备多路电源，煤矿井下都是双电源下井，但各工作面供电没有全部双回路，在自愈电网系统的构成中，可采用和井下DG形成环形多电源供电格局，在电网中某一段线路发生故障时，通过在线监测预感和通讯系统，及时发现和排除故障，线路快速切换的安全线路，保持供电的连续性。
(4)柔性供电装备(DFACTS)。运用现代先进技术，提高电网的快速性、可靠性是自愈电网的关键。在井下电网中配电装置要选用固态断路器(SSCB)和转移开关(SSTS)，提高线路的切换速度，提高自愈速度，同时，利用静态无功补偿和动态电压恢复装置(DVR)减少线路故障时的供电电压中断和骤降。
(5)DG孤岛保证安全负荷。前面已述，煤矿有着得天独厚的条件，可以建设大型DG(分布式自储能电源)，因 DG 具有主动发电的能力，在自愈电网中可以发挥不可替代的作用。如果地面配电系统发生故障导致井下区域配电系统全面停电的情况下，可以形成以 DG 为电源的配电网电力孤岛运行而恢复一部分重要安全负荷的供电，明显提升系统供电的可靠性和安全性。DG及储能装置的接入极大地改变了配电系统的运行特性，利用煤矿配电系统中联络开关的作用，完善和实用化算法和模型，研究解列时机和策略，电网设计时把DG做成电网计划性孤岛，按照功率约束条件，在电网电源出现故障时，保证重要负荷安全供电。
5 煤矿坚强智能电网的预期优势
煤矿坚强智能电网改变了传统电网供用电模式，按照煤矿的特点和要求，应用先进的智能技术、网络技术和电力电子技术、区块链技术以及大容量储能技术建立起来，电网的坚强结构和智能监测感知、大数据分析和控制，提高了煤矿电网的安全性和自愈能力，使煤矿电网可以感知自身安全态势，及时发现自身的问题并予以自修复，并通过建立自储能体系，提高抵御灾变能力，形成煤矿电网独特的优势。
5.1 煤矿坚强智能电网的自感知性
煤矿坚强智能电网具备自感知能力，这是煤矿电网技术水平一个本质上的提升。煤矿电网是一个系统简单但使用环境复杂的特殊用户电网，电网的自身变化和电网回路所处环境的变化是随机的、无常的，所以具备强大的自感知能力，对电网中能够引起安全态势变化的要素进行采集分析，并通过全流量分析技术和大数据分析和边缘计算技术洞悉系统运行状态，做到摸清家底，认清风险，找出漏洞，保证安全，这是煤矿坚强智能电网的必需和基础。
建立大数据监测系统，对所有影响电网质量的因素进行监控，在电网敷设范围内，对巷道变化、环境温湿度、空气成分、水质状况等电网基础配置安全相关参数，实现全过程、全景深、全角度和全方位的自感知。使电网有了敏感的嗅觉，时刻都能感觉到自身的健康状况，时刻都能感觉到外部环境对自己的伤害，时刻都能预测到各用电区域、用电负荷及电网潮流的变化，电网有了智能感知，为分析提供可靠的海量数据，为电网状况的判断和调控奠定基础。
5.2 煤矿坚强智能电网的自修复性
智能配电网自愈控制是配电网遥信、遥测、遥控“三遥”技术的关键环节，能够及时发现、隔离和“治愈”各种配网线路发生的故障，具备在配电网故障情况下维持非故障区域连续运行、自主隔离故障区域并快速恢复非故障区域供电的能力。
煤矿智能电网有别于公共电网，它的自愈性赋予安全的含意，对煤矿电网更为重要。煤矿智能电网中的自愈性就是利用电网自感知能力，快速的、可靠的监控网络，实时收集电网的运行状态，连续不断地对电网运行的安全性、稳定性、可靠性进行实时综合评估，以预测电网可能发生的问题，并采取措施，在最少的人工干预下，迅速隔离故障、自我恢复，切除影响电网稳定运行的线路，避免煤矿大面积停电的发生。通过电网的自修复，不间断供电能力大幅度提高。
5.3 煤矿坚强智能电网的自安全性
煤矿坚强智能电网有较高的自强安全性。煤矿坚强智能电网将主干线坚强和多源科学冗余两方面结合，用先进的材料、先进的技术和先进的装备构造多源互供的电网系统，抵御煤矿井下恶劣环境，满足严苛的生产使用条件。
充分发挥电网自感知和智能控制作用，不间断的对电网静态安全参数和动态运行状况进行监测、分析、判断，发出提示警报，在酿成事故前对电网进行预先维修，提前更换，保证电网的可靠性。
利用智能电网的优势，摆脱现在电网的保护系统的时限约束，利用智能判断和快速通讯控制系统，立即解列故障回路，同时，迅速启动冗余线路，维持生产系统供电的连续性。
煤矿的安全性体现生产系统的连续性，更要在最严酷的情况下，无法满足全部生产系统供电时，也要开通安全供电回路，确保矿井安全负荷的供电，保证矿井的安全。
5.4 煤矿坚强智能电网的自储能性
煤矿的特殊环境，为煤矿发展具备自储能力的分布式电源提供了非常好的平台，这将是煤矿坚强智能电网的一大优势。利用矿井水储能调峰发电、巷道空气压缩发电以及沉陷区光伏发电和风力发电构成了煤矿独特的分布式电源和储能的科学结构，依靠智能电网控制系统的统一调度和有机的结合，保证煤矿井下关键时刻的安全负荷供电安全，并可优化成本、提高效率和可靠性，具有良好经济和社会效益。
6 展 望
如果煤矿智能矿山建设是煤炭企业的发展方向，煤矿坚强智能电网就是智能矿山的基石，如果煤炭电网安全供电是煤矿井下安全重要保证，煤矿电网的可靠性、安全性就取决于电网的坚强和智能程度。煤矿电网应该按照煤矿的特点，从电网的建设上保证电网的可靠性，利用大数据、深度学习和先进的智能技术，提高电网的感知能力，适应能力和自愈能力，建设适合煤矿特殊条件的煤矿坚强智能电网。
开展煤矿坚强智能电网建设，要找出我国煤矿智能电网技术存在的不足之处，集中力量研究攻关克服。要研究煤矿电网专用的感知技术、智能控制系统和通讯系统;研究利用现代技术和高可靠性材料制造煤矿智能配电装备、高可靠性矿用电缆，为煤矿智能电网的建设提供技术和装备支持。还要研究制定煤矿坚强智能电网的技术标准，制定目标，规范行为，使进入系统的软件和硬件有统一的要求，避免重复研究。
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