KJ698煤礦智能供電控制系統的應用

王相君

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KJ698煤礦智能供電控制系統的應用

王相君

摘要煤礦井下供電控制系統正在大力更新為自動化控制系統，由于技術途徑不同導致自動化控制系統多樣化，以KJ698煤礦智能供電控制系統在大同煤業股份有限責任公司燕子山礦的應用實踐為例，從技術管理角度分析了煤礦井下供電系統存在的主要安全問題，提出了在現行技術水平和技術標準下應采取的相應措施，結合KJ698煤礦智能供電控制系統特點，闡述了在煤礦實施智能供電控制系統的關鍵技術及發展方向。

關鍵詞KJ698；智能供電；控制系統

0　引言

由于煤礦采掘、提升與洗選裝備機械化、自動化水平的提高，地面、井下用電設備的數量和功率也在大幅提升。復雜的供電網絡使定值整定更加困難；大容量瞬間沖擊負荷所造成的電壓波動與相間電壓的不平衡；大容量變頻設備產生的高次諧波對供電質量和供電線路快速老化的影響以及煤礦井下特定的生產環境等因素，無時無刻不在沖擊著煤礦供電的可靠性。解決受“越級跳閘、選擇性漏電誤動、失壓群跳”等誘因引發的煤礦井下或地面大面積停電事故已經成為當前煤礦企業、煤炭安監管理部門和設備制造的重中之重。

煤礦10/6 kV供電保護與監控系統相比電力行業的城區配電網系統要落后2～3代，原因是煤炭行業在地面或井下供電系統中的二次測控保護自動化專業領域受技術標準門檻偏低、沒有規范化的專業技術標準，加之二次自動化產品受一次設備廠家或成套設備廠家主導，則形成了全礦區的二次自動化配套產品互為孤島，難以形成無通訊障礙的一體化供電管理系統，更談不上實時的煤礦供電監控系統，煤礦供電的“安全隱患”則無法徹底地解決。

1　主要問題

當前礦山供電系統一般采用常規保護或綜合自動化系統實現，如同煤集團燕子山礦井供電系統主要包括地面110 kV站；井下石炭系高壓供電，主要包括8#層變電所、斜井皮帶變電所、4#層機頭變電所、4#層1#變電所、4#層2#變電所的開關均是常規保護或綜合保護裝置。因此，不能實施電力監控系統，沒有全供電系統的統一調度和管理中心，在實際應用中存在的主要問題如下：

（1）由于煤礦供電標準的滯后性造成每個廠家的保護設備通訊不兼容，再由于一次設備防爆廠家將保護裝置作為開關的一個受控元件，其本身并不具備生產保護裝置的能力，而是作為一個外協原件從市場上尋求的低成本的保護設備，因此造成井下保護設備的壽命、可靠性和通用性差；

（2）受制于供電通訊的標準以及通訊光纜的硬件條件使得井下遠程監視和控制的部分，不能與井上變電所實現自動化、一體化管理；

（3）由于井下部分線路短、分級較多，而電力作業對保護的延時要求較高，導致保護整定不能準確的切除故障，不滿足選擇性的要求，普遍存在線路越級跳閘的現象；

（4）不能實現準確的接地選線，基于煤礦電力供電的實際運行情況，雖然變電站內配置了接地選線裝置但往往存在選線不準，且不能定位到確定接地區段，影響整條線路供電；再者，現代化礦井的機械化程度較高，用電負荷大，單相接地時接地電流較大，為限制接地電流，在地面變電站增加了消弧線圈補償設備，增加補償設備后接地電流變小，使得傳統的選線設備更是無法使用；

（5）電度計量管理和統計比較繁瑣，由于井下自動化程度不足，主要采用人工定時抄表的方式，甚至沒有安裝計量設備，無法做到為能效管理提供可靠的依據。

2　原因分析

正是由于煤礦供電尤其是井下供電系統的諸多隱患，2014年國家安監總局下發的科技攻關指南中明確提出煤礦供電的科技攻關主要為：

（1）解決煤礦級聯供電的越級跳閘問題；

（2）解決煤礦單相接地（漏電）的選線問題；

（3）解決煤礦電力監控系統容量以及刷新速度慢的問題。

為了提高煤礦供電系統的可靠性，行業內科研機構、制造企業及運行單位進行了探索與改進但仍感不足，分析歸納其原因如下：

（1）地面變電站參照電網企業的變電站自動化系統進行了綜合自動化系統建設，基本具備了無人值班的運行條件，變電站運營與維護也由專業的部門進行管理。井下未實施自動化控制改造，管控標準不協調，進而降低工作效率甚至影響供電可靠性；

（2）井下供電系統一般由煤礦生產部門管理，其設備制造標準、采購模式與管理方法采用煤礦安全標準及規程進行，導致地面變電所基于自動化系統的諸多研究成果和技術改進無法在井下運行，因此井下保護設備、開關設備、通訊設備等普遍落后于地面變電站，加之井下運行環境的特殊性，使得井下設備故障率高、可靠性差、自動化水平低、供電安全差等問題；

（3）部分煤礦結合數字化礦山建設的機會啟動了井下供電系統的自動化改造，普遍采用調度自動化的解決方案。在每個變電所設置通訊分站，由通訊管理機實現站內信息的收集并上傳到地面調度中心，進而實現在線“三遙”功能。但站內綜保設備的通訊接口各種各樣、通訊性能千差萬別，導致通訊效率低、實施難度大、實用性差；

（4）煤礦供電自動化系統一般集成在礦山生產調度平臺，作為一個子模塊運行，但供電系統專業化水平要求高，使得一般的生產調度平臺僅僅使用遙測、遙信等監測功能，而地面遙控功能及定值管理、故障分析、設備維護、電量分析等無法發揮實際功能，甚至在建設規劃階段就被忽略；

（5）對于困擾煤礦運行越級跳閘問題，很多礦井采用了優化一次系統架構的方式弱化或淡化越級跳閘影響，但其主要的問題是投資代價大，且很多礦井不具備改進的基礎條件；從二次控制系統領域提出了電流速斷延時方法、節點閉鎖法、通訊閉鎖法等多種方法，但真正發揮功能的并不多；

（6）井下6/10 kV系統選擇性漏電問題并沒有得到有效解決。

3　改進措施及應用效果

針對上述問題，同煤集團燕子山礦在實施KJ698煤礦智能供電自動化系統中針對性作出改進。其關鍵是將國家電網公司近幾年技術發展的成果（智能配網的快速FA技術、IEC61850通訊技術、以太網的通訊技術、智能運維與大數據分析技術）應用在礦井供電系統中，并針對煤礦供電特點進行適應性改進，進而全面提高煤礦供電自動化智能化水平。關鍵技術有：

（1）建設獨立的電力監控運維主站，通過IEC60870-5-104或OPC等規約與生產調度接口，由其實現生產監測和電源調度。獨立的運維主站實現了系統管理、設備運維、在線仿真測試等功能；

（2）選配使用的新型智能保護器，可運行于地面變電所和井下高爆開關。全面提升新型智能保護的功能，不僅實現常規的保護功能，還將后備電源措施、獨立測量、一次設備監測、電度計量、諧波監測等內容集成化實現，同時智能保護器也是實現可靠的防越級跳閘、準確的漏電選線的主要載體；此外，其采用高先進的硬件設計，使其電磁兼容水平、環境適應能力等大幅提高，保證硬件設備的可靠性；新型智能保護器支持遠程維護功能，如地面更新配置、修改定值、升級軟件等。

（3）全系統采用以太網作為通訊接口。智能保護器支持以太網接口，統一物理接口，同時以太網的高速率高兼容性為智能化功能實現提供了基礎；

（4）全系統采用IEC61850的MMS映射作為通訊標準，IEC61850是國際電工委員會專為解決設備間的“互操作”而設計，其已經在電網公司的智能變電站中得到了普遍應用，引入IEC61850可以徹底解決煤礦井下保護設備的規約問題；

（5）利用IEC61850的GOOSE技術實現保護裝置間的信息互享，并利用共享的裝置信息結合智能配電網的FA技術實現故障時“先定位、后跳閘”，進而實現準確的故障隔離，解決越級跳閘問題。在防越級保護中實現了非故障保護的閉鎖，并在大于四級保護的情況下，將上級保護的后備時間控制在200 ms以內一直是個難題，而采用IEC61850的GOOSE通訊技術后，在燕子山礦環網中全礦保護器之間快速通訊，將故障定位及閉鎖上級保護時間控制在10 ms以內；

（6）采用配網調度自動化技術代替傳統的調度自動化技術，調度主站不在面向各個變電所而是直接面向各個保護裝置，實現有效信息的海量上傳并大幅度提高通訊相應速度。

4　結論

通過KJ698煤礦智能供電控制系統實施，不僅對供電的安全隱患故障可以做到預警、排查，而且還可實現適時控制，做到縮小故障和停電范圍。提高了煤礦供電運行管理水平，提高了煤礦供電的可靠性，為煤炭用戶創造了極大的經濟價值和社會價值。

Application of KJ698 Coal Mine Intelligent Power Supply Control System

Wang Xiangjun

Abstract：The power supply control system in underground mine is updated to automation control system，the automation control system is diverse due to different technology way，taking KJ698 coal mine intelligent power supply control system applying to Yanzishan Mine of Datong coal mine joint stock limited company as an example，the main security problems of the power supply system in underground mine are analyzed from the perspective of technology management，the corresponding measures should be taken are presented under the current echnical level and technical standards，combining with the characteristics of KJ698 coal mine intelligent power supply control system，the key technology and development direction of the intelligent power supply control system implemented in coal mine are expounded.

Key words：KJ698；intelligent power supply；control system

中圖分類號TD611

文獻標識碼B

文章編號1000-4866（2016）03-0036-03

作者簡介

王相君，男，1980年出生，同煤集團機電管理處副總工程師，主要從事煤礦機電技術工作，工程師。

收稿日期：2016-03-05