淺談采區變電所無人值守技術研究與應用

王高海

【摘 要】電力作為現代煤礦工業的主要動力，在煤炭生產中占有十分重要的位置，是保證煤礦生產的先決條件。優良的礦井供電系統對于保護礦井作業安全、提高作業效率、保證工作人員的人身安全具有重要意義。十年來，得益于自動化技術、計算機技術、微機保護技術的發展，國家電網的變電站已經基本實現綜合自動化，實現無人值守，近幾年也建立一些數字化變電站示范站。變電站自動化→數字化→智能化是電網未來的發展方向。通過以太網連接，形成綜合自動化網絡，并依托自動化平臺增加信息化管理模塊，實現供電設備管理的信息化，達到無人值守目的，減員提效，實現井下電網安全、可靠、經濟運行是目前的發展方向。

【關鍵詞】綜合自動化;采區變電所;無人值守;減員提效

中圖分類號： TM76文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0233-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.106

0 引言

我們煤炭企業由于受管理理念、技術研發水平、裝備水平、人員技術水平等因素限制，目前煤礦地面主變電所真正實現綜合自動化，達到無人值守的很少。井下采區變電所實現綜合自動化更是少之又少。我們集團公司內部礦井采區變電所綜合自動化水平也參差不齊，基本是對采區變電所的高壓或某個采區變電所實現自動化控制。煤礦采區變電所立足于現有技術及裝備水平，突破單個變電所自動化思維限制，通過以太網連接，形成綜合自動化網絡，并依托自動化平臺增加信息化管理模塊，實現供電設備管理的信息化，達到無人值守目的，減員提效，實現井下電網安全、可靠、經濟運行是目前的發展方向。

1 主要研究內容以及研究方法、技術路線

1）根據我礦井下采區變電所的負荷情況，進行優化組合。將現在采區變電所的高低防開關更換為組合饋電開關，組合饋電開關具備“遙測、遙信、遙控、遙調”四遙功能。關鍵是開關小車要具備電動分合功能。組合開關盡量采用同一廠家產品。組合開關配備的綜合保護裝置要性能可靠，保護功能齊全。

2）在每個采區變電所安裝一臺交換機，通過礦用屏蔽雙絞線通信電纜連接綜合保護裝置的CAN bus接口（或RS485接口），進行數據通信。交換機連接到我礦現有工業環網，通過工業環網與地面鍵控制主機相連。地面監控主機內安裝InTouch組態軟件。使用InTouch組態軟件將能實現以下功能：

（1）實現變電所內礦用防爆型組合饋電開關的數據實時采集。通過組合饋電開關自帶的數據采集系統和中間網絡以及上位機組態軟件可以將設備的數字量輸入信號和模擬量輸入信號進行實時讀取和顯示。

（2）實現礦用防爆型組合饋電開關斷路器和隔離小車的遠程控制。

（3）監控主機操作畫面需要設置不同等級的用戶登陸和操作權限。根據不同管理角色設置不同的用戶，可按系統管理員、值長、一般值班操作人員等提供分級密碼，對這些用戶進行不同等級的授權，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，建立良好的反事故措施。

（4）實時記錄、歷史記錄、事件記錄、故障及操作記錄等。上位機組態軟件可以采集和記錄設備的實時數據并存儲在數據庫內予以保存，根據硬盤空間大小來確定保存時段的長短，數據留存期內可以標準或設定文件格式隨時調用和打印上述歷史數據，實現報表功能。

（5）配合低壓配電設備實現變電所內環境的監測。系統通過低壓配電設備實現對變電所內溫度、煙霧和瓦斯濃度的監測，預防火警及其它事故。用于不同開關通信協議的轉換與通信。

3）在變電所綜合自動化平臺上進行設備管理信息化研究，實現設備臺賬、圖像、參數、檢修信息、歷史故障信息、配件管理、標志牌圖紙管理等，開發一套繼電保護整定計算軟件，實現定值自動計算，下發和召喚。

4）在保證防爆開關設備防爆性能、電氣性能的前提下，研究在開關內部關鍵部位安裝無線溫度傳感器的可行性，以及數據收集傳輸方法的實現。編制溫度監控預警軟件，實現溫度實時顯示，超溫報警，溫度變化曲線查看等功能。

2 采區變電所無人值守在煤礦供電系統中應用的目的和必要性

2.1 實施背景及目的

隨著礦井開采的延伸，我礦井下供電系統越來越龐大、復雜。現有南翼5#、4#、3#、南翼軌道下山、二采2#、十采區變電所，南翼1#、四采、二采三上配電點，共計9個采區變電所、配電點，各變電所配電點之間距離也較遠。采區變電所值班電工每班8人共24人，去除學習及休班，每班出勤4至5人，每人約負責2個崗點的巡檢、停送電、日常維護、保護試驗等工作。煤礦井下作業的特殊性，井下供電系統極易出現漏電、短路、過流等故障，造成開關跳閘停電或停風，影響生產及安全。如停電變電所無人值班，值班電工接到通知去送電，這一過程基本得半小時左右，特別是局部風機停電，對安全及生產的影響極大。故障跳閘情況時有發生，按每天影響半小時計算，一年180多個小時的影響，損失是巨大的。

采區變電所開關類型眾多，綜合裝備水平較低，設備互換性差。高防開關有2個廠家6種類型，低防開關有3個廠家4種類型。有傳統插件式保護，有單片機綜合保護，有帶通信接口也有不帶通信接口的，操作機構有手動儲能的，有電動儲能的，有電磁直接操作的。而且各種開關之間通信協議不同，阻礙了綜合自動化的統一通信控制。

2.2 采區變電所設備現狀

采區變電所設備綜合信息化管理上落后，主要表現在以下幾方面：

（1）開關運行狀態及運行參數，如開關的分合狀態、故障類型、報警指示、運行電流、電壓、功率，只能

靠人去查看，管理層無法掌握綜合數據和信息。

（2）繼電保護定值管理還是采用人工計算、下發區隊，區隊再安排人現場去調整，甚至有的開關還必須停電開蓋才能調整定值。還得定期安排人去現場核對定值整定情況。定值整定計算復雜，容易出錯，如果計算或整定錯誤，很可能造成開關誤動或拒動，影響生產或安全。開關實際定值和定值單、圖紙、標志牌一一對應。每調整一個定值，上述工作就得重復一遍，費時費力。

（3）設備臺賬、標志牌、圖紙管理落后。現在設備臺賬還是人工統計設備信息，錄入微機。而且僅是設

備型號和主要參數，沒有設備圖片、主要及易損配件型號、庫存管理。設備或負荷調整后，定值得調整，圖紙標志牌都得相應打印張貼。

（4）設備維護保養缺乏信息管理依據。現在設備檢修，基本是各變電所輪著檢修，重要變電所多檢修一

次，由于缺乏設備的運行信息，不能有效掌握設備的異常情況，就造成檢修缺乏針對性和預見性。例如高防開關內部真空斷路器每操作2000次就得潤滑、緊固、檢查調整開距和超行程，否則就可能出現合閘三相不同期甚至分合閘缺相等故障。真空斷路器短路跳閘30次就該更換真空管，如不更換分合閘時就有可能發生真空管爆炸事故。

（5）設備巡檢手段落后，現在巡檢就是看看外觀，聽聽有無異響，摸摸開關是否發熱。由于防爆開關是

封閉式的，上述手段很難發現開關的內部異常。設備異常及事故主要是由于觸頭或接線柱接觸不良，發熱引起。但目前井下高低防開關還沒有內部觸頭和接線柱的溫度監測功能。

2.3 必要性

面對這種現狀，采區變電所進行設備升級，建立統一的自動化管理和信息平臺，提升綜合自動化水平，對減人提效，保障系統安全可靠運行是非常有必要的。

3 主要目標及技術經濟指標

3.1 主要目標

高低防開關全部更換為組合開關，組合開關支持遠方和就地操作，并且開關小車可電動分合，支持遠方控制。組合開關配備綜合保護，并具備數據通信接口。綜合保護動作可靠，保護功能齊全，符合規程要求。

實現對井下變電所低壓供電設備的遠程監視和監控，實現數據采集、狀態顯示、參數設置、分合閘操作和視頻圖像顯示、視頻聯動、數據聯動、故障定位。而地面監控主機對開關的參數修改和控制指令以及對監視設備的的控制指令也通過工業網絡進行傳送，通過數據在中間網絡的雙向傳輸，實現“五遙”功能，即：遙測、遙信、遙調、遙控和遙視，實現變電所的無人值守。

實現采區變電所設備綜合信息化管理，能夠實現短路電流計算、保護整定計算、電纜選擇、定值召喚與下發;設備檢修信息管理;標志牌、圖紙更新打印。

實現對開關內部關鍵部位的測溫管理，實時報警。

變電所信息Web發布，在礦辦公網可以通過web方式瀏覽。并支持手機端瀏覽，支持蘋果系統手機、安卓系統手機、微軟系統手機瀏覽采區變電所實時情況。

3.2 技術經濟指標

3.2.1 組合開關綜合保護

（1）采樣回路精確工作范圍及誤差

（2）元件定值誤差

電流元件定值誤差：<±2.5%;電壓元件定值誤差：<±2.5%。

時間元件：<±20ms;方向元件角度誤差：<±3度。

（3）整組動作時間

保護速動段的固有動作時間（包括繼電器固有時間）：1.2倍整定值時，不大于30ms。

（4）通訊接口

接口類型：CAN Bus（或RS485）、本安信號輸出。

通信速率：最大1Mbps（40m）。

通信距離：10Km（通信速率低于5Kbps）。

（5）保護功能

應具備速斷保護;過流保護;堵轉保護;過載保護;斷相及不平衡保護;過電壓保護;低電壓保護;漏電保護;漏電閉鎖;選擇性漏電保護;瓦斯閉鎖、風電閉鎖;TV斷線告警;故障錄波等保護功能。

3.2.2 變電所綜合自動化平臺

操作系統（win7以上系統）、數據庫、編程語言等應為可靠性高、開放性好、易操作、易維護、安全、成熟的主流產品。軟件應有詳細的漢字說明和漢字操作指南。

軟件必須具有操作權限管理功能，對參數設置、控制等必須使用密碼操作，并具有操作記錄。

監控后臺調出整幅畫面85%的響應時間應不大于2s，其余畫面應不大于5s。

遙測量綜合誤差不大于±0.5%，遙測傳送時間不大于4s;遙信動作率不小于99.9%，遙信變化傳送時間不大

于3s;遙控、遙調動作正確率100%，傳送時間不大于4s。

系統平均無故障工作時間應不小于800小時。

井下用防爆分站或交換機的防爆性能應符合GB 3836的規定，礦用一般型設備應符合GB 12173的規定。

系統備用電源在交流電源停電后，工作時間不少于4小時。

3.2.3 溫度監測

溫度傳感器安裝后，必須保證電氣設備的爬電距離滿足規程要求。

測溫精度小于±1℃，溫度變換響應時間小于1分鐘，溫度傳感器使用壽命不低于10年。

4 預期研究成果及其形式

依托目前礦井的工業環網，實現井下采區變電所綜合自動化，在此基礎上實現采區變電所設備管理信息化，從而實現采區變電所無人值守。

5 技術難點及主要創新點

（1）高壓及低壓組合饋電開關在礦井變電所綜合自動化中的應用。

（2）不同開關通信協議的轉換與通信。

（3）利用工業環網進行電力通信實時性與可靠性研究。

（4）在變電所綜合自動化平臺上進行設備管理信息化研究，特別是繼電保護整定計算軟件的研制，以及定值召喚與下發的實現研究。

（5）在防爆設備內部關鍵部位實現實時在線測溫預警系統的研究。

6 推廣應用前景及經濟、社會、效益分析

無人值守采區變電所的實現，不僅能取得良好的經濟效益，還可以有效保障煤礦安全生產。

（1）減人提效，減少成本支出。目前我礦井下采區變電所每班有8人，三個班共24人，實現無人值守后，值守電工改為巡回檢查，每班可減少4人，共減少12人。按人均應收7萬估算，每年可減少84萬元工資支出。

（2）減少的人員可以充實到維修班中，解決目前檢修維護人員偏少的局面。

（3）通過前臺機可以方便的查看分析開關及系統的運行狀況，及時掌握系統異常情況，有針對性的進行超前檢修，減少事故發生。

（4）通過對跳閘信息的監視，可以根據故障或跳閘信息，有選擇性的遠程恢復開關供電，減少停電對生產的影響，提高了效率，也保證了礦井正常生產和安全提高了效率。

（5）使得采區變電所設備管理實現信息化。

綜上所述對井下采區變電所進行無人值守改造，既可以達到減員增效，提高企業勞動生產效率的目的，又能及時清晰、全面、準確地掌握設備運行狀態，快速可靠地控制設備運行狀況，從而實現對井下采區變電所開關進行集中統一管理、安全生產的目的。

7 結論

目前國家電網已經基本實現變電所無人值守化，變電所智能化、無人值守化是必然的發展趨勢。在我們煤礦企業，利用自動化手段，減人增效是發展的必由之路。煤炭企業特別是非新建礦井，由于自動化水平較低，井下供電設備情況參差不齊，新型開關與老舊開關并存，各種綜合保護通信協議不統一，實現變電所綜合自動化達到無人值守的目的存在一定難度。本項目的成功研究與實施，必然提升我礦的自動化水平，起到良好的示范作用，對相似礦井的采區變電所綜合自動化改造具有良好的推廣應用價值。

【參考文獻】

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