煤礦井下供電綜合自動化系統的設計應用*

鄧志超

(山西省煤礦節能監測中心，山西 太原 030045)

0 引 言

煤礦井下供電系統的平穩運行是保證采煤、掘進、傳送運輸等重要設備安全穩定工作及井下安全高效生產的基礎。目前井下機電設備種類增加，智能化程度日益提高，使得井下電網系統趨于復雜，供電系統的管理越來越困難，設計難度和工作量也不斷提升，電網參數計算的節點也大大增加，傳統的人工計算不僅計算量巨大，計算結果的可靠性較低。在井下每一個機電設備有改變，整個供電系統參數都需重新調整，傳統的計算方法無法實現快速和實時，供電系統安全性降低[1]。在供電系統圖繪制方面，傳統的人工手繪效率低、工作量大；采用CAD等通用軟件，由于缺少礦用機電設備專業符號，導致繪圖結果不標準等問題。

針對以上出現在井下供電系統設計中的問題，筆者設計了一種基于煤礦可視化軟件的井下供電綜合自動化系統，將系統劃分為各個不同的功能模塊，可實現供電參數、機電設備選型與整定、繼電保護整定等過程的精確計算[2]，解決了傳統井下供電系統中的一些實際問題。

1 系統設計總體方案

1.1 功能模塊設計

為方便進行系統的擴展及維護管理，系統采用模塊化設計思想，將整個系統按照功能劃分為5個模塊，每個模塊獨立完成相應的功能，互不影響。系統功能模塊的劃分與設計如圖1所示。

圖1 系統功能模塊設計示意圖

供電設計模塊需完成礦井電網供電計算、電器設備選型與校驗、繼電保護整定這三大任務[3]。其中供電計算包括變壓器需用容量計算、長時載流量計算、高低電纜電壓損失計算、變壓器電壓損失計算、短路電流計算、電動機工作端電壓計算和電動機啟動端電壓計算；電器設備的選型與校驗利用系統中嵌入的不同計算模型，通過計算機完成整個尋優和參數化計算工作，其中包括對提升設備、電車、輸送機、空壓機、通風機、排水等設備的選型；繼電保護整定包含以下內容：電磁啟動器選型整定、饋電開關選型整定、高壓配電開關選型整定、電鉆綜保整定和照明綜保整定。

電器設備參數庫管理模塊可實現電器設備參數庫的編輯和刷新，包括添加新數據、刪除過期數據、編輯現有數據等，并在內部封裝了對電器設備參數庫的相關操作，通過ADO.NET方式進行訪問。

由于目前井下機電設備的種類繁多，更替更加頻繁，所以機電設備符號庫需要實現動態和開放，本系統中的機電設備符號管理模塊可以實現符號庫的更新和編輯，包括刪除過期設備符號、編輯現有設備符號、添加新的設備信號等，保證符號庫時刻處于最新狀態。

繪圖模塊可以通過機電設備的布置圖直接生成供電系統圖，可以直觀看到各類機電設備和電纜在實際中的空間位置關系，實現機電設備布置圖與供電系統圖的聯動，圖中所有涉及到的電器設備實體都儲存在List設備列表中。

系統的統計輸出模塊首先通過Word完成對輸出模板的編寫和排版，包括表格、標簽等格式，隨后將各類設備的參數通過程序導入模板中。同時輸出模塊還可輸出報告，在供電設計完成后快速將設計報告輸出，輸出形式包括Word文檔和報表兩種方式。

1.2 系統數據庫設計

系統數據庫包括電器設備參數庫和機電設備符號庫兩類。系統的電器設備參數庫采用SQL Server軟件進行設計，通過篩選將與井下供電設計與計算相關的技術參數存儲至參數庫中，參數庫中包含礦用電機技術參數、礦用變壓器技術參數、礦用電纜技術參數、電磁起動器技術參數、電鉆綜保技術參數等，各類參數以數據表的形式保存。系統提供了用于訪問參數庫的接口，內部采用ADO.NET技術對數據進行訪問和操作，當進行設計工作時，設備參數均從電器設備參數庫中。ADO.NET是由Microsoft公司開發的一種數據庫訪問技術，其中包含DataSet和.NET Framework兩個核心組件，DataSet是一個由多個行、列組成的內存數據表的集合，可實現數據的快速訪問；.NET Framework內部包含Connection、Command、DataReader、DataAdapter四個核心對象，用于和數據源建立連接并執行各種操作指令。

通用繪圖軟件中由于未設立礦用設備專用符號，制圖時存在不規范問題，本系統利用VRMine ActiveX庫中的圖元和組合設計了井下供電系統專用符號庫，庫中的所有符號設計均滿足國家煤炭行業最新的相關標準。在繪制供電系統圖時，將用到的機電設備符號從符號庫中拖出即可使用，部分機電設備的符號設計如圖2所示。

圖2 井下供電系統部分機電設備符號設計

2 井下供電系統建模

井下供電系統是一個由多種機電設備和電器連接關系組成的網絡，為了在計算機中對井下供電系統進行模擬仿真，首先需要將所有井下機電設備進行分類和建模，并實現電器關系的存儲和表達。根據機電設備的不同功能和使用場合，本系統將井下電器設備進行了分類，分類關系如圖3所示。

圖3 井下供電系統電器設備分類示意圖

分類完成后，本系統針對不同屬性的電器設備進行了實體模型建立，再將計算模型封裝入內，這樣不僅滿足了電網參數計算的需求，還保證了各個設備間結構的獨立性，便于系統維護升級。系統的開發工具選擇VRMine 數字井下軟件系統，開發環境選擇Visual Studio 2018，開發語言選擇C#4.0，在VRMine中可通過C語言編程實現井下各類設備的建模，包括所有井下電器設備類的模型設計、配電設備類的模型設計、電源類模型的設計、變壓器類模型的設計、電機類模型的設計。

3 系統軟件方案設計

井下供電設計工作前，要先通過繪圖模塊完成供電系統圖的繪制，并明確各個設備間的拓撲關系；然后系統設置電源輸出電壓、短路容量用于確定高壓系統所有電器設備的額定電壓，設置變壓器系統額定電壓用于確定低壓系統所有電器設備的額定電壓；在設置好電動機參數后，負荷統計用于完成變壓器的選型；不同電壓等級的電纜由系統根據確定好的拓撲關系自動選擇；短路電流的計算用于校驗繼保設備的靈敏度以及電器設備的熱穩定性。在完成繼保設備整定后，系統將計算結果統計并輸出，這是整個系統實現礦井供電設計的全部流程，如圖4所示。

圖4 井下供電設計實現的總體流程

4 系統運行效果

通過在實驗室搭建的系統測試平臺對本文設計的井下供電綜合自動化系統進行了測試運行，測試了負荷統計、電纜自動選擇、短路電流計算等功能。最終系統試運行效果良好，實現了井下供電設計的綜合一體化，系統操作方便、功能較全，符合實際使用需求。

圖5為系統的負荷統計界面，首先設置系統的額定電壓，需用系數可通過手動輸入設置，工作面個數也可自由選擇，最后通過需用容量完成變壓器的選型。

圖5 負荷統計界面 圖6 電纜選型界面

圖6為系統的電纜選型界面，首先將電纜按照電壓等級分為高壓、低壓電纜，系統根據內部存儲的設備拓撲關系自動判定電纜的電壓等級，同時開課計算出電纜的長時載流量以及電纜工作時的電壓損失。

圖7為系統的電磁啟動器選型界面，通過系統內部存儲的不同型號電機參數可計算出電機實際功率、負荷電流、長時工作電流以及實際整定電流等參數，以此為原則即可從型號列表框中選擇滿足條件的電磁啟動器。

圖7 電磁啟動器選型界面

5 結 語

所設計的基于煤礦可視化軟件的井下供電綜合自動化系統，通過模塊化的思想將離散型的井下供電設計進行整合，通過該系統解決了電網參數計算、供電系統圖繪制、井下設備選型與整定、統計結果顯示與設計報告輸出等功能的綜合一體化問題，具有一定推廣價值。