井下變電所無人化智能供電系統(tǒng)研究

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦 山西 030052）

引言

隨著煤炭企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，降低原煤成本、實(shí)現(xiàn)降本增效已成為決定煤炭企業(yè)是否能夠長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵，目前自動(dòng)化技術(shù)在井下的應(yīng)用已經(jīng)成為煤礦實(shí)現(xiàn)科技減人，降低原煤成本，達(dá)到降本提效目標(biāo)的重要手段。井下變電所是煤礦井下供電系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，具有大功率載荷多、分布廣泛等特點(diǎn)，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境也比較惡劣，存在多種影響變電所穩(wěn)定運(yùn)行的因素。目前，煤礦正在進(jìn)行現(xiàn)代化變革，井下智能化、信息化發(fā)展對(duì)井下設(shè)備有了更高的要求，井下有越來越多更大功率的設(shè)備投入以及先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，井下變電所逐步向無人化值守發(fā)展，由此對(duì)礦井井下的供電系統(tǒng)有了更高的要求。井下傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)存在經(jīng)常大面積停電的問題，嚴(yán)重影響了煤礦正常生產(chǎn)，通過改造井下變電所設(shè)備及入井電纜，建成井下變電所無人值守智能供電系統(tǒng)，形成數(shù)字化、信息化、智能化的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早處理供電系統(tǒng)故障，從而進(jìn)一步提升礦井安全生產(chǎn)保障能力，同時(shí)使礦井科技減人工作落到實(shí)處，實(shí)現(xiàn)礦井“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”目標(biāo)，提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益。

1.供電系統(tǒng)概況

某礦地面建有4座35kV變電站，其中安家溝變電站、風(fēng)峪溝變電站、北石崖變電站擔(dān)負(fù)著井下用電。井下建有中四區(qū)變電所、中六區(qū)變電所、南五區(qū)變電所、南六區(qū)變電所、中部擴(kuò)區(qū)變電所、1021變電所、北大巷中央變電所，供井下全部用電負(fù)荷。

2.供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

由于井下供電系統(tǒng)存在線路多、線路短、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、多級(jí)變電所級(jí)聯(lián)等情況，且同一電壓等級(jí)從地面到井下有較多級(jí)，兩級(jí)之間線路短使傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)無法起到保護(hù)作用，井下經(jīng)常發(fā)生電網(wǎng)短路越級(jí)跳閘問題，此外漏電保護(hù)無選擇性，容易造成井下大面積停電。隔爆高壓開關(guān)不具備失壓延時(shí)功能，在供電系統(tǒng)出現(xiàn)短暫性失壓的情況下會(huì)造成隔爆高壓開關(guān)因失壓群跳導(dǎo)致大面積停電。供電系統(tǒng)存在：短路越級(jí)、漏電誤動(dòng)拒動(dòng)、失壓群跳等問題導(dǎo)致大面積停電，影響煤礦正常生產(chǎn)時(shí)間，給安全生產(chǎn)帶來一定的影響。

3.原因分析

（1）井下供電系統(tǒng)未實(shí)行自動(dòng)化控制改造，對(duì)整個(gè)井下供電系統(tǒng)的管理、監(jiān)控、操作不協(xié)調(diào)，容易因小故障導(dǎo)致停電事故，并且井下存在線路短、分級(jí)多的特點(diǎn)，電力作業(yè)對(duì)保護(hù)的延時(shí)要求較高，導(dǎo)致保護(hù)整定不能準(zhǔn)確的切除故障，線路越級(jí)跳閘的情況經(jīng)常發(fā)生。排查故障時(shí)間長(zhǎng)，人為影響因素較大，工作效率低，降低了井下供電系統(tǒng)的可靠性；

（2）無法實(shí)現(xiàn)精確的接地選線。雖然礦井根據(jù)實(shí)際情況在變電所內(nèi)配置有接地選線的設(shè)備，但是存在選線并不準(zhǔn)確的情況，無法定位到準(zhǔn)確的接地區(qū)段，嚴(yán)重影響了整條線路的供電；其次，現(xiàn)代化礦井對(duì)機(jī)械化、智能化的程度要求極高，井下用電負(fù)荷也越來越大，使得單相接地時(shí)接地電流較大，為了控制接地電流過大，通常在地面變電站增加消弧線圈補(bǔ)償設(shè)備以控制電流，電流變小后導(dǎo)致無法使用傳統(tǒng)的選線設(shè)備；

（3）煤礦井下供電系統(tǒng)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)由煤礦生產(chǎn)部門統(tǒng)一制定標(biāo)準(zhǔn)，無法應(yīng)用地面變電所的研究成果，導(dǎo)致井下供電系統(tǒng)落后于地面，加之井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行故障率較高，安全供電性差。此外礦井供電標(biāo)準(zhǔn)較為滯后，導(dǎo)致各個(gè)設(shè)備廠家通訊保護(hù)無法兼容，由此造成煤礦井下保護(hù)設(shè)備壽命短，通用性差；

（4）在數(shù)字化礦山建設(shè)的過程中，在每個(gè)變電站設(shè)置了通訊分站，由通訊分站將站內(nèi)信息采集并上傳至地面調(diào)度中心，從而實(shí)現(xiàn)地面“三遙”功能。該解決方案雖然在一定程度上減少了井下停電故障率，但由于各變電所分站綜保設(shè)備采用了各式各樣的通訊接口，性能差別較大，導(dǎo)致各系統(tǒng)之間通訊效率比較低、效果依然不是很理想；

（5）供電系統(tǒng)的自動(dòng)化多應(yīng)用于生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)，由于專業(yè)化要求高，使得一般的生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)僅僅使用遙測(cè)、遙信等監(jiān)測(cè)功能，而地面遙控功能及定值管理、故障分析、設(shè)備維護(hù)、電量分析等無法發(fā)揮實(shí)際功能，甚至在建設(shè)規(guī)劃階段就被忽略；

（6）對(duì)于影響煤礦運(yùn)行的越級(jí)跳閘問題，部分煤礦采用優(yōu)化一次系統(tǒng)架構(gòu)的方式來削弱越級(jí)跳閘對(duì)礦井供電的影響，但此方案的投入很大，也不具備該方案實(shí)施的基本條件；在二次控制系統(tǒng)領(lǐng)域中有節(jié)點(diǎn)閉鎖、通訊閉鎖、電流速斷延時(shí)等多種方案，但都無法發(fā)揮真正的作用；

（7）井下傳統(tǒng)的6/10kV供電系統(tǒng)任然存在選擇性漏電的問題，該問題沒有得到解決。

4.改造方案

采用KJ698煤礦無人值守智能供電監(jiān)控系統(tǒng)，敷設(shè)光纜組建獨(dú)立環(huán)網(wǎng)作為系統(tǒng)通訊的主要通道。在地面建設(shè)電力系統(tǒng)監(jiān)控中心，對(duì)井下所有變電所實(shí)行全天無間斷監(jiān)控。將變電所低壓設(shè)備接入通訊線路，對(duì)高壓配電裝置進(jìn)行升級(jí)改造，安裝斷路器隔離本體小車自動(dòng)推進(jìn)退出裝置，在高壓配電裝置內(nèi)部配置攝像模塊，將視頻信號(hào)穿腔引出，并加設(shè)視頻傳輸系統(tǒng)，將變電所所有配電裝置的內(nèi)部視頻信號(hào)傳輸?shù)降孛骐娏ΡO(jiān)控中心，做到操作可視化。同時(shí)，電動(dòng)隔離系統(tǒng)的控制部分與每臺(tái)配電裝置的保護(hù)進(jìn)行集成，保護(hù)與監(jiān)控分站進(jìn)行通訊，監(jiān)控分站通過光纜將訊息傳送至地面電力監(jiān)控中心，地面電力監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)反映配電裝置斷路器及隔離的分合狀態(tài)，通過遠(yuǎn)程操控與控制，真正實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守。

5.實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

(1)無人值守

改造后通過遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷井下變電所高低壓設(shè)備故障，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障苗頭，及早處理隱患問題，最終形成井下供電系統(tǒng)地面可視、可查、可操作的智能化監(jiān)控操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保井下供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)智能化

無人化智能供電系統(tǒng)通過礦千兆環(huán)網(wǎng)將礦所有變電所供電網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)整體，通過智能拓?fù)浞治龊妥詣?dòng)著色、操作的互聯(lián)閉鎖、設(shè)備自檢測(cè)、定值的合理性校驗(yàn)、參數(shù)的自動(dòng)化配置、智能綜合預(yù)警等高級(jí)智能化功能，監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)狀態(tài)，自動(dòng)協(xié)調(diào)工作，及時(shí)處理系統(tǒng)產(chǎn)生的各種問題。

(3)可視化

無人化智能供電系統(tǒng)提高了對(duì)礦井所有供電設(shè)備和系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大了監(jiān)視范圍，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)和可視化，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和操作，是實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守的前提和技術(shù)保證。可視化主要表現(xiàn)在：①系統(tǒng)運(yùn)行情況的可視化。在已有的監(jiān)測(cè)電壓、電流、功率以及開關(guān)位置上增加電動(dòng)小車遙控、電力系統(tǒng)的諧波、電能質(zhì)量、電度計(jì)量、負(fù)荷沖擊記錄、變電所溫度、變電所感煙狀態(tài)傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常情況，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)掌握系統(tǒng)情況；②一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的可視化。主要包括分合閘動(dòng)作時(shí)間、累積分?jǐn)嗳萘康龋⑦\(yùn)行異常預(yù)警機(jī)制；③二次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)的可視化。包括系統(tǒng)保護(hù)裝置的自檢狀況、網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷率和通訊狀態(tài)以及交換機(jī)的運(yùn)行情況等；④系統(tǒng)故障可視化。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可將發(fā)生故障的時(shí)間、類型、故障值、錄波波形等實(shí)時(shí)記錄，檢修人員可以調(diào)取完整的數(shù)據(jù)和記錄，便于檢修人員有針對(duì)性的及時(shí)解除故障；⑤強(qiáng)化設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。在地面的電力系統(tǒng)監(jiān)控室即能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控井下開關(guān)、保護(hù)功能投退、調(diào)閱和修改定值、調(diào)整參數(shù)配置等功能。

(4)防越級(jí)跳閘

系統(tǒng)采用“先定位后跳閘”策略實(shí)現(xiàn)短路故障的防越級(jí)和系統(tǒng)操作防越級(jí)，避免無故跳閘、越級(jí)跳閘的嚴(yán)重事故發(fā)生。通訊異常時(shí)，系統(tǒng)具有自動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別功能，能通過系統(tǒng)自身判斷供電運(yùn)行方式，自動(dòng)識(shí)別各間隔的保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動(dòng)構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的防越級(jí)系統(tǒng)，確保防越級(jí)功能的有效性。

(5)精確定位

采用智能監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)供電故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，徹底解決接地、漏電選線不準(zhǔn)，造成停送電時(shí)間過長(zhǎng)，影響安全生產(chǎn)的問題。

(6)失壓延時(shí)保護(hù)

智能供電系統(tǒng)通過開關(guān)失壓延時(shí)保護(hù)，可以避免因電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致礦井變電站失電的現(xiàn)狀，降低了井下大面積停電事故的概率，KJ698無人化智能系統(tǒng)使用后，礦井的大面積停電事故減少約85%。

6.總結(jié)

目前，井下變電所無人值守改造已進(jìn)入試運(yùn)行階段。該系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地面對(duì)井下變電所“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”的功能。通過通訊信號(hào)傳輸，地面電力系統(tǒng)監(jiān)控室值班人員即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并全面掌握井下供電系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)行情況，發(fā)生故障后也可迅速找出原因并排除故障，實(shí)現(xiàn)井下供電系統(tǒng)故障地面可視化和遠(yuǎn)程操作解決故障問題。該系統(tǒng)目前運(yùn)行效果良好，提高了發(fā)現(xiàn)和排除故障的效率，減少了大面積停電對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響，大大提升了井下供電系統(tǒng)的安全保障能力。無人化智能供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井下變電所無人值守，減少了井下作業(yè)人員，達(dá)到了減人增效的目標(biāo)，符合現(xiàn)代化煤礦發(fā)展趨勢(shì)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。