煤礦井下變電所無人值守改造技術(shù)實(shí)踐

孫 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司山西大同037031）

0 引言

作為煤礦井下電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，井下變電所的安全平穩(wěn)運(yùn)行，可以有效地降低煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，保證企業(yè)的安全生產(chǎn)效率。由于煤礦井下變電所的負(fù)荷種類繁雜，區(qū)域分布分散，作業(yè)地點(diǎn)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多變，因此煤礦井下發(fā)生機(jī)電事故的幾率很高，且通常事故的停電時(shí)間和調(diào)查處理時(shí)間較長(zhǎng)，供電缺失嚴(yán)重影響了井下正常的安全生產(chǎn)。此外，煤礦電氣隊(duì)組日常需要安排大量的值班人員和維護(hù)人員來保證變電所的正常運(yùn)行，這就很大程度降低了煤礦企業(yè)綜合生產(chǎn)效率。

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)井下電力系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行有了技術(shù)保障，煤礦井下變電所管理正向“無人化”邁進(jìn)。在國(guó)內(nèi)，變電站自動(dòng)化技術(shù)一直是我國(guó)電力行業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)之一，目前全國(guó)已投入運(yùn)行的10 kV 變電站約20 000 座，而且每年新增變電站的數(shù)量約為3%～5%，均采用了自動(dòng)化系統(tǒng)無人值守模式，而煤礦井下變電所在無人值守方面實(shí)際應(yīng)用卻較少，對(duì)于如何采用更加先進(jìn)的技術(shù)和更優(yōu)的管理方案實(shí)現(xiàn)煤礦井下變電所無人值守運(yùn)行模式，已經(jīng)引起了越來越多煤炭企業(yè)高層管理者的高度重視。因此，對(duì)煤礦傳統(tǒng)井下變電所進(jìn)行升級(jí)改造，全面實(shí)施煤礦井下變電站、配電點(diǎn)的無人值守運(yùn)行模式，已成為煤礦供電管理的重要發(fā)展模式和方向。

1 背景介紹

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司，位于大同市云岡區(qū)雁崖街道鴉崖村東部1 公里處，前身是大同煤礦集團(tuán)雁崖礦。2011 年9 月，新公司獲批準(zhǔn)成立為雁崖煤業(yè)有限公司，以煤炭生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)為主，現(xiàn)有井下變電所2處、皮帶頭硐室配電點(diǎn)2處，分別為東翼采區(qū)變電所，井底水泵房變電所，盤區(qū)2#煤變電所，三盤區(qū)掘進(jìn)配電點(diǎn)。每個(gè)變電所或配電點(diǎn)每天安排2人值班，4組人員進(jìn)行輪崗，共有固定值守人員32 人，同時(shí)電氣設(shè)備的日常維護(hù)費(fèi)用和保障安全生產(chǎn)的費(fèi)用也居高不減，設(shè)備及線路故障造成的停電事故處理時(shí)間較長(zhǎng)影響正常安全產(chǎn)生也產(chǎn)生了大量的費(fèi)用……以上這些成本費(fèi)用的支出都大大降低了煤礦企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2 技術(shù)改造

（1）建立基于以太網(wǎng)的電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤礦井下供電系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)控，管理和安全防護(hù)的功能，通過采集電氣設(shè)備運(yùn)行過程的電壓值、電流值、功率值、功率因數(shù)和保護(hù)運(yùn)行情況等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電所內(nèi)電氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制分?jǐn)啵O(shè)備故障告警提示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，能耗管理和設(shè)備管理等功能。同時(shí)，用戶還能通過該監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中電氣設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行的參數(shù)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障的電氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程原因分析和故障處理，對(duì)即將發(fā)生故障的電氣設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)處理來減少損失等，這些都對(duì)煤礦井下供電安全管理和提高企業(yè)安全生產(chǎn)效率方面起到了至關(guān)重要的作用。

建立電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)具體方案是對(duì)井下4個(gè)變電所的高壓開關(guān)和低壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置統(tǒng)一更換為帶有PLC 控制且設(shè)有RS485 接口的西瑞XRKJ-600 系列保護(hù)裝置，同時(shí)需要在每個(gè)變電所分別配置一臺(tái)西瑞KJ579-F 電力監(jiān)控分站，用于3 遙信息及防越級(jí)跳閘閉鎖信號(hào)交換、傳輸。各變電所現(xiàn)有電氣設(shè)備及保護(hù)裝置統(tǒng)計(jì)情況如表1所示：

表1 變電所現(xiàn)有電氣設(shè)備及保護(hù)裝置統(tǒng)計(jì)情況

井下變電所高低壓開關(guān)的綜合保護(hù)裝置通過以太網(wǎng)與隔爆電力分站連接，隔爆電力分站將三遙信息通過GOOSE 交換機(jī)經(jīng)過千兆光纖環(huán)網(wǎng)送至井上調(diào)度中心，各高低壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置同時(shí)直接通過GOOSE交換機(jī)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳至上一級(jí)保護(hù)裝置，如此便構(gòu)成了整個(gè)電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)如圖1 所示，電力監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示，電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視圖如圖3所示

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電力監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖3 電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視圖

（2）建立變電所環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

在井下變電所內(nèi)的瓦斯、溫度、煙霧以及CO 有害氣體等環(huán)境參數(shù)直接影響到變電所的安全運(yùn)行，另外人員因素也不容忽視，為此無人值守變電所要建立以下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

①建立溫度與煙霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦井下變電所內(nèi)由于電氣設(shè)備種類和數(shù)量較多，且多數(shù)電氣設(shè)備尤其是移動(dòng)變電站在正常運(yùn)行過程中都會(huì)散發(fā)出的大量的熱能對(duì)變電所內(nèi)其他電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，因此要對(duì)變電所內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證電氣設(shè)備處于正常的問題下運(yùn)行；其次，在變電所，當(dāng)電氣設(shè)備遇到潮濕、接觸不良等問題時(shí)，可能產(chǎn)生泄漏或火災(zāi)，產(chǎn)生大量煙塵等問題，針對(duì)這種情況，可以利用煙霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)變電所內(nèi)煙霧濃度，保證變電所的安全運(yùn)行。

②建立瓦斯及CO有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)變電所內(nèi)空氣中存在的瓦斯及CO 有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證瓦斯及CO 有害氣體濃度控制在安全范圍之內(nèi)，這樣這樣對(duì)變電所本身和在內(nèi)的作業(yè)人員的安全起到了充分保障；通過安裝相應(yīng)的傳感器能夠及時(shí)檢測(cè)出電氣設(shè)備周圍的瓦斯及CO有害氣體的濃度，如果瓦斯及CO有害氣體含量超標(biāo)，則需要進(jìn)行及時(shí)處理和解決，保證供電系統(tǒng)的安全性。相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)變量的監(jiān)視圖如圖4所示。

圖4 相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)變量的監(jiān)視圖

③建立門禁管理系統(tǒng)

門禁管理系統(tǒng)能有效防止人員誤入，誤操作電氣設(shè)備，有效地提高了井下無人值守變電所的安全性能，主要可實(shí)現(xiàn)本地開鎖、運(yùn)控開鎖、視頻通話、事件記錄等功能。

建立門禁管理系統(tǒng)需要在變電所出入口安裝行程開關(guān)、人員定位裝置和本安型紅外線熱釋傳感裝置，變電所有人員進(jìn)入時(shí)，它能通過門口的視頻采集裝置將門口的人員情況上傳到地面監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)還能將變電所的進(jìn)出人員的出入和離開時(shí)間和人員信息記錄下來并儲(chǔ)存，保障了無人值守變電所安全運(yùn)行。

④建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控等功能，將成為地面調(diào)度室監(jiān)控中心管理人員的“千里眼”，使得變電所內(nèi)重要的電氣設(shè)備、安防設(shè)備以及人員的狀態(tài)情況都處于實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)之下，從而提高無人值守變電所運(yùn)行和維護(hù)的安全性及可靠性。

圖5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是在變電所內(nèi)裝設(shè)高清攝像頭等監(jiān)控設(shè)施，監(jiān)控設(shè)施將采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)如光纖等傳到地面數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器將接收到編碼后的視頻數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重新編譯、管理和存儲(chǔ)，再報(bào)送到視頻監(jiān)視客戶端，如視頻監(jiān)視器或后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。

井下變電所通過建立環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，能夠有效地保證無人值守變電所的安全高效運(yùn)行，本次技術(shù)改造在建立環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)新增的設(shè)備明細(xì)如表2所示。

表2 建立環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)新增的設(shè)備明細(xì)

3 應(yīng)用效果

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司井下變電所無人值守改造項(xiàng)目于2019年6月開始施工，10月底正式完工。該項(xiàng)目于2019年11月起正式開始實(shí)施，目前已經(jīng)成功實(shí)施并應(yīng)用了1 年有余，在多方面都取得了良好的實(shí)施效果。

在獲得經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面，公司現(xiàn)有井下變電所和皮帶頭硐室配電點(diǎn)4 處，每個(gè)變電所或配電點(diǎn)每天安排2 人值班，4 組人員進(jìn)行輪崗，故共有固定值守人員32人，新的井下變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施后，變電所和配電點(diǎn)的流動(dòng)巡檢人員只需8人，節(jié)省了24人的人力資源成本，人均工資按6萬元每年計(jì)算，全年共計(jì)節(jié)約人力資源成本144萬元；此外，根據(jù)增加設(shè)備使用壽命方面、降低設(shè)備故障率和保障安全生產(chǎn)方面的效益計(jì)算，全年也為公司節(jié)約成本約90 萬元，因此該井下無人值守變電所的改造應(yīng)用后每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)234萬元。

在保障煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)方面，將日常監(jiān)控、巡查檢修和故障處理等工作進(jìn)一步細(xì)化，使作業(yè)人員能夠更加明確自己的工作任務(wù)和職責(zé)，保證整體工作的有序進(jìn)行；同時(shí)借助于監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控預(yù)警、狀態(tài)切換、指令控制、保護(hù)調(diào)整等功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的科學(xué)化管理、減少了設(shè)備的損耗，提高了井下電氣設(shè)備的使用壽命。全年井下供電系統(tǒng)故障率由原來的4%降低到了現(xiàn)在的1%，平均故障排查處理時(shí)間由原來的52分鐘縮短到了現(xiàn)在的40分鐘，全年安全無故障運(yùn)行天數(shù)達(dá)到了329天，大大提高了供電安全性和可靠性。

4 結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng)井下變電所建立基于以太網(wǎng)的電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下變電所向無人值守運(yùn)行模式的升級(jí)改造，從而大大減少了人力、物力資源的消耗，降低了煤礦井下供電系統(tǒng)的運(yùn)維成本；同時(shí)還有效降低了井下供電系統(tǒng)的故障率，縮短了故障處理的時(shí)間，提高了煤礦井下安全生產(chǎn)工作效率和管理水平。