煤礦變電站自動化控制系統的研究與應用

曹立悅

（山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司，山西晉中 045400）

1 概述

變電站是煤礦企業重要的供電設施，變電站及其設備的穩定運行是礦區安全生產的重要保障。但由于煤礦工作環境惡劣，變電站在實際使用中會由于設備老化、維護不及時、操作人員管理不當等原因而存在很多安全問題[1]。當變電站發生故障出現時，不僅會降低煤礦的生產效率，還會導致煤礦事故的發生。因此為了有效提高煤礦供電的穩定性，需要對煤礦變電站自動化系統進行提升和改進[2]。

麥捷煤礦針對企業井下環境和工作需求，對變電站自動化的控制系統進行了優化提升，并選取了適合本企業的設施設備，取得了良好的使用效果。

2 變電站自動化的重要性

2.1 配電站自動化的必要性

煤礦傳統的變電站對電氣設備的使用主要存在以下三點不足[3-4]：①電氣系統結構復雜、設備老化，通常不具備自我報錯、故障修復的功能，穩定性不足，安全問題較多；②常規設備獨立操控難以做到全礦井的覆蓋，監控數據分析不全面，實時監控系統落后，對煤礦變電站的工作效率和安全運行產生制約影響；③煤礦電氣系統設備繁多，并且容易受環境的影響，導致對系統運維工作量的增大，在缺乏統籌管理的情況下，很容易出現操作混亂的現象。

2.2 變電站自動化控制系統的組成

煤礦變電站的自動化系統主要由數控系統、調度設備、操控單元、現場總線等構成，主要組成單位又有不同的子組件，所有部分協同工作，從而完成對變電系統的自動化控制，其具體框架見圖1。

線纜方面：變電站工作線纜通常使用安全性較高的新型CAN總線集成，不僅可以實現不同結構的資源共享，還利于布線空間的釋放。由于其無需人工直接管理，可以一定程度上減少企業人力物力的投入。

顯示方面：調度裝置安設有全屏顯示設備，可以對機電系統跳閘、預警、運行情況進行集中的顯示與提示。操作系統便捷易掌握，操作人員可以通過標配的外界設備對系統進行控制。

保護系統方面：保護系統由保護、遙感等裝置組成，負責對系統運行狀態進行實時監控。不同裝置間獨立運行，可以從多維度系統進行防護，有效地提高了系統的穩定性。

煤礦配電站自動化系統的通信方面主要分為載波通信、電話線或者光纖通訊、現場總線和RS485、無線通訊系統等。根據實際情況，由于單一的通訊系統難以滿足煤礦使用，通常變電站采用的是電話線通訊和光纖通訊混合使用的方式。

2.3 綜合自動化系統總體方案設計

在對煤礦自動化系統進行方案設計時，應充分考慮到原有的一次設備與二次設備的優化與升級[5]。一次設備主要包括電壓電流互感器、隔離開關、斷路器以及變壓器等元件，變電站在進行自動化操控、數據傳遞時會通過電纜進行工作，需要考慮在此工況下費用的支出。

隨著自動化系統的成熟應用，可以在智能斷路器以及智能光電式的互感器中搭配專用的數字接口，對促進數字化信息的傳輸有一定幫助；針對二次設備，需要采用專配的安全裝置對自動化設備進行測控并加以保護。

變電站自動化系統的設計核心在于對監控數據的采集和開關的合理控制。遠程控制系統是本系統的核心大腦，為保證所設計的綜合自動化系統可以對現場信息進行及時采集與智能處理，需要加強并升級電氣設備的遠程操控功能。另外，當系統出現故障或存在隱患時，自動化變電系統需第一時間報警，對各部位開關合理閉合，同時配合后臺進行數據的記錄與保存。

3 麥捷礦的實際應用

山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司位于山西省壽陽縣，生產能力達到150×104t/a。近年，麥捷礦完成了35kV變電站升級改造的二期工程，并在2021年投入使用。

3.1 自動化系統技術條件

在對煤礦自動化系統進行升級時，設備周圍環境24h 內的平均溫度不可超過35°C，即使在極限溫度下，裝置也不可出現可逆的變化，待溫度恢復后，裝置應保證正常工作?？垢蓴_能力需滿足IEC-255-22-4 標準，絕緣強度符合Q/SD178-88規定標準。

3.2 變電站綜合自動化系統

麥捷礦變電站結構采用分層分布式綜合自動化系統，間隔層在橫向按站內一次設備分布式的配置。站內通訊采用網絡技術，各功能單元之間采用局域網，通訊管理機能夠與直流系統、站用系統、電度表、微機五防、后臺機等外部設備通訊，并留有兩個以上備用接口。整個系統具有自診斷和自恢復功能。

主站至少具備2路與地調端的通訊接口，接口方式各有兩種，即網絡方式和數字方式，可通過調度數據網與調度通訊，也可直接通過通訊設備與調度通訊。通訊速率1200～9600 波特，支持同步和異步方式。主通道采用IEC60870-5-104規約，備用通道采用DL451-91-CDT部頒規約。

變電站自動化操作系統及實時數據庫應滿足運行要求和應用軟件功能。數據顯示方面可以支持接線圖、曲線、棒圖、餅圖、表格等形式的直出，并對數據可以自動存儲，保留半年有效期。

3.3 變電站的容量校驗

在對煤礦變電站進行改造升級之前，需要對變電站容量，即電力負荷進行核算，根據公式（1）所示：

式中：S——所計算的電力負荷總的視在功率，kVA；

∑Pn——參加計算的所有用電設備額定功率之和（計算為1165kW），kW；

cosφ——該組設備的加權平均功率因數（取0.7）；

Kr——所需系數，計算公式見公式（2）：

式中：Kr——所需系數；

pS——最大電動機的功率，kW。

以麥捷礦150506 綜采工作面1#移動變電站為例，計算需用系數Kr:Kr=0.4+0.6×(500/1165)=0.78；將Kr=0.78，cosφ=0.70，∑Pn=1165，代 入 公 式 得S=983.85kVA。

根據計算結果選擇一臺KBSGZY-1600移動變電站，負荷率為81%，滿足要求。

3.4 高壓防爆開關的選擇驗算

在對煤礦變電站進行升級時，除了需要對變電站電力負荷進行校驗，還需要對干線電纜的電流進行計算，根據公式（3）計算：

式中：In——干線電纜的長期工作電流；

Ue——電網額定電壓，10kV。

同樣以麥捷礦150506綜采工作面1#移動變電站為例，對此變電站的高壓防爆開關為例進行驗算：∑S=1298.01+755.92+44.40=2098.33（kVA）；代入公式（3）得：In=121.15A。

因此，對變電站防爆開關的選型如表1所示。

表1 高壓防爆開關選型

4 煤礦變電站自動化技術的發展方向及建議

隨著智慧礦山建設速度的加快，科技的發展為礦山機電的智能設備以及數字化技術帶來了顯著的提升。而在未來礦山電氣設備的發展中，開關智能閉合、電子式互感器和數字化操控將成為發展的重點領域。

開關智能閉合方面，國外方面已取得一定進展，日本企業和瑞士企業相繼研究推出了MITS 系統和PASS組合開關電器，在礦山機電的應用取得了一定效果。我國在此方面的研究尚處于起步階段，江蘇某企業自主研發設計了數字化互感器已經在礦山領域投入使用目前仍處于逐步完善之中。電子式互感器方面，具有重量輕便、絕緣簡單、CT 動態范圍寬、PT無諧振現象、無磁飽和、重量輕及CT 二次輸入等多種優勢。可以有效快速地對調合閘傳遞信號并實施命令。由于光纜被取代，原變電站內連接一次設備及裝置的空間進一步釋放。

數字化操控為實現高速的無縫通信連接，普遍采用IEC61850的通信協議，該協議將有利于實現全站裝置間的聯閉鎖邏輯，系統具有安全性高、效率快等優勢，最高傳輸速度可達100Mbps。

5 結語

綜上所述，本文通過對現代化煤礦變電站自動化控制系統重要性的介紹，根據麥捷礦的實際條件，成功對變電站系統的設備進行了配套升級。隨著自動化變電站技術的不斷發展與改進，其在我國煤礦企業的應用前景將十分廣泛。