洗選煤廠供配電管控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

■ 中煤電氣有限公司 徐華云

0 前言

隨著煤炭行業(yè)選煤工藝的不斷進(jìn)步、洗選煤設(shè)備向大型化發(fā)展，對(duì)其供配電智能控制水平的需求也在日益提升。

以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和圖形界面技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的供配電，為洗選設(shè)備供配電管控一體化系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

本文就洗選煤廠供配電管控一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)，以期為促進(jìn)相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步提供參考。

1 概述

所謂洗選煤廠供配電系統(tǒng)管控一體化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）指的是將電氣、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)整合為一體，用其對(duì)洗選煤廠內(nèi)各種類型的供配電設(shè)備進(jìn)行可靠的管理和控制。

系統(tǒng)采用開放的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，建立起一個(gè)先進(jìn)、可靠、高效、安全且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的、集過程控制與監(jiān)視和計(jì)算機(jī)調(diào)度管理于一體，并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，以完成對(duì)整個(gè)供配電過程的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。它可以滿足“四遙”功能，實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，總站少人值班”的目標(biāo)。它的主要作用是:

1）作為電網(wǎng)的總開關(guān)、分開關(guān)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)供配電運(yùn)行狀態(tài)及控制開關(guān)設(shè)備開閉。

2）實(shí)時(shí)檢測(cè)用電回路可能出現(xiàn)的漏電、短路、欠壓、過壓、斷相和三相不平衡等故障。在故障發(fā)生時(shí)，能即時(shí)記錄故障狀態(tài)并切斷電路，保護(hù)人或設(shè)備。

3）系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)顯示故障位置并報(bào)警。

4）提供完整的供配電管理功能，包括事件管理、告警管理、趨勢(shì)曲線圖、數(shù)據(jù)存檔與歷史數(shù)據(jù)管理、操作員管理、報(bào)表與打印等。

2 系統(tǒng)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外供配電管控一體化系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)非常普遍，主要有德國(guó)西門子公司的Sivacon 配電系統(tǒng)、法國(guó)施耐德公司的DIGIPACT 電氣設(shè)備管理系統(tǒng)、ABB 公司的INSUM 系統(tǒng)等。高低壓成套開關(guān)設(shè)備的技術(shù)水平也比較高，發(fā)展較快。但低壓成套開關(guān)設(shè)備的電壓等級(jí)以380V為主，很少采用660V電壓等級(jí)，如ABB公司的MNS低壓開關(guān)設(shè)備，Schneider公司的Prisma、Biokset低壓開關(guān)設(shè)備等。

在國(guó)內(nèi)，供配電后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品也較為普遍，但還達(dá)不到供配電管控一體化的技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)許多用戶尤其是重要用戶，高低壓斷路器、控制模塊等主要元?dú)饧恢笔遣捎眠M(jìn)口產(chǎn)品。雖然與幾十年前相比，近年來國(guó)產(chǎn)的成套開關(guān)設(shè)備在性能和可靠性上都有了很大進(jìn)步，但仍然存在一些問題。主要體現(xiàn)在，產(chǎn)品的保護(hù)功能普遍不全面，且雖然實(shí)現(xiàn)了使用單片機(jī)等微控制器的控制，但由于這些控制器本身抗干擾能力差，在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行很容易造成保護(hù)功能的誤動(dòng)作或器件本身的損壞。

3 技術(shù)路線與設(shè)計(jì)內(nèi)容

總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是使系統(tǒng)發(fā)揮PLC可靠性好、抗干擾性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就地手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制三種控制方式，建立一套先進(jìn)、可靠、高效、安全、集過程控制、監(jiān)視和計(jì)算機(jī)調(diào)度管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對(duì)整個(gè)工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，提高配電站的自動(dòng)化水平，滿足了“四遙”功能，實(shí)現(xiàn)了“現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，總站少人值班”的目標(biāo)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要達(dá)到安全可靠、反應(yīng)速度快、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等整體要求。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)在配電單元、控制核心和監(jiān)控平臺(tái)三個(gè)方面展開。

配電單元按照數(shù)字化要求設(shè)計(jì)，在完成并達(dá)到傳統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息傳輸功能，即將配電的各種元件進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，滿足數(shù)據(jù)采集的需求。

控制核心采用PLC控制器，并根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)專用的模塊。即電力參數(shù)采集模塊和CPU數(shù)據(jù)傳輸模塊?？刂坪诵耐瓿晒┡潆娫O(shè)備的監(jiān)控功能和保護(hù)功能。

監(jiān)控平臺(tái)為一軟件，按照系統(tǒng)的要求，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。監(jiān)控軟件平臺(tái)要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

對(duì)供配電系統(tǒng)來說，安全性和可靠性是第一位的。采用PLC可編程序控制器和電力參數(shù)采集模塊構(gòu)成的數(shù)字化供配電設(shè)計(jì)方案能體現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)，更安全，也更方便操作和管理的目標(biāo)。

在整體設(shè)計(jì)上，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：

1）將一次電路和二次電路分開，減少?gòu)?qiáng)電對(duì)弱電的干擾，提高電磁兼容（EMC）性能；

2）實(shí)現(xiàn)多種開關(guān)之間的互鎖，形成邏輯合理的電氣關(guān)系；

3）使電氣參數(shù)的設(shè)置更加方便快捷，可以完全可以由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)；

4）將系統(tǒng)中的PLC通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控及信息收集、處理查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、曲線打印、報(bào)表等功能；

5）實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理；

6）人機(jī)界面友好，方便操作。

4 系統(tǒng)的組成與功能

系統(tǒng)由660 V電壓等級(jí)中煤電氣-SDK低壓成套開關(guān)設(shè)備、基于LM3317和LM3108K的 PLC控制器、電力SCADA監(jiān)控平臺(tái)三部分組成。

660V電壓等級(jí)中煤電氣-SDK低壓成套開關(guān)設(shè)備采用KF（KB）型材，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，防護(hù)等級(jí)最高可以達(dá)到IP54。抽出式功能單元在三個(gè)位置（連接、試驗(yàn)、抽出）時(shí)均可不降低防護(hù)等級(jí)。水平母線夾采用增強(qiáng)玻璃纖維聚脂(PBT)材料制成，母線排列緊密，降低溫升的效果明顯。

基于LM3317和LM3108K的 PLC控制器可進(jìn)行供配電數(shù)據(jù)分析和儲(chǔ)存，可以實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的自動(dòng)控制與保護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，PLC控制器具有保護(hù)功能CPU模塊LM3108K和電力參數(shù)采集模塊LM3317。LM3108K模塊具有過壓、欠壓、過載、短路、漏電、三相不平衡保護(hù)等功能，同時(shí)具有漏電、過載和短路試驗(yàn)功能。LM3317電力參數(shù)采集模塊具有三相交流電的電參數(shù)采集功能，電參數(shù)包括：相電壓，相電流，功率因數(shù)，各相有功功率，總無(wú)功功率，總有功電能等。PLC控制器有很強(qiáng)通訊擴(kuò)展能力，可采用PLC標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化要求。

電力SCADA監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、人機(jī)界面監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實(shí)時(shí)監(jiān)視、記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等功能，能通過PLC控制器對(duì)供配電中的電器元件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能，并提供完整的供配電管理功能，包括事件管理、告警管理、趨勢(shì)曲線圖、數(shù)據(jù)存檔與歷史數(shù)據(jù)管理、操作員管理、報(bào)表與打印等。

5 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1）660 V電壓等級(jí)中煤電氣-SDK低壓成套開關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)

額定工作電壓: Ue=660 V，額定絕緣電壓: Ui=1000 V，電氣間隙：≥14 mm，爬電距離：≥16 mm；

主母線（水平母線）的額定電流、額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流：3200 A、65 kA/1s、143 kA；

配電母線（垂直母線）的額定電流、額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流：1350 A、40 kA/1s、84 kA ；

主開關(guān)的分?jǐn)嗄芰Γ?5 kA，外殼防護(hù)等級(jí)：IP40～I(xiàn)P54。

2）電力參數(shù)采集模塊LM3317的主要技術(shù)指標(biāo)

電流測(cè)量范圍：0～8 A(有效值)，線性測(cè)量范圍：0.1 A～6 A，采集精度：誤差小于0.02 A，分辨率：不低于0.01 A(線性范圍內(nèi))，電壓測(cè)量范圍：0～7.5 V(有效值)，線性測(cè)量范圍：0～5 V(有效值)，采集精度：誤差小于0.02 V(線性范圍內(nèi))，分辨率：不低于0.01 V，過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間：<20 ms，最大開關(guān)電流：2 A。

3）CPU保護(hù)模塊LM3108K的主要技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓：24VDC，交流信號(hào)輸入：9，三相電壓:0～14VAC,精度2%，三相電流： 0～14VAC,精度2%，零序電壓：0～40VAC,精度2%，零序電流： 0～290uA AC,精度2%，DI通道數(shù)：10，D0通道數(shù)：8，標(biāo)準(zhǔn)AI通道數(shù)：3，0～10VDC電壓信號(hào)輸出，精度2%，標(biāo)準(zhǔn)AO通道數(shù)：1，0～10VDC，電壓信號(hào)輸出，精度2%。

4）電力SCADA監(jiān)控平臺(tái)的主要功能

監(jiān)控平臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和報(bào)表模塊組成。具有動(dòng)態(tài)可視化控制、數(shù)據(jù)的采集和管理、過程監(jiān)控報(bào)警、報(bào)表功能、基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的上傳和相應(yīng)控制的功能。系統(tǒng)中PLC通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。

6 系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：

1）減員增效。系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了洗選煤廠供配電的自動(dòng)化監(jiān)控，減少了系統(tǒng)管理人員，提高了管理的效率和水平。

2）電能管理水平明顯提高。系統(tǒng)能夠記錄日、周、月、年負(fù)荷，精確計(jì)算各科室各班組電力消耗（電費(fèi)）與用電需量?？筛鶕?jù)用電指標(biāo)的考核實(shí)現(xiàn)優(yōu)化負(fù)荷分配，以達(dá)到降低能耗的目的。

3）提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)可協(xié)助合理安排檢修計(jì)劃，降低成本；對(duì)隱患提前預(yù)警，防止事故發(fā)生，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行；出現(xiàn)故障后，保護(hù)及時(shí)動(dòng)作，同時(shí)給出故障報(bào)警并記錄故障性質(zhì)。

4）提高了工作效率。免除日常抄表工作和報(bào)表計(jì)算；減小維護(hù)人員工作量及勞動(dòng)強(qiáng)度；各種資料、數(shù)據(jù)、報(bào)表實(shí)現(xiàn)電子信息化。

5）提高了調(diào)度水平。實(shí)現(xiàn)各電力參數(shù)，狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程整定各種保護(hù)參數(shù)。

6）節(jié)能效果顯著。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了洗選煤廠供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化，對(duì)各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集中控制、管理、故障診斷、程序控制、科學(xué)調(diào)度，充分提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，避免設(shè)備的無(wú)效運(yùn)轉(zhuǎn)，降低電力損耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能節(jié)電。

提高安全經(jīng)濟(jì)效益水平。安全經(jīng)濟(jì)效益是指通過安全投資實(shí)現(xiàn)的安全條件，在生產(chǎn)和生活過程中保障技術(shù)、環(huán)境及人員的能力和功能，并提高其潛能，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的利益。安全的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)為間接經(jīng)濟(jì)效益，它更多的是預(yù)防，改善了工人的工作條件。系統(tǒng)的實(shí)施不僅帶來生產(chǎn)效率的提高，同時(shí)還帶來生產(chǎn)安全水平的大幅提升。

目前，系統(tǒng)已經(jīng)在唐山某礦洗選煤廠工程項(xiàng)目得到應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶反應(yīng)良好。