遠程智能I/O模塊在井下無人值守變電所的應用

徐 凱

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

李家塔煤礦是由司法部和內(nèi)蒙古自治區(qū)政府聯(lián)營建設的大型國有重點煤礦，煤礦隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)監(jiān)獄管理局。2015年產(chǎn)能升級后，核定生產(chǎn)能力為3.00 Mt/a。為提升礦井的自動化、智能化水平，于2018年底對井下中央變電所進行了無人值守系統(tǒng)改造，對井下供電系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn)在地面集控室內(nèi)對井下高壓配電柜高壓開電流、電壓等電量參數(shù)進行監(jiān)測，對高壓開關遠程進行分、合閘操作，以及對高壓柜微機綜合保護裝置進行故障復位、參數(shù)整定等；對低壓配電柜實現(xiàn)斷路器分、合狀態(tài)監(jiān)視、回路電流信號監(jiān)測、母線電壓監(jiān)測以及斷路器分、合閘遠程操作等功能，井下中央變電所實現(xiàn)“無人值守、有人巡視”的工作模式。

李家塔煤礦井下中央變電所位于井底車場，變電所內(nèi)高、低壓配電柜均選用礦用一般型。高壓配電柜內(nèi)配有微機綜合保護裝置，具有遠方操控功能，僅需要增加電力分站解決通信問題，容易改造實現(xiàn)。無人值守系統(tǒng)涉及的視頻監(jiān)控信號，在礦井視頻改造工程中已在井下中央變電所設置了4臺高清視頻攝像機，視頻信號通過井下光纖環(huán)網(wǎng)傳輸至地面集控室。文中主要討論低壓配電系統(tǒng)的無人值守改造方案。

1 系統(tǒng)分析

井下中央變電所低壓配電柜采用礦用一般型，使用年限較長，原設計低壓配電回路僅配有指針式電流表、電壓表，不具有信號上傳功能，且不能采集配電柜內(nèi)斷路器分合閘狀態(tài)信號，不能實現(xiàn)遠控的分、合閘操作。為實現(xiàn)低壓系統(tǒng)的無人值守改造需為斷路器增加電動操作機構，同時需增加具有以下功能的智能設備：①具有通信功能，能將采集到的信息進行上傳，將集控室上位機命令進行下傳；②具有模擬量采集功能，能夠采集低壓柜內(nèi)電壓或電流信號；③具有數(shù)字量輸入功能，能夠對配電柜內(nèi)斷路器、接觸器等主回路元器件分、合狀態(tài)進行采集；④具有數(shù)字量輸出功能，能夠對配電柜內(nèi)斷路器、接觸器等主回路元器件分、合閘控制。

根據(jù)系統(tǒng)分析結果對比目前市場上存在的井下配電智能化產(chǎn)品可采用多功能智能儀表、遠程智能I/O模塊等。在本改造項目中，在井下對低壓配電柜進行柜面開孔操作難度較大，多功能智能儀表的多功能顯示等功能無法發(fā)揮作用，且造價較高；遠程智能I/O模塊，設計簡潔、精巧、可靠，輸入、輸出及通信功能均可滿足項目需求，且造價較低。所以本次改造選擇在低壓配電柜內(nèi)增加遠程智能I/O模塊對斷路器分、合閘狀態(tài)及配電回路電流信號進行監(jiān)測，對斷路器分、合閘操作進行控制。僅在低壓進線柜內(nèi)設多功能智能儀表對系統(tǒng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)等系統(tǒng)電量參數(shù)進行測量。

2 方案設計

2.1 電動操作機構

井下中央變電所低壓配電柜內(nèi)安裝斷路器為常熟開關廠CM1型塑殼斷路器，為實現(xiàn)遠程分、合閘操作，按照現(xiàn)有斷路器規(guī)格配套FDC1系列電動操作機構，電動操作機構電源采用127 V，引自井下中央變電所低壓配電柜內(nèi)控制變壓器，分、合閘控制接點信號由遠程智能I/O模塊提供。

2.2 遠程智能I/O模塊

遠程智能I/O模塊選擇常熟開關廠CI1-SCM423型，具有4路數(shù)字量輸入，2路數(shù)字量輸出，可采集3路單相電流，同時通過標準的RS485接口、ModBus-RTU協(xié)議可實現(xiàn)系統(tǒng)的遙信、遙控及遙測功能。能遠程監(jiān)測回路電流、斷路器合分閘狀態(tài)、故障狀態(tài)等重要信息。CI1-SCM423具有3路0～5 A工頻電流輸入，用戶可外接5～10 000 A輸入/5 A輸出的一次側電流互感器，以適應不同的配電系統(tǒng)。不同的一次側輸入電流，可通過修改模塊的CT變比值來適應。每路電流輸入有一個對應的指示燈，當電流超出設置的電流報警閾值進行報警；CI1系列的數(shù)字輸入均采用無源干接點輸入方式，無需外部電源。數(shù)字輸出均有自保持/脈沖兩種輸出方式，自保持方式下，模塊接收命令使繼電器輸出為ON或OFF，在沒有新的命令來之前，一直保持此狀態(tài)。脈沖方式下，模塊接收ON命令使繼電器輸出為ON，經(jīng)過一段時間后，自行釋放為OFF。

遠程智能I/O模塊與電動操作機構接線，如圖1所示。遠程智能I/O模塊通過電流互感器(CT)采集配電回路的A、C兩相電流；通過數(shù)字量輸入接口采集斷路器(QF)分、合閘狀態(tài)，當有其他需采集的數(shù)字量信號時可順序接入DI2、DI3、DI4通道，最多可采集4臺設備的狀態(tài)信號。通過數(shù)字量輸出接口發(fā)出分、合閘指令，指示電動操作機構動作，實現(xiàn)配電回路的遠程操作。

CI1-SCM423-遠程智能I/O模塊；FDC1/CM3-電動操作機構；CT-電流互感器；QF-斷路器輔助觸點

2.3 系統(tǒng)組網(wǎng)

井下中央變電所本次新增1臺KJ736-F礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站，通過RS485總線連接高壓配電柜內(nèi)微機綜合保護裝置、低壓系統(tǒng)內(nèi)多功能智能儀表及遠程智能I/O模塊等。李家塔煤礦目前已建成井下光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，井下主變電所設有環(huán)網(wǎng)交換機，采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過井下光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳至地面集控室。系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組網(wǎng)示意

井下監(jiān)控部分主要由KJ736-F礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站一方面通過RS485、CAN、以太網(wǎng)等總線連接底層設備，另一方面通過以太環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度中心，通過采集服務器進行存儲、轉發(fā)。監(jiān)控主機通過環(huán)網(wǎng)與服務器之間信息的中轉、存貯、處理；完成數(shù)據(jù)打包、通信協(xié)議轉換、信息本地顯示、系統(tǒng)本地監(jiān)控和整定工作。主機、分站、保護器三級設備獨立工作，上級設備和通訊線路的損壞不影響下層設備的運行。主機采用Windows XP操作平臺，分站采用Linux操作系統(tǒng)，不同內(nèi)核的操作系統(tǒng)使來自網(wǎng)絡的計算機病毒不能侵入通訊分站及其下層設備，保證井下供電系統(tǒng)的安全。

3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)運行模式

在地面集控室設2臺工控機作為監(jiān)控系統(tǒng)主站，系統(tǒng)主站通過礦井井下光纖環(huán)網(wǎng)可收集井下電力監(jiān)控分站上行傳輸?shù)木轮醒胱冸娝到y(tǒng)運行電量參數(shù)，并在監(jiān)控軟件上實時顯示。同時可進行下行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)出斷路器的分、合閘指令，實現(xiàn)在地面集控室對井下配電系統(tǒng)進行遠程操作。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)界面

系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖3所示，該窗口監(jiān)控系統(tǒng)的設備運行狀況，圖中以開關設備的顏色代表設備不同狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

監(jiān)控系統(tǒng)軟件可對采集的數(shù)據(jù)進行存儲和處理，以各種報表及圖畫的形式進行直觀的顯示，可查看該設備的實時數(shù)據(jù)，設備狀態(tài)、實時曲線，以及可對該設備進行遙控操作，定值設置，投退設置；并可對電量參數(shù)進行按時間、按類型、按系統(tǒng)等不同的需求進行分類，形成曲線圖等，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行量化的分析與顯示。

4 結語

李家塔煤礦井下中央變電所無人值守系統(tǒng)投入使用后，可在地面集控室對井下中央變電所運行信息進行實時的監(jiān)控，供電系統(tǒng)運行管理人員對系統(tǒng)有更全面的了解，可根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時的安排維護工作，極大地提高了供電系統(tǒng)運行的可靠性。變電所運行信息的采集和上傳后可在地面服務器內(nèi)進行存儲、調(diào)用，為后期礦井信息化、智能化的進一步建設提供了基礎數(shù)據(jù)。無人值守系統(tǒng)改變了井下中央變電所的工作模式，從有人值守改為無人值守，有人巡視，降低了井下工人勞動強度，減少了井下值班人員數(shù)量，在減員增效方面效果明顯，特別適用于對井下變電所老舊系統(tǒng)的改造，提升供電系統(tǒng)的智能化水平。