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)市場競爭愈發(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)是否能夠長遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵，目前自動化技術(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，自動化減人”目標(biāo)，提高企業(yè)經(jīng)營效益。

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、多級變電所級聯(lián)等情況，且同一電壓等級從地面到井下有較多級，兩級之間線路短使傳統(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)不具備失壓延時功能，在供電系統(tǒng)出現(xiàn)短暫性失壓的情況下會造成隔爆高壓開關(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、漏電誤動拒動、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)行自動化控制改造，對整個井下供電系統(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、分級多的特點(diǎn)，電力作業(yè)對保護(hù)的延時要求較高，導(dǎo)致保護(hù)整定不能準(zhǔn)確的切除故障，線路越級跳閘的情況經(jīng)常發(fā)生。排查故障時間長，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)的自動化多應(yīng)用于生產(chǎn)調(diào)度平臺，由于專業(yè)化要求高，使得一般的生產(chǎn)調(diào)度平臺僅僅使用遙測、遙信等監(jiān)測功能，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）對于影響煤礦運(yùn)行的越級跳閘問題，部分煤礦采用優(yōu)化一次系統(tǒng)架構(gòu)的方式來削弱越級跳閘對礦井供電的影響，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，對高壓配電裝置進(jìn)行升級改造，安裝斷路器隔離本體小車自動推進(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)部視頻信號傳輸?shù)降孛骐娏ΡO(jiān)控中心，做到操作可視化。同時，電動隔離系統(tǒng)的控制部分與每臺配電裝置的保護(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)形成一個整體，通過智能拓?fù)浞治龊妥詣又⒉僮鞯幕ヂ?lián)閉鎖、設(shè)備自檢測、定值的合理性校驗(yàn)、參數(shù)的自動化配置、智能綜合預(yù)警等高級智能化功能，監(jiān)測供電系統(tǒng)狀態(tài)，自動協(xié)調(diào)工作，及時處理系統(tǒng)產(chǎn)生的各種問題。

(3)可視化

無人化智能供電系統(tǒng)提高了對礦井所有供電設(shè)備和系統(tǒng)的監(jiān)測，形成監(jiān)測網(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)時監(jiān)控監(jiān)測和可視化，同時通過網(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?？梢暬饕憩F(xiàn)在：①系統(tǒng)運(yùn)行情況的可視化。在已有的監(jiān)測電壓、電流、功率以及開關(guān)位置上增加電動小車遙控、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)時監(jiān)測系統(tǒng)異常情況，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時可及時掌握系統(tǒng)情況；②一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的可視化。主要包括分合閘動作時間、累積分?jǐn)嗳萘康?，建立運(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，可將發(fā)生故障的時間、類型、故障值、錄波波形等實(shí)時記錄，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性的及時解除故障；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)短路故障的防越級和系統(tǒng)操作防越級，避免無故跳閘、越級跳閘的嚴(yán)重事故發(fā)生。通訊異常時，系統(tǒng)具有自動拓?fù)渥R別功能，能通過系統(tǒng)自身判斷供電運(yùn)行方式，自動識別各間隔的保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的防越級系統(tǒng)，確保防越級功能的有效性。

(5)精確定位

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

(6)失壓延時保護(hù)

智能供電系統(tǒng)通過開關(guān)失壓延時保護(hù)，可以避免因電網(wǎng)波動導(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)了地面對井下變電所“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”的功能。通過通訊信號傳輸，地面電力系統(tǒng)監(jiān)控室值班人員即可實(shí)時監(jiān)測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，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)社會效益。