煤礦變電站自動化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

曹立悅

（山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西晉中 045400）

1 概述

變電站是煤礦企業(yè)重要的供電設(shè)施，變電站及其設(shè)備的穩(wěn)定運行是礦區(qū)安全生產(chǎn)的重要保障。但由于煤礦工作環(huán)境惡劣，變電站在實際使用中會由于設(shè)備老化、維護(hù)不及時、操作人員管理不當(dāng)?shù)仍蚨嬖诤芏喟踩珕栴}[1]。當(dāng)變電站發(fā)生故障出現(xiàn)時，不僅會降低煤礦的生產(chǎn)效率，還會導(dǎo)致煤礦事故的發(fā)生。因此為了有效提高煤礦供電的穩(wěn)定性，需要對煤礦變電站自動化系統(tǒng)進(jìn)行提升和改進(jìn)[2]。

麥捷煤礦針對企業(yè)井下環(huán)境和工作需求，對變電站自動化的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化提升，并選取了適合本企業(yè)的設(shè)施設(shè)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(tǒng)的變電站對電氣設(shè)備的使用主要存在以下三點不足[3-4]：①電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備老化，通常不具備自我報錯、故障修復(fù)的功能，穩(wěn)定性不足，安全問題較多；②常規(guī)設(shè)備獨立操控難以做到全礦井的覆蓋，監(jiān)控數(shù)據(jù)分析不全面，實時監(jiān)控系統(tǒng)落后，對煤礦變電站的工作效率和安全運行產(chǎn)生制約影響；③煤礦電氣系統(tǒng)設(shè)備繁多，并且容易受環(huán)境的影響，導(dǎo)致對系統(tǒng)運維工作量的增大，在缺乏統(tǒng)籌管理的情況下，很容易出現(xiàn)操作混亂的現(xiàn)象。

2.2 變電站自動化控制系統(tǒng)的組成

煤礦變電站的自動化系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、調(diào)度設(shè)備、操控單元、現(xiàn)場總線等構(gòu)成，主要組成單位又有不同的子組件，所有部分協(xié)同工作，從而完成對變電系統(tǒng)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(xiàn)不同結(jié)構(gòu)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(yè)人力物力的投入。

顯示方面：調(diào)度裝置安設(shè)有全屏顯示設(shè)備，可以對機電系統(tǒng)跳閘、預(yù)警、運行情況進(jìn)行集中的顯示與提示。操作系統(tǒng)便捷易掌握，操作人員可以通過標(biāo)配的外界設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

保護(hù)系統(tǒng)方面：保護(hù)系統(tǒng)由保護(hù)、遙感等裝置組成，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。不同裝置間獨立運行，可以從多維度系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

煤礦配電站自動化系統(tǒng)的通信方面主要分為載波通信、電話線或者光纖通訊、現(xiàn)場總線和RS485、無線通訊系統(tǒng)等。根據(jù)實際情況，由于單一的通訊系統(tǒng)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(tǒng)總體方案設(shè)計

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

隨著自動化系統(tǒng)的成熟應(yīng)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(shù)字接口，對促進(jìn)數(shù)字化信息的傳輸有一定幫助；針對二次設(shè)備，需要采用專配的安全裝置對自動化設(shè)備進(jìn)行測控并加以保護(hù)。

變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計核心在于對監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和開關(guān)的合理控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心大腦，為保證所設(shè)計的綜合自動化系統(tǒng)可以對現(xiàn)場信息進(jìn)行及時采集與智能處理，需要加強并升級電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程操控功能。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或存在隱患時，自動化變電系統(tǒng)需第一時間報警，對各部位開關(guān)合理閉合，同時配合后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄與保存。

3 麥捷礦的實際應(yīng)用

山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司位于山西省壽陽縣，生產(chǎn)能力達(dá)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(tǒng)技術(shù)條件

在對煤礦自動化系統(tǒng)進(jìn)行升級時，設(shè)備周圍環(huán)境24h 內(nèi)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(xiàn)可逆的變化，待溫度恢復(fù)后，裝置應(yīng)保證正常工作?？垢蓴_能力需滿足IEC-255-22-4 標(biāo)準(zhǔn)，絕緣強度符合Q/SD178-88規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 變電站綜合自動化系統(tǒng)

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

主站至少具備2路與地調(diào)端的通訊接口，接口方式各有兩種，即網(wǎng)絡(luò)方式和數(shù)字方式，可通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與調(diào)度通訊，也可直接通過通訊設(shè)備與調(diào)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(guī)約，備用通道采用DL451-91-CDT部頒規(guī)約。

變電站自動化操作系統(tǒng)及實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)滿足運行要求和應(yīng)用軟件功能。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jìn)行改造升級之前，需要對變電站容量，即電力負(fù)荷進(jìn)行核算，根據(jù)公式（1）所示：

式中：S——所計算的電力負(fù)荷總的視在功率，kVA；

∑Pn——參加計算的所有用電設(shè)備額定功率之和（計算為1165kW），kW；

cosφ——該組設(shè)備的加權(quán)平均功率因數(shù)（取0.7）；

Kr——所需系數(shù)，計算公式見公式（2）：

式中：Kr——所需系數(shù)；

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(shù)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(jù)計算結(jié)果選擇一臺KBSGZY-1600移動變電站，負(fù)荷率為81%，滿足要求。

3.4 高壓防爆開關(guān)的選擇驗算

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

式中：In——干線電纜的長期工作電流；

Ue——電網(wǎng)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(guān)為例進(jìn)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(guān)的選型如表1所示。

表1 高壓防爆開關(guān)選型

4 煤礦變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向及建議

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

開關(guān)智能閉合方面，國外方面已取得一定進(jìn)展，日本企業(yè)和瑞士企業(yè)相繼研究推出了MITS 系統(tǒng)和PASS組合開關(guān)電器，在礦山機電的應(yīng)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(yè)自主研發(fā)設(shè)計了數(shù)字化互感器已經(jīng)在礦山領(lǐng)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(tài)范圍寬、PT無諧振現(xiàn)象、無磁飽和、重量輕及CT 二次輸入等多種優(yōu)勢。可以有效快速地對調(diào)合閘傳遞信號并實施命令。由于光纜被取代，原變電站內(nèi)連接一次設(shè)備及裝置的空間進(jìn)一步釋放。

數(shù)字化操控為實現(xiàn)高速的無縫通信連接，普遍采用IEC61850的通信協(xié)議，該協(xié)議將有利于實現(xiàn)全站裝置間的聯(lián)閉鎖邏輯，系統(tǒng)具有安全性高、效率快等優(yōu)勢，最高傳輸速度可達(dá)100Mbps。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過對現(xiàn)代化煤礦變電站自動化控制系統(tǒng)重要性的介紹，根據(jù)麥捷礦的實際條件，成功對變電站系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行了配套升級。隨著自動化變電站技術(shù)的不斷發(fā)展與改進(jìn)，其在我國煤礦企業(yè)的應(yīng)用前景將十分廣泛。