姚橋選煤廠智能供配電系統(tǒng)的優(yōu)化改造

陶文龍

(上海大屯能源股份有限公司，江蘇 徐州 200120)

1 概 述

2020年2月，國家八部委《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確提出，到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，作為煤炭行業(yè)重要組成部分的選煤廠，也是當(dāng)前煤炭行業(yè)智能化建設(shè)浪潮中的重點(diǎn)。2021年12月，國家能源局印發(fā)《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法(試行)》[1-4]，對照其中智能化配電室的評分要求，姚橋選煤廠計(jì)劃實(shí)施智能供配電系統(tǒng)改造。

2 供配電系統(tǒng)存在問題

姚橋選煤廠現(xiàn)有原煤準(zhǔn)備車間和主洗車間2個(gè)配電室，設(shè)備均比較陳舊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘比較困難；且配電室內(nèi)未設(shè)置環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)，不滿足智能化的評分要求；選煤廠的停電制度還依靠原始的紙質(zhì)單據(jù)填寫辦公，且需要人力遞交多張紙質(zhì)單據(jù)，工作效率低；另一方面，現(xiàn)場噪聲大，采用對講機(jī)溝通消息精準(zhǔn)性差，需反復(fù)確認(rèn)。對于復(fù)雜情況，例如多臺(tái)設(shè)備同時(shí)檢修停電或多個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備停電、試車送電等工作，無法得到準(zhǔn)確及時(shí)高效地監(jiān)控。亟需對現(xiàn)有配電室進(jìn)行升級改造，以滿足當(dāng)前的國家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場管理需求。

3 智能供配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能供配電系統(tǒng)主要采用了智能低壓柜，柜內(nèi)配置了一二次融合的物聯(lián)網(wǎng)智能斷路器及智能傳感器，并協(xié)同配電室環(huán)境綜合監(jiān)測模塊、邊緣計(jì)算智能網(wǎng)關(guān)，從而整合為一套完整的智能配電系統(tǒng)[5-8]。智能供配電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 智能供配電系統(tǒng)框

本次改造選取其中的原煤準(zhǔn)備車間配電室作為試點(diǎn)，項(xiàng)目分兩期實(shí)施：一期實(shí)現(xiàn)停送電審批電子化、監(jiān)測配電室環(huán)境；二期更換智能低壓柜，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘。

3.1 智能低壓配電柜

本次改造計(jì)劃將原煤準(zhǔn)備車間配電室內(nèi)的低壓柜全部更換成智能低壓配電柜(圖2)。智能配電柜使用一、二次融合的物聯(lián)網(wǎng)智能斷路器為核心部件，通過物聯(lián)網(wǎng)通信方式，實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)在云端的統(tǒng)一管理和監(jiān)控?？蓪?shí)現(xiàn)低壓開關(guān)柜的實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)監(jiān)控、用電安全數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障預(yù)警、故障保護(hù)、故障自檢和遠(yuǎn)程運(yùn)維等功能。

圖2 普通低壓柜抽屜與智能低壓柜抽屜區(qū)別

智能柜設(shè)計(jì)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)加密技術(shù)、云計(jì)算、霧計(jì)算算法，將各種電氣參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備監(jiān)控、視頻監(jiān)控等信息，整合到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)如下3項(xiàng)功能。

(1)自動(dòng)故障研判：系統(tǒng)通過采集到的各項(xiàng)傳感器參數(shù)，將模擬信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息并通過開關(guān)本體的智能芯片計(jì)算，自動(dòng)分析故障類型，并驅(qū)動(dòng)脫扣器保護(hù)或者報(bào)警，最終，將處理結(jié)果和故障時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)推送給監(jiān)控平臺(tái)或者管理人員。

(2)電氣火災(zāi)監(jiān)控：可監(jiān)控主進(jìn)線開關(guān)以及分支開關(guān)的漏電電流和開關(guān)觸頭溫度，當(dāng)發(fā)生電氣火災(zāi)異常時(shí)，將故障報(bào)警推送到監(jiān)控平臺(tái)或者管理人員。

(3)智能運(yùn)維：平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)，可將故障信息發(fā)送到平臺(tái)管理人員手機(jī)，搶修人員通過平臺(tái)的地圖定位功能，導(dǎo)航到故障發(fā)生地點(diǎn)，排除故障。

開關(guān)柜內(nèi)采用DM5Z系列智能塑殼斷路器，DM5Z系列智能塑殼斷路器集成了計(jì)量電度表、無功補(bǔ)償控制器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、微機(jī)保護(hù)器、電氣火災(zāi)探測等多種設(shè)備功能，并且內(nèi)置4G工業(yè)級無線路由器。普通低壓柜抽屜與智能低壓柜抽屜的區(qū)別如圖2所示。具體實(shí)現(xiàn)功能如下。

(1)配置電磁脫扣器和電子脫扣器，當(dāng)電子脫扣器失效時(shí)，電磁脫扣器仍可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

(2)不依靠輔助電源，在短路、漏電情況下，斷路器仍能可靠實(shí)現(xiàn)過載、短路短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)功能；輔助電源由外部直流電源供電，其電壓輸入范圍為：DC12 V±10%。

(3)塑殼斷路器自取電源側(cè)的三相相電壓為主電源，主電源故障時(shí)，仍可維持正常工作至少30 s，確保數(shù)據(jù)上送完成和驅(qū)動(dòng)脫扣器動(dòng)作。

(4)塑殼斷路器內(nèi)配置電流互感器，具備三相電壓、三相電流采集功能，并可計(jì)算有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、電壓、電流。

(5)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，具備RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口和單獨(dú)的維護(hù)口，具備使用手持機(jī)設(shè)置參數(shù)、查看數(shù)據(jù)等。支持4G或者Wifi6無線通信。

(6)斷路器具備分、合閘計(jì)數(shù)功能，故障跳閘計(jì)數(shù)功能，并能配合平臺(tái)，進(jìn)行全斷路器全壽命周期管理。

(7)斷路器本體具備故障研判功能，并可將故障時(shí)的電壓、電流、溫度、開關(guān)量等數(shù)據(jù)和故障類型發(fā)送到配電管理平臺(tái)。

3.2 智能門禁系統(tǒng)

原煤準(zhǔn)備車間低壓配電室共有2個(gè)大門。每扇大門配置門禁系統(tǒng)1套，共需2套。

當(dāng)工作人員進(jìn)入配電室時(shí)，通過智能終端身份識別進(jìn)行人員信息比對，只有經(jīng)過授權(quán)的人員才能打開配電室，同時(shí)對前端采集的身份信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。

具體功能如下：

(1)個(gè)人身份識別后，通過控制器確認(rèn)方能打開門；

(2)可以靈活設(shè)定某個(gè)人對某個(gè)門的通行時(shí)間組合段；

(3)可提前設(shè)定節(jié)假日控制狀態(tài)；

(4)實(shí)時(shí)在線監(jiān)視所有人員的通行狀態(tài)，并自動(dòng)存入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫；

(5)自動(dòng)記錄開門按鈕出入次數(shù)、時(shí)間及狀態(tài)；

(6)防反傳功能，防止人員尾隨；

(7)對于超時(shí)不關(guān)門或惡意破壞行為進(jìn)行實(shí)時(shí)聲光報(bào)警并記錄報(bào)警信息；

(8)所有記錄自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫，作為考勤的歷史數(shù)據(jù)；

(9)設(shè)置管理操作人員權(quán)限控制等級。

3.3 配電室環(huán)境檢測模塊

環(huán)境檢測模塊計(jì)劃在原煤準(zhǔn)備車間配電室設(shè)置溫度、濕度、煙霧等傳感器，通過智能網(wǎng)關(guān)上傳至監(jiān)測平臺(tái)。

配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由終端測點(diǎn)來完成對環(huán)境要素的監(jiān)測，監(jiān)測要素包括溫度、濕度、煙霧、非法入侵等機(jī)房環(huán)境參數(shù)。智能網(wǎng)關(guān)對這些要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、轉(zhuǎn)換、傳輸、控制等工作，然后通過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)向智能平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、過濾、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)分析，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備及現(xiàn)場視頻監(jiān)控等任務(wù)，當(dāng)溫度、濕度超過設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開啟或關(guān)閉指定設(shè)備。

具體實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)具備配電房門狀態(tài)、溫濕度、煙霧報(bào)警狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示；

(2)具備門狀態(tài)與照明、風(fēng)機(jī)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能(當(dāng)打開房門時(shí)，照明燈與通風(fēng)扇自動(dòng)開啟，當(dāng)房門關(guān)閉后，照明燈與通風(fēng)扇延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉)；

(3)具備手動(dòng)/自動(dòng)控制切換功能(可通過切換按鈕，手動(dòng)進(jìn)行照明、風(fēng)機(jī)設(shè)備的啟?？刂?；

(4)具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能(通過RS485通信接口，支持Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約)；

(5)具備電氣火災(zāi)監(jiān)控功能(需實(shí)時(shí)監(jiān)測配電房煙霧狀態(tài)、溫濕度數(shù)值)；

(6)具備配電房環(huán)境視頻監(jiān)控功能。

配電室環(huán)境檢測模塊中的云配電邊緣計(jì)算融合網(wǎng)關(guān)(以下簡稱“智能網(wǎng)關(guān)”)是集智能通訊與邊緣計(jì)算為一體的網(wǎng)關(guān)控制設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)采用基于ARM 的嵌入式硬件平臺(tái)+Linux 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)采集、計(jì)算、三相負(fù)荷不平衡控制功能，并可將本地?cái)?shù)據(jù)上傳云端或?qū)⒃贫藬?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)本地?cái)?shù)據(jù)中心。它具有低功耗、小體積、高性價(jià)比等突出優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定，具有高安全性和擴(kuò)展性，是電力系統(tǒng)及其他工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域值得信賴的智能網(wǎng)關(guān)。環(huán)境監(jiān)測模塊系統(tǒng)如圖3所示。

智能網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)與管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。將云端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給企業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并采集智能設(shè)備的通信數(shù)據(jù)將其傳輸至云端，在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析、計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)共享。

3.4 停送電審批電子化

為姚橋選煤廠開發(fā)一套停送電審批系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)審批流程電子化，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP端操作，停送電管理具體步驟如下。

(1)停電申請。停電申請人通過手機(jī)APP填寫停電申請單。在申請停電時(shí)，需通過身份識別機(jī)制進(jìn)行身份核查，待申請送電時(shí)再次進(jìn)行身份識別核查，保證停送電申請人一致性，防止申請送電失誤造成生產(chǎn)或機(jī)電事故。

(2)調(diào)度審批。申請停電后，系統(tǒng)向調(diào)度員推送停電申請消息，提醒調(diào)度員及時(shí)審批。調(diào)度員可按系統(tǒng)、設(shè)備、單號等多種方式進(jìn)行停電申請篩選及審批。

(3)電工停電。調(diào)度審批通過后，向電工推送停電任務(wù)提醒。電工可根據(jù)任務(wù)提醒進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備斷電操作。

(4)驗(yàn)電。電工停電后，系統(tǒng)自動(dòng)向停電申請人推送設(shè)備斷電通知，提醒申請人驗(yàn)電檢修。申請人可在移動(dòng)端進(jìn)行驗(yàn)電確認(rèn)。驗(yàn)電時(shí)可通過手機(jī)查看配電室設(shè)備控制開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)視頻監(jiān)控，進(jìn)行二次確認(rèn)。驗(yàn)電后，系統(tǒng)自動(dòng)對驗(yàn)電設(shè)備增加電子鎖。

(5)檢修。停電申請人驗(yàn)電完成后，系統(tǒng)自動(dòng)向施工參與人推送開始檢修提醒，保證檢修工作及時(shí)開工，節(jié)約時(shí)間成本，提高人員效率。

(6)申請送電/試車。檢修完成后，停電申請人在移動(dòng)端申請送電或試車。系統(tǒng)開始驗(yàn)證停送電申請人是否一致，保障操作安全。申請送電或試車后，系統(tǒng)自動(dòng)減少電子鎖數(shù)量。

(7)電工送電。系統(tǒng)根據(jù)電子鎖數(shù)量判斷送電合法性，當(dāng)電子鎖數(shù)為0時(shí)，允許送電，系統(tǒng)自動(dòng)向電工推送送電任務(wù)提醒。

送電確認(rèn)時(shí)，需驗(yàn)證電工身份，保證停送電記錄可靠性，同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測設(shè)備PLC狀態(tài)，非帶電狀態(tài)不允許送電確認(rèn)，防止電工誤操作帶來安全隱患。

(8)恢復(fù)生產(chǎn)。當(dāng)設(shè)備的所有檢修工作都完成后，系統(tǒng)自動(dòng)向調(diào)度員推送設(shè)備完工提醒，調(diào)度員結(jié)合生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置設(shè)備集控/就地狀態(tài)并安排生產(chǎn)[9-10]。

4 智能供配電系統(tǒng)預(yù)期實(shí)施效果分析

智能供配電系統(tǒng)應(yīng)用后，預(yù)期效果如下：

(1)各設(shè)備數(shù)據(jù)直接上傳到云平臺(tái)，在手機(jī)或者管理平臺(tái)就可查看相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙信、遙調(diào)功能；

(2)平臺(tái)可獨(dú)立統(tǒng)計(jì)每個(gè)開關(guān)的有功功率和有功電度，生成每類負(fù)荷的能耗報(bào)表和能源需量報(bào)表，支持自動(dòng)生成日用電數(shù)據(jù)、月用電數(shù)據(jù)、季度用電數(shù)據(jù)、年用電數(shù)據(jù)等功能，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)同比數(shù)據(jù)和環(huán)比數(shù)據(jù)，導(dǎo)出excel數(shù)據(jù)報(bào)表，方便用戶做能耗分析和電能需求申報(bào)；

(3)智能斷路器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘操作，極大的提高了選煤廠電氣檢修的工作效率，有效降低了電工的工作負(fù)荷；

(4)借助于系統(tǒng)的電能遠(yuǎn)程計(jì)量統(tǒng)計(jì)功能，強(qiáng)化各車間的用電管理力度，規(guī)范日常生產(chǎn)中的用電行為，達(dá)到降低洗煤單位電耗的目的，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，噸煤電耗降低0.217 kW·h，依照姚橋選煤廠生產(chǎn)規(guī)模2.00 Mt /a、電價(jià)0.67 元/(kW·h)計(jì)算其降耗效益，每年節(jié)約電費(fèi)29.08 萬元；

(5)采用智能配電柜后，新型斷路器集成了電壓、電流采集功能，且具備遠(yuǎn)程Wifi6通信功能，不再需要增加電流互感器等元件及其復(fù)雜接線，同時(shí)也節(jié)省了遠(yuǎn)程通信布線的問題，累計(jì)可節(jié)省硬件投資30余萬元。

5 結(jié) 語

智能供配電系統(tǒng)計(jì)劃在中煤大屯公司姚橋選煤廠分期實(shí)施，先期實(shí)現(xiàn)停送電審批電子化、配電室環(huán)境監(jiān)測，二期實(shí)現(xiàn)更換智能低壓柜和遠(yuǎn)程分合閘，實(shí)施后將顯著提升配電系統(tǒng)操作的自動(dòng)化水平，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手機(jī)和平臺(tái)的監(jiān)控監(jiān)測。極大地提高了姚橋選煤廠的工作效率，并帶來用電管理上的重大改變。