煤礦智能供電監控系統設計研究

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煤礦智能化礦山的建設促進了煤礦供電監控系統往智能化方向發展。針對煤礦供電系統負載功率大、沖擊負載多、現場環境惡劣等特點，分析了煤礦供電監控系統存在的問題，并設計了一套集能源管理、智能保護等功能于一體的煤礦智能供電監控系統，詳細介紹了煤礦智能供電監控系統的網絡結構、硬件組成及系統功能，為煤礦智能供電監控系統建設提供了借鑒。目前，煤礦電力監控系統偏重于監控較多，保護功能不強。而煤礦的供電系統保護功能要求的又較高，煤礦智能供電監控系統將能源管理、設備預警、智能保護功能有機結合到供電監控系統中，是一種能解決煤礦供電系統問題、集保護與預警于一體的綜合性智能供電監控系統［1－3］。

1煤礦電力系統現狀

1.1煤礦電力系統簡介

煤礦電力系統主要由地面變電站和井下供電系統組成。地面變電站一般為10kV或35kV。井下一般為中央變電所和采區供電系統。目前煤礦電力系統已配置較為完善的綜保裝置，對于地面變電站，大多數已上綜保裝置和電力監控系統，可以在上位機監控變電站的運行狀況。對于井下變電所，一般分為兩部分，一部分為中央變電所，負責井下所有設備的供電，中央變電所設備主要是高壓配電裝置，控制并保護分配到各個用電點的線路;另一部分為采區供電，采區供電核心為移動變電站或采區變電所，目前所接觸的移動變電站都有接口可以外接，通信協議大多數是標準電力規約及標準通訊協議。此外，具體到設備，不同的礦差別較大，有的礦配備變頻裝置會有配套的配電柜;有的礦配備饋電開關，目前的智能型饋電開關也具備通信接口;有的礦只是配高壓開關，只具備簡單的開停控制功能，無監測及通信功能。高壓配電裝置主要是對高電壓(10kV或35kV)、三相交流中性點不直接接地的供電系統進行控制、保護和測量，可作井下中央變電所和移動變電站的配電使用。高壓配電裝置主要由兩部分組成:一部分為綜保，主要測量各種參數，發送控制命令，故障保護;另一部分為執行機構，包括高壓斷路器、隔離開關等。電氣參數和功能主要有:額定電壓、最大工作電壓、操作過電壓、額定電流、短路開斷電流。實現的保護功能有:短路保護、過載保護、漏電保護、雙屏蔽電纜絕緣監視保護、失壓保護、過壓保護、斷相保護、超溫保護等。饋電開關主要是對井下變電站經變壓后輸出1140V或660V電壓，電流為630A以下的中性點不接地的三相電網中，作為配電開關之用。電氣參數和功能主要有:額定工作電壓、額定工作電流、最大分斷能力等。實現的保護有:短路保護、過載保護、漏電閉鎖、漏電保護、缺相保護等。采區電力系統監控保護的電力設備主要有:移動變電站、高壓配電裝置、饋電開關、組合開關等。

1.2煤礦電力系統特點

1)用電設備功率大。煤礦企業的各種大功率設備較多，如主通風機電機、大型膠帶電機、采煤機、掘進機等。這些負載的功率很大，啟動及運行時，供電電流較大。2)沖擊負載多。煤礦企業的各種設備啟動電流很大，甚至能達到工作額定電流的4～7倍，有些設備不但啟動電流很大，而且有很低的滯后功率因數，造成煤礦供電系統電壓波動更大。此外，有些設備，如掘進機、鉆機等在掘進過程中，負載變化很大，這種沖擊負載在工作過程中劇烈變化，造成沖擊電流和沖擊電壓很大。3)高壓開關廠家眾多，型號復雜。目前，煤礦企業每上一個新的系統，往往會有配套的高壓開關，由于系統的廠家不同，也就造成每個系統的高壓開關都不相同，且同一系統的高壓開關型號、電壓等級、保護類型等也不盡相同，這就形成了目前煤礦高壓開關廠家眾多，型號復雜的情況，造成整定保護困難，經常出現越級跳閘現象。4)現場環境惡劣，布線不規范。煤礦現場高濕，有些環境還存在腐蝕性氣體，這就造成供電線路極易老化，短路、斷路、接觸不良等事故頻發。此外，有些煤礦巷道狹窄，人、車、線走同一條巷道，極易發生電纜被撞斷等情況。同時，在某些采用炮采工藝的煤礦，有時會發生電纜被炸飛的情況。

1.3煤礦電力系統問題

1)供電系統不穩定。由于煤礦井下生產環境比較潮濕，條件比較惡劣，巷道比較狹窄，電氣設備的絕緣容易受潮，電纜也可能被脫落的煤塊或巖石砸傷，從而容易造成漏電和接地等事故的發生。煤礦供電系統采用中性點非有效接地系統，允許帶故障運行不超2h，但長時間的接地運行會因接地故障點與大地接觸不良形成高阻接地，在接地點會產生弧光放電，造成電壓急劇升高，從而引起電能、磁能震蕩。其弧光過電壓產生4～5倍的額定電壓，導致系統電纜中較薄弱的地方擊穿放炮，并有可能發生相間短路，造成開關設備的損壞，影響正常生產，給礦井和人身帶來嚴重的危害。同時，由于煤礦用電設備負載大，沖擊負載大，造成電壓不穩定。2)越級跳閘。發生這種現象的主要原因是現在的開關種類比較多，而各種開關的設計方式，特別是保護元件的保護方式不同，甚至出現相互抵觸的現象。因而不同的開關在一起使用時就會出現誤動跳閘現象。3)小電流接地選線。小電流接地系統是指中性點不接地、經消弧線圈接地或經高阻接地方式的電力系統，國內大部分66kV及以下電網都采用這種接地方式，煤礦井下亦是如此。它的主要缺點是在發生單相接地故障時無法迅速確認問題出在哪一條線路上。對于110kV以下的不接地系統，特別是采用電纜出線而且有出線距離比較長的，當某相鄰出線產生接地故障的時候，非故障長線路也會產生大的零序電流，而由于零序保護的無方向性，可能會導致零序保護誤動作，所以在繼電保護里增加接地選線功能，除了判斷零序電流的大小之外還要比較電流方向，從而防止誤動作。

2智能供電監控系統設計

針對目前煤礦供電系統存在的問題，本文設計了一款煤礦智能供電監控系統。

2.1系統硬件組成系統硬件主要由以下幾部分組成:電力監控分站、高壓配電裝置、低壓組合開關、智能保護控制器、防雷器、防爆交換機、工控機、打印機、UPS電源、配件［4］。電力監控分站的作用主要有三部分:采集數據、顯示控制、通信傳輸。具體來說就是:電力監控分站采集高壓饋電開關內置的綜保信息，在就地的觸摸屏上顯示出來，然后再接入煤礦網絡，上傳到地面，接收工控機的控制信號，控制高壓饋電開關動作。電力監控分站主要由以下幾部分組成:變壓器、電源、備用電池、顯示屏、鍵盤、通信管理機、光端機或光電轉換模塊(至少兩光兩電)。

2.2智能供電監控系統

智能供電監控系統主要用于煤礦供電系統和運轉設備的監測、控制、管理和安全保護等方面，實現供電系統和設備的在線參數監測、遠程操作控制、實時事故報警、數據統計分析、運行安全保護、用電計量管理等監控管理功能;提供遙測、遙信、遙調、遙控、遙視、遙播、遙訊、遙試“八遙操控”、事故報警、保護、定位和事故快速解決的手段，具有解決供電系統越級跳閘、電壓波動跳閘、漏電接地選線、突發停電事故恢復、負荷控制等電力運行難題的實用方案，系統的高精度計量監測、專業圖表分析工具、錄波分析工具和智能專家系統，是加強供電管理、減少事故、降低損耗、節約電能、提高運行效率和管理水平的最新現代化工具，運用系統網絡遠程操作控制和智能程控技術，實現煤礦供電系統和生產設備的全面自動化無人值守智能監控管理。智能電力監控系統建立在1000M冗余工業以太環網、高速專用電力監控現場總線、CAN/ＲS485工業現場總線、無線通信構成的多層分布式煤礦寬帶工業網絡平臺上，配有各種電力監控應用軟件，是集監控、顯示、保護、控制、采集等多種功能的監控系統，根據需要可在不同網絡層接入不同通訊接口的各種監控裝置和各種設備、環境監控系統，兼容各種接口設備。同時提供標準數據接口，實現與礦井自動化信息平臺無縫連接，為信息平臺提供供電數據，實現一體化的全礦井安全生產監控和自動化、信息化系統。系統將供電系統監控、變電所環境監控及IP電話、IP廣播、視頻等多源異質數據有機融合，實現電力監控、視頻、語音、廣播聯動，建立了一套綜合性多媒體數字化電力監控管理系統，監控的內容和范圍更寬、更全面，使管理和操控人員在全面的多媒體信息化環境中身臨其境般的實現更加可靠的遠程管理和操控。智能電力監控系統采用系統控制技術、模糊邏輯控制、神經網絡控制技術、專家控制、學習控制、分層遞階智能控制等智能控制理論和技術，將監控從自動化程序控制升級到智能化管理控制，使電力控制和保護從單節點、單設備、單參數獨立控制擴展到系統整體相互協作的智能化系統控制，特別適應煤礦電力系統復雜多變的工作條件和環境，能夠解決煤礦安全、生產和控制中現存的突發停電問題，監控保護更加合理、全面、可靠、簡單，功能更強大。

3結語

隨著智能礦山的建設，煤礦對于變電站無人值守、智能保護供電監控系統的需求越來越多，本文介紹了煤礦智能供電監控系統的組成及其典型功能，為煤礦智能供電監控系統的建設和應用提供借鑒。

參考文獻:

［1］宋永寶，楊曉輝，金麗華.數字礦山統一數據平臺的實現［J］.煤礦安全，2014(7):94－96.

［2］楊培功，林宏志，宋永寶.基于統一數據平臺的三維管控系統在煤礦兩化融合中的應用［J］.煤礦安全，2014(12):129－131.

［3］楊曉輝，楊斌，宋永寶.下一代網絡技術在煤礦通信系統中的應用［J］.工礦自動化，2015(3):105－107.

［4］王興友，吳中偉，范勝祥，等.煤礦供電系統無人化建設技術研究與實踐［J］.煤炭科學技術，2018(S2):153－156.

作者:原紅飛 單位:潞安環能股份公司