煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的設計

　　摘要:煤礦智能化礦山的建設促進了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)往智能化方向發(fā)展。針對煤礦供電系統(tǒng)負載功率大、沖擊負載多、現(xiàn)場環(huán)境惡劣等特點，分析了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)，詳細介紹了煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構、硬件組成及系統(tǒng)功能，為煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)建設提供了借鑒。

　　關鍵詞:智能,供電監(jiān)控,智能保護,能源管理

　　目前，煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)偏重于監(jiān)控較多，保護功能不強。而煤礦的供電系統(tǒng)保護功能要求的又較高，煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)將能源管理、設備預警、智能保護功能有機結合到供電監(jiān)控系統(tǒng)中，是一種能解決煤礦供電系統(tǒng)問題、集保護與預警于一體的綜合性智能供電監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]。

　　1煤礦電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

　　1.1煤礦電力系統(tǒng)簡介

　　煤礦電力系統(tǒng)主要由地面變電站和井下供電系統(tǒng)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(qū)供電系統(tǒng)。目前煤礦電力系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)，可以在上位機監(jiān)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(qū)供電，采區(qū)供電核心為移動變電站或采區(qū)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(xié)議大多數是標準電力規(guī)約及標準通訊協(xié)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�？刂乒δ埽瑹o監(jiān)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(tǒng)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(fā)送控制命令，故障保護;另一部分為執(zhí)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(xiàn)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(jiān)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(xiàn)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(qū)電力系統(tǒng)監(jiān)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(tǒng)特點

　　1)用電設備功率大。煤礦企業(yè)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(yè)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(tǒng)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(yè)每上一個新的系統(tǒng)，往往會有配套的高壓開關，由于系統(tǒng)的廠家不同，也就造成每個系統(tǒng)的高壓開關都不相同，且同一系統(tǒng)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(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象。

　　4)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，布線不規(guī)范。煤礦現(xiàn)場高濕，有些環(huán)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(fā)。此外，有些煤礦巷道狹窄，人、車、線走同一條巷道，極易發(fā)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(fā)生電纜被炸飛的情況。

　　1.3煤礦電力系統(tǒng)問題

　　1)供電系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　由于煤礦井下生產環(huán)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(fā)生。煤礦供電系統(tǒng)采用中性點非有效接地系統(tǒng)，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(tǒng)電纜中較薄弱的地方擊穿放炮，并有可能發(fā)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(wěn)定。

　　2)越級跳閘。

　　發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是現(xiàn)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(xiàn)相互抵觸的現(xiàn)象。因而不同的開關在一起使用時就會出現(xiàn)誤動跳閘現(xiàn)象。

　　3)小電流接地選線。

　　小電流接地系統(tǒng)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(tǒng)，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(fā)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(tǒng)，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(jiān)控系統(tǒng)設計

　　針對目前煤礦供電系統(tǒng)存在的問題，本文設計了一款煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2.1系統(tǒng)硬件組成

　　系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分組成:電力監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)

　　智能供電監(jiān)控系統(tǒng)主要用于煤礦供電系統(tǒng)和運轉設備的監(jiān)測、控制、管理和安全保護等方面，實現(xiàn)供電系統(tǒng)和設備的在線參數監(jiān)測、遠程操作控制、實時事故報警、數據統(tǒng)計分析、運行安全保護、用電計量管理等監(jiān)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(tǒng)越級跳閘、電壓波動跳閘、漏電接地選線、突發(fā)停電事故恢復、負荷控制等電力運行難題的實用方案，系統(tǒng)的高精度計量監(jiān)測、專業(yè)圖表分析工具、錄波分析工具和智能專家系統(tǒng)，是加強供電管理、減少事故、降低損耗、節(jié)約電能、提高運行效率和管理水平的最新現(xiàn)代化工具，運用系統(tǒng)網絡遠程操作控制和智能程控技術，實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)和生產設備的全面自動化無人值守智能監(jiān)控管理。

　　智能電力監(jiān)控系統(tǒng)建立在1000M冗余工業(yè)以太環(huán)網、高速專用電力監(jiān)控現(xiàn)場總線、CAN/RS485工業(yè)現(xiàn)場總線、無線通信構成的多層分布式煤礦寬帶工業(yè)網絡平臺上，配有各種電力監(jiān)控應用軟件，是集監(jiān)控、顯示、保護、控制、采集等多種功能的監(jiān)控系統(tǒng)，根據需要可在不同網絡層接入不同通訊接口的各種監(jiān)控裝置和各種設備、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，兼容各種接口設備。同時提供標準數據接口，實現(xiàn)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(xiàn)一體化的全礦井安全生產監(jiān)控和自動化、信息化系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)將供電系統(tǒng)監(jiān)控、變電所環(huán)境監(jiān)控及IP電話、IP廣播、視頻等多源異質數據有機融合，實現(xiàn)電力監(jiān)控、視頻、語音、廣播聯(lián)動，建立了一套綜合性多媒體數字化電力監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)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(huán)境中身臨其境般的實現(xiàn)更加可靠的遠程管理和操控。

　　智能電力監(jiān)控系統(tǒng)采用系統(tǒng)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(jiān)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(jié)點、單設備、單參數獨立控制擴展到系統(tǒng)整體相互協(xié)作的智能化系統(tǒng)控制，特別適應煤礦電力系統(tǒng)復雜多變的工作條件和環(huán)境，能夠解決煤礦安全、生產和控制中現(xiàn)存的突發(fā)停電問題，監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)的需求越來越多，本文介紹了煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的組成及其典型功能，為煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的建設和應用提供借鑒。

　　參考文獻:

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　　[2]楊培功，林宏志，宋永寶.基于統(tǒng)一數據平臺的三維管控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)無人化建設技術研究與實踐[J].煤炭科學技術，2018(S2):153-156.

　　煤礦方向相關刊物推薦：《工礦自動化》雜志原名《煤礦自動化》，創(chuàng)刊于1978年11月，1982年由原煤炭工業(yè)部委托煤炭科學研究總院常州自動化研究所(現(xiàn)煤炭科學研究總院常州自動化研究院)承辦，是唯一一份集中報道我國煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控、生產過程自動化、通信等領域國內外新技術、新成果、新工藝及新動向的專業(yè)性技術期刊。

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