融合控制技術(shù)在地下礦山低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

谷龍飛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

少人化、無人化、遠(yuǎn)程遙控化、數(shù)字化是目前礦山的發(fā)展趨勢，國內(nèi)多數(shù)礦山企業(yè)仍處于勞動密集階段，礦山總體控制水平較低。

低壓配電系統(tǒng)涵蓋礦山生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，是地下采礦生產(chǎn)的動力來源，供配電系統(tǒng)直接或間接影響電動采礦機(jī)械的生產(chǎn)效率，故其遠(yuǎn)程監(jiān)控程度直接關(guān)系到礦山的整體控制水平。自動化控制系統(tǒng)是減少現(xiàn)場工作人員和提高勞動效率的有效手段，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了局部的自動化控制和無人值守，但距智能化還有很大的距離。

目前配電系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)是兩個相互獨(dú)立的系統(tǒng)，彼此之間幾乎沒有數(shù)據(jù)共享。而在實(shí)際生產(chǎn)中，配電需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制系統(tǒng)需要配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)智能判斷。鑒于上述原因本文提出融合控制技術(shù)。

2 地下礦山傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)

2.1 地下礦山傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)電力行業(yè)電力系統(tǒng)基本都實(shí)現(xiàn)了智能化，低壓配電系統(tǒng)作為電能最終送到主要用電末端電控設(shè)備，也實(shí)現(xiàn)了低壓配電系統(tǒng)信息化智能化。相應(yīng)的配電系統(tǒng)監(jiān)測、調(diào)度、管理軟件也得到發(fā)展。而國內(nèi)礦山企業(yè)低壓電力系統(tǒng)還普遍采用傳統(tǒng)的配電模式。配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)用電設(shè)備的配電及保護(hù)，控制系統(tǒng)用于受控設(shè)備的控制。兩套系統(tǒng)基本獨(dú)立運(yùn)行，共同完成低壓用電設(shè)備的供電和控制功能。

重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)選擇性地在一些低壓回路中使用低壓智能配電設(shè)備，但由于整個低壓配電配置水平高低不同，較難或即使構(gòu)成系統(tǒng)意義也不大，低壓智能配電設(shè)備的功能沒有得到充分發(fā)揮。

2.2 地下礦山生產(chǎn)中傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)存在的問題

(1)操作方式。目前地下礦山低壓配電系統(tǒng)多采用人工就地操作的方式進(jìn)行分合閘，送電需要人工到低壓配電室手動分合閘。在礦山行業(yè)，尤其是地下礦山，人工下井送電需要較長時間，期間相關(guān)作業(yè)面工作人員只能等待，嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)的工作效率。

(2)故障排查。各級供電狀態(tài)是“不透明”的，并不清楚所有用電設(shè)備和開關(guān)在某一時刻的工作狀態(tài)。礦山各級變電所、動力箱相對位置較遠(yuǎn)，甚至不在同一中段，一旦出現(xiàn)供電故障，需要人工逐級排查，排查時間較長、所需人員較多。

(3)維護(hù)問題。電力設(shè)備多處于“不壞不換”狀態(tài)，沒有具體的使用次數(shù)、過載次數(shù)等重要的維護(hù)依據(jù)數(shù)據(jù)，很難做到針對性的預(yù)維護(hù)和精細(xì)化維護(hù)。

(4)信息化基礎(chǔ)較弱。低壓配電系統(tǒng)一般采用常規(guī)的斷路器、接觸器、熱繼電器、熔斷器、控制繼電器、各種主令電器、互感器及各種電工儀表(電流表、電壓表、功率表、電能表等)等分立元件組成的低壓開關(guān)控制柜來實(shí)現(xiàn)配電、控制、保護(hù)、監(jiān)視等功能。金屬礦山行業(yè)低壓配電系統(tǒng)信息化智能化總體水平遠(yuǎn)落后于電力行業(yè)和建筑行業(yè)[1]。

(5)與控制系統(tǒng)銜接問題。對于一些需要現(xiàn)場控制或者遠(yuǎn)程遙控的設(shè)備，低壓配電柜與現(xiàn)場控制箱、PLC柜之間有大量的電纜連接，給礦山施工帶來不便。

3 融合控制技術(shù)在低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 總體思路

在低壓配電系統(tǒng)中為每個回路設(shè)置一套融合控制單元，該單元同時具備測量、控制、通訊等功能。通過該單元實(shí)現(xiàn)對低壓電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和配電設(shè)備控制，同時該單元還具備完成工藝生產(chǎn)控制功能。地表集控室通過網(wǎng)絡(luò)可以對低壓融合控制單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)可大幅度減少控制電纜的使用。在節(jié)省建設(shè)投資的同時，也可以大幅度減少運(yùn)行維護(hù)工作量。

該系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，共分為3層：現(xiàn)場采集層、通信管理層、中心監(jiān)控層，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 低壓配電系統(tǒng)遙控功能

地表中控室可對每一條回路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，在遠(yuǎn)程控制的同時，實(shí)現(xiàn)對自動開關(guān)的遠(yuǎn)程遙控。這樣在地表中控室就實(shí)現(xiàn)了對地下礦山全部用電設(shè)備的管理、控制。

(1)電力工程師可以在地表中控室投送電和控制電力設(shè)備啟停。

(2)實(shí)現(xiàn)對全礦電能集中管理和調(diào)度，把不同設(shè)施、不同用電設(shè)備級別按照預(yù)案分為不同等級?？梢詫?shí)現(xiàn)自動切除次要負(fù)載的功能。

(3)低壓柜具有控制功能，現(xiàn)場控制箱可通過一根總線接入系統(tǒng)，減少傳統(tǒng)模式大量的電纜聯(lián)系。

3.2.2 低壓配電系統(tǒng)大數(shù)據(jù)采集功能

系統(tǒng)可實(shí)時測量和自動記錄高低壓柜內(nèi)每條回路的用電數(shù)據(jù)，為全礦電能管控提供數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)包括：①電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)等實(shí)時值；②分時計量有功、無功電能、最大需量及發(fā)生的時間；③提供失壓、失流、斷相等報警信息、反向判定及記錄。

系統(tǒng)實(shí)時和定時刷新顯示電氣設(shè)備的電流、電壓、有功電能、無功電能、功率因數(shù)以及頻率、諧波、電力品質(zhì)參數(shù)等模擬量，斷路器、隔離開關(guān)、智能設(shè)備通訊狀態(tài)、各種報警信號等數(shù)字量，由監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行管理，并對重要信息量進(jìn)行數(shù)據(jù)庫儲存。

3.2.3 遠(yuǎn)程可視化調(diào)整電力及保護(hù)參數(shù)

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)各個工藝設(shè)備的保護(hù)值，確保工藝設(shè)備得到精確和可靠保護(hù)。此種調(diào)節(jié)需要根據(jù)工藝設(shè)備生產(chǎn)工況調(diào)節(jié)和設(shè)置，需要電氣工程師負(fù)責(zé)，在地表即可完成調(diào)節(jié)。保護(hù)值下載后，工藝設(shè)備自身控制和保護(hù)設(shè)備按照下載保護(hù)值獨(dú)立運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)綜述

新型智能低壓配電系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)了“四遙”控制。①遙控：正常的分合閘操作確保可遠(yuǎn)程操作，并可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對全礦電能集中管理和調(diào)度，把不同設(shè)施、不同用電設(shè)備級別按照預(yù)案分為不同等級，可以實(shí)現(xiàn)自動切除次要負(fù)載的功能。②遙信：實(shí)現(xiàn)對地下所有用供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視。③遙測：實(shí)時測量和自動記錄高低壓柜內(nèi)每條回路的用電數(shù)據(jù)，如電流、電壓、電度等，為全礦電能管控提供數(shù)據(jù)。④遙調(diào)：可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)各個工藝設(shè)備的保護(hù)值，確保工藝設(shè)備得到精確和可靠保護(hù)。此種調(diào)節(jié)需要根據(jù)工藝設(shè)備生產(chǎn)工況調(diào)節(jié)和設(shè)置，需要電氣工程師負(fù)責(zé)，在地表即可完成調(diào)節(jié)。保護(hù)值下載后，工藝設(shè)備自身控制和保護(hù)設(shè)備按照下載保護(hù)值獨(dú)立運(yùn)行。

4 融合控制技術(shù)在低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 地下電力設(shè)備操作遠(yuǎn)程化

各用電設(shè)備可通過低壓柜內(nèi)融合控制單元，簡單實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開停，可實(shí)現(xiàn)地下固定設(shè)備遠(yuǎn)程遙控。與此同時，還可以遠(yuǎn)控各配電回路的自動開關(guān)。這在地下礦山有著重要的意義，電力工程師井下送電只需在地表中控室完成。不需要較長時間，大幅提高礦山生產(chǎn)的工作效率。

4.2 快速排查故障

系統(tǒng)自動記錄各級開關(guān)和用電設(shè)備的工作狀態(tài)，以及動作歷史記錄。當(dāng)出現(xiàn)配電系統(tǒng)故障情況，電力工程師可以在中控室了解當(dāng)前各級配電回路狀態(tài)，并快速追溯到發(fā)生故障時刻各設(shè)備或開關(guān)的投切狀態(tài)，方便工程師迅速查找并排除故障。同時，系統(tǒng)可記錄所有設(shè)備動作指令的來源。比如，一個自動開關(guān)的閉合動作是來源于機(jī)旁手動操作或中控遠(yuǎn)程操作。有利于回溯查找故障的原因，為電力系統(tǒng)管理提供依據(jù)。

圖2為一低壓系統(tǒng)中控圖。

圖2 低壓系統(tǒng)中控圖

4.3 實(shí)現(xiàn)精細(xì)化預(yù)維護(hù)

系統(tǒng)自動記錄全部電力設(shè)備的啟停次數(shù)、動作次數(shù)、過載次數(shù)。維護(hù)人員可根據(jù)此臺賬對動作或過載次數(shù)過多的電力元件提前更換處理。

4.4 實(shí)現(xiàn)配電和控制系統(tǒng)的融合

融合控制技術(shù)在配電系統(tǒng)應(yīng)用后，通過控制系統(tǒng)與低壓配電系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)保護(hù)和控制功能融合和共享，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備廠家、品種、型號、規(guī)格數(shù)量的最小化，實(shí)現(xiàn)使用技術(shù)方法的最小化，維護(hù)習(xí)慣方面一致化。同時，配電系統(tǒng)數(shù)字化后，與控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)可以共享。依靠這些共享數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)保護(hù)的智能化。

5 結(jié)語

針對地下礦山的低壓配電系統(tǒng)的使用環(huán)境和實(shí)際需求，通過融合控制技術(shù)在低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對低壓配電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙調(diào)、遙控。大幅度提高了低壓配電系統(tǒng)的監(jiān)控性能，使過去依靠人工現(xiàn)場解決的問題，大部分實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程處理。保證地下低壓配電系統(tǒng)的可靠性，為采礦連續(xù)生產(chǎn)提供了一定基礎(chǔ)。