淺談采區(qū)變電所無人值守技術(shù)研究與應用

王高海

【摘 要】電力作為現(xiàn)代煤礦工業(yè)的主要動力，在煤炭生產(chǎn)中占有十分重要的位置，是保證煤礦生產(chǎn)的先決條件。優(yōu)良的礦井供電系統(tǒng)對于保護礦井作業(yè)安全、提高作業(yè)效率、保證工作人員的人身安全具有重要意義。十年來，得益于自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、微機保護技術(shù)的發(fā)展，國家電網(wǎng)的變電站已經(jīng)基本實現(xiàn)綜合自動化，實現(xiàn)無人值守，近幾年也建立一些數(shù)字化變電站示范站。變電站自動化→數(shù)字化→智能化是電網(wǎng)未來的發(fā)展方向。通過以太網(wǎng)連接，形成綜合自動化網(wǎng)絡，并依托自動化平臺增加信息化管理模塊，實現(xiàn)供電設(shè)備管理的信息化，達到無人值守目的，減員提效，實現(xiàn)井下電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行是目前的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】綜合自動化;采區(qū)變電所;無人值守;減員提效

中圖分類號： TM76文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0233-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.106

0 引言

我們煤炭企業(yè)由于受管理理念、技術(shù)研發(fā)水平、裝備水平、人員技術(shù)水平等因素限制，目前煤礦地面主變電所真正實現(xiàn)綜合自動化，達到無人值守的很少。井下采區(qū)變電所實現(xiàn)綜合自動化更是少之又少。我們集團公司內(nèi)部礦井采區(qū)變電所綜合自動化水平也參差不齊，基本是對采區(qū)變電所的高壓或某個采區(qū)變電所實現(xiàn)自動化控制。煤礦采區(qū)變電所立足于現(xiàn)有技術(shù)及裝備水平，突破單個變電所自動化思維限制，通過以太網(wǎng)連接，形成綜合自動化網(wǎng)絡，并依托自動化平臺增加信息化管理模塊，實現(xiàn)供電設(shè)備管理的信息化，達到無人值守目的，減員提效，實現(xiàn)井下電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行是目前的發(fā)展方向。

1 主要研究內(nèi)容以及研究方法、技術(shù)路線

1）根據(jù)我礦井下采區(qū)變電所的負荷情況，進行優(yōu)化組合。將現(xiàn)在采區(qū)變電所的高低防開關(guān)更換為組合饋電開關(guān)，組合饋電開關(guān)具備“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”四遙功能。關(guān)鍵是開關(guān)小車要具備電動分合功能。組合開關(guān)盡量采用同一廠家產(chǎn)品。組合開關(guān)配備的綜合保護裝置要性能可靠，保護功能齊全。

2）在每個采區(qū)變電所安裝一臺交換機，通過礦用屏蔽雙絞線通信電纜連接綜合保護裝置的CAN bus接口（或RS485接口），進行數(shù)據(jù)通信。交換機連接到我礦現(xiàn)有工業(yè)環(huán)網(wǎng)，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與地面鍵控制主機相連。地面監(jiān)控主機內(nèi)安裝InTouch組態(tài)軟件。使用InTouch組態(tài)軟件將能實現(xiàn)以下功能：

（1）實現(xiàn)變電所內(nèi)礦用防爆型組合饋電開關(guān)的數(shù)據(jù)實時采集。通過組合饋電開關(guān)自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和中間網(wǎng)絡以及上位機組態(tài)軟件可以將設(shè)備的數(shù)字量輸入信號和模擬量輸入信號進行實時讀取和顯示。

（2）實現(xiàn)礦用防爆型組合饋電開關(guān)斷路器和隔離小車的遠程控制。

（3）監(jiān)控主機操作畫面需要設(shè)置不同等級的用戶登陸和操作權(quán)限。根據(jù)不同管理角色設(shè)置不同的用戶，可按系統(tǒng)管理員、值長、一般值班操作人員等提供分級密碼，對這些用戶進行不同等級的授權(quán)，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，建立良好的反事故措施。

（4）實時記錄、歷史記錄、事件記錄、故障及操作記錄等。上位機組態(tài)軟件可以采集和記錄設(shè)備的實時數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)予以保存，根據(jù)硬盤空間大小來確定保存時段的長短，數(shù)據(jù)留存期內(nèi)可以標準或設(shè)定文件格式隨時調(diào)用和打印上述歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)報表功能。

（5）配合低壓配電設(shè)備實現(xiàn)變電所內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測。系統(tǒng)通過低壓配電設(shè)備實現(xiàn)對變電所內(nèi)溫度、煙霧和瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測，預防火警及其它事故。用于不同開關(guān)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換與通信。

3）在變電所綜合自動化平臺上進行設(shè)備管理信息化研究，實現(xiàn)設(shè)備臺賬、圖像、參數(shù)、檢修信息、歷史故障信息、配件管理、標志牌圖紙管理等，開發(fā)一套繼電保護整定計算軟件，實現(xiàn)定值自動計算，下發(fā)和召喚。

4）在保證防爆開關(guān)設(shè)備防爆性能、電氣性能的前提下，研究在開關(guān)內(nèi)部關(guān)鍵部位安裝無線溫度傳感器的可行性，以及數(shù)據(jù)收集傳輸方法的實現(xiàn)。編制溫度監(jiān)控預警軟件，實現(xiàn)溫度實時顯示，超溫報警，溫度變化曲線查看等功能。

2 采區(qū)變電所無人值守在煤礦供電系統(tǒng)中應用的目的和必要性

2.1 實施背景及目的

隨著礦井開采的延伸，我礦井下供電系統(tǒng)越來越龐大、復雜?，F(xiàn)有南翼5#、4#、3#、南翼軌道下山、二采2#、十采區(qū)變電所，南翼1#、四采、二采三上配電點，共計9個采區(qū)變電所、配電點，各變電所配電點之間距離也較遠。采區(qū)變電所值班電工每班8人共24人，去除學習及休班，每班出勤4至5人，每人約負責2個崗點的巡檢、停送電、日常維護、保護試驗等工作。煤礦井下作業(yè)的特殊性，井下供電系統(tǒng)極易出現(xiàn)漏電、短路、過流等故障，造成開關(guān)跳閘停電或停風，影響生產(chǎn)及安全。如停電變電所無人值班，值班電工接到通知去送電，這一過程基本得半小時左右，特別是局部風機停電，對安全及生產(chǎn)的影響極大。故障跳閘情況時有發(fā)生，按每天影響半小時計算，一年180多個小時的影響，損失是巨大的。

采區(qū)變電所開關(guān)類型眾多，綜合裝備水平較低，設(shè)備互換性差。高防開關(guān)有2個廠家6種類型，低防開關(guān)有3個廠家4種類型。有傳統(tǒng)插件式保護，有單片機綜合保護，有帶通信接口也有不帶通信接口的，操作機構(gòu)有手動儲能的，有電動儲能的，有電磁直接操作的。而且各種開關(guān)之間通信協(xié)議不同，阻礙了綜合自動化的統(tǒng)一通信控制。

2.2 采區(qū)變電所設(shè)備現(xiàn)狀

采區(qū)變電所設(shè)備綜合信息化管理上落后，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）開關(guān)運行狀態(tài)及運行參數(shù)，如開關(guān)的分合狀態(tài)、故障類型、報警指示、運行電流、電壓、功率，只能

靠人去查看，管理層無法掌握綜合數(shù)據(jù)和信息。

（2）繼電保護定值管理還是采用人工計算、下發(fā)區(qū)隊，區(qū)隊再安排人現(xiàn)場去調(diào)整，甚至有的開關(guān)還必須停電開蓋才能調(diào)整定值。還得定期安排人去現(xiàn)場核對定值整定情況。定值整定計算復雜，容易出錯，如果計算或整定錯誤，很可能造成開關(guān)誤動或拒動，影響生產(chǎn)或安全。開關(guān)實際定值和定值單、圖紙、標志牌一一對應。每調(diào)整一個定值，上述工作就得重復一遍，費時費力。

（3）設(shè)備臺賬、標志牌、圖紙管理落后。現(xiàn)在設(shè)備臺賬還是人工統(tǒng)計設(shè)備信息，錄入微機。而且僅是設(shè)

備型號和主要參數(shù)，沒有設(shè)備圖片、主要及易損配件型號、庫存管理。設(shè)備或負荷調(diào)整后，定值得調(diào)整，圖紙標志牌都得相應打印張貼。

（4）設(shè)備維護保養(yǎng)缺乏信息管理依據(jù)?，F(xiàn)在設(shè)備檢修，基本是各變電所輪著檢修，重要變電所多檢修一

次，由于缺乏設(shè)備的運行信息，不能有效掌握設(shè)備的異常情況，就造成檢修缺乏針對性和預見性。例如高防開關(guān)內(nèi)部真空斷路器每操作2000次就得潤滑、緊固、檢查調(diào)整開距和超行程，否則就可能出現(xiàn)合閘三相不同期甚至分合閘缺相等故障。真空斷路器短路跳閘30次就該更換真空管，如不更換分合閘時就有可能發(fā)生真空管爆炸事故。

（5）設(shè)備巡檢手段落后，現(xiàn)在巡檢就是看看外觀，聽聽有無異響，摸摸開關(guān)是否發(fā)熱。由于防爆開關(guān)是

封閉式的，上述手段很難發(fā)現(xiàn)開關(guān)的內(nèi)部異常。設(shè)備異常及事故主要是由于觸頭或接線柱接觸不良，發(fā)熱引起。但目前井下高低防開關(guān)還沒有內(nèi)部觸頭和接線柱的溫度監(jiān)測功能。

2.3 必要性

面對這種現(xiàn)狀，采區(qū)變電所進行設(shè)備升級，建立統(tǒng)一的自動化管理和信息平臺，提升綜合自動化水平，對減人提效，保障系統(tǒng)安全可靠運行是非常有必要的。

3 主要目標及技術(shù)經(jīng)濟指標

3.1 主要目標

高低防開關(guān)全部更換為組合開關(guān)，組合開關(guān)支持遠方和就地操作，并且開關(guān)小車可電動分合，支持遠方控制。組合開關(guān)配備綜合保護，并具備數(shù)據(jù)通信接口。綜合保護動作可靠，保護功能齊全，符合規(guī)程要求。

實現(xiàn)對井下變電所低壓供電設(shè)備的遠程監(jiān)視和監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、分合閘操作和視頻圖像顯示、視頻聯(lián)動、數(shù)據(jù)聯(lián)動、故障定位。而地面監(jiān)控主機對開關(guān)的參數(shù)修改和控制指令以及對監(jiān)視設(shè)備的的控制指令也通過工業(yè)網(wǎng)絡進行傳送，通過數(shù)據(jù)在中間網(wǎng)絡的雙向傳輸，實現(xiàn)“五遙”功能，即：遙測、遙信、遙調(diào)、遙控和遙視，實現(xiàn)變電所的無人值守。

實現(xiàn)采區(qū)變電所設(shè)備綜合信息化管理，能夠?qū)崿F(xiàn)短路電流計算、保護整定計算、電纜選擇、定值召喚與下發(fā);設(shè)備檢修信息管理;標志牌、圖紙更新打印。

實現(xiàn)對開關(guān)內(nèi)部關(guān)鍵部位的測溫管理，實時報警。

變電所信息Web發(fā)布，在礦辦公網(wǎng)可以通過web方式瀏覽。并支持手機端瀏覽，支持蘋果系統(tǒng)手機、安卓系統(tǒng)手機、微軟系統(tǒng)手機瀏覽采區(qū)變電所實時情況。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟指標

3.2.1 組合開關(guān)綜合保護

（1）采樣回路精確工作范圍及誤差

（2）元件定值誤差

電流元件定值誤差：<±2.5%;電壓元件定值誤差：<±2.5%。

時間元件：<±20ms;方向元件角度誤差：<±3度。

（3）整組動作時間

保護速動段的固有動作時間（包括繼電器固有時間）：1.2倍整定值時，不大于30ms。

（4）通訊接口

接口類型：CAN Bus（或RS485）、本安信號輸出。

通信速率：最大1Mbps（40m）。

通信距離：10Km（通信速率低于5Kbps）。

（5）保護功能

應具備速斷保護;過流保護;堵轉(zhuǎn)保護;過載保護;斷相及不平衡保護;過電壓保護;低電壓保護;漏電保護;漏電閉鎖;選擇性漏電保護;瓦斯閉鎖、風電閉鎖;TV斷線告警;故障錄波等保護功能。

3.2.2 變電所綜合自動化平臺

操作系統(tǒng)（win7以上系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)庫、編程語言等應為可靠性高、開放性好、易操作、易維護、安全、成熟的主流產(chǎn)品。軟件應有詳細的漢字說明和漢字操作指南。

軟件必須具有操作權(quán)限管理功能，對參數(shù)設(shè)置、控制等必須使用密碼操作，并具有操作記錄。

監(jiān)控后臺調(diào)出整幅畫面85%的響應時間應不大于2s，其余畫面應不大于5s。

遙測量綜合誤差不大于±0.5%，遙測傳送時間不大于4s;遙信動作率不小于99.9%，遙信變化傳送時間不大

于3s;遙控、遙調(diào)動作正確率100%，傳送時間不大于4s。

系統(tǒng)平均無故障工作時間應不小于800小時。

井下用防爆分站或交換機的防爆性能應符合GB 3836的規(guī)定，礦用一般型設(shè)備應符合GB 12173的規(guī)定。

系統(tǒng)備用電源在交流電源停電后，工作時間不少于4小時。

3.2.3 溫度監(jiān)測

溫度傳感器安裝后，必須保證電氣設(shè)備的爬電距離滿足規(guī)程要求。

測溫精度小于±1℃，溫度變換響應時間小于1分鐘，溫度傳感器使用壽命不低于10年。

4 預期研究成果及其形式

依托目前礦井的工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)井下采區(qū)變電所綜合自動化，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)采區(qū)變電所設(shè)備管理信息化，從而實現(xiàn)采區(qū)變電所無人值守。

5 技術(shù)難點及主要創(chuàng)新點

（1）高壓及低壓組合饋電開關(guān)在礦井變電所綜合自動化中的應用。

（2）不同開關(guān)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換與通信。

（3）利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行電力通信實時性與可靠性研究。

（4）在變電所綜合自動化平臺上進行設(shè)備管理信息化研究，特別是繼電保護整定計算軟件的研制，以及定值召喚與下發(fā)的實現(xiàn)研究。

（5）在防爆設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵部位實現(xiàn)實時在線測溫預警系統(tǒng)的研究。

6 推廣應用前景及經(jīng)濟、社會、效益分析

無人值守采區(qū)變電所的實現(xiàn)，不僅能取得良好的經(jīng)濟效益，還可以有效保障煤礦安全生產(chǎn)。

（1）減人提效，減少成本支出。目前我礦井下采區(qū)變電所每班有8人，三個班共24人，實現(xiàn)無人值守后，值守電工改為巡回檢查，每班可減少4人，共減少12人。按人均應收7萬估算，每年可減少84萬元工資支出。

（2）減少的人員可以充實到維修班中，解決目前檢修維護人員偏少的局面。

（3）通過前臺機可以方便的查看分析開關(guān)及系統(tǒng)的運行狀況，及時掌握系統(tǒng)異常情況，有針對性的進行超前檢修，減少事故發(fā)生。

（4）通過對跳閘信息的監(jiān)視，可以根據(jù)故障或跳閘信息，有選擇性的遠程恢復開關(guān)供電，減少停電對生產(chǎn)的影響，提高了效率，也保證了礦井正常生產(chǎn)和安全提高了效率。

（5）使得采區(qū)變電所設(shè)備管理實現(xiàn)信息化。

綜上所述對井下采區(qū)變電所進行無人值守改造，既可以達到減員增效，提高企業(yè)勞動生產(chǎn)效率的目的，又能及時清晰、全面、準確地掌握設(shè)備運行狀態(tài)，快速可靠地控制設(shè)備運行狀況，從而實現(xiàn)對井下采區(qū)變電所開關(guān)進行集中統(tǒng)一管理、安全生產(chǎn)的目的。

7 結(jié)論

目前國家電網(wǎng)已經(jīng)基本實現(xiàn)變電所無人值守化，變電所智能化、無人值守化是必然的發(fā)展趨勢。在我們煤礦企業(yè)，利用自動化手段，減人增效是發(fā)展的必由之路。煤炭企業(yè)特別是非新建礦井，由于自動化水平較低，井下供電設(shè)備情況參差不齊，新型開關(guān)與老舊開關(guān)并存，各種綜合保護通信協(xié)議不統(tǒng)一，實現(xiàn)變電所綜合自動化達到無人值守的目的存在一定難度。本項目的成功研究與實施，必然提升我礦的自動化水平，起到良好的示范作用，對相似礦井的采區(qū)變電所綜合自動化改造具有良好的推廣應用價值。

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