煤礦井下供電綜合自動化系統(tǒng)的設計應用*

鄧志超

(山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測中心，山西 太原 030045)

0 引 言

煤礦井下供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運行是保證采煤、掘進、傳送運輸?shù)戎匾O備安全穩(wěn)定工作及井下安全高效生產(chǎn)的基礎。目前井下機電設備種類增加，智能化程度日益提高，使得井下電網(wǎng)系統(tǒng)趨于復雜，供電系統(tǒng)的管理越來越困難，設計難度和工作量也不斷提升，電網(wǎng)參數(shù)計算的節(jié)點也大大增加，傳統(tǒng)的人工計算不僅計算量巨大，計算結果的可靠性較低。在井下每一個機電設備有改變，整個供電系統(tǒng)參數(shù)都需重新調(diào)整，傳統(tǒng)的計算方法無法實現(xiàn)快速和實時，供電系統(tǒng)安全性降低[1]。在供電系統(tǒng)圖繪制方面，傳統(tǒng)的人工手繪效率低、工作量大；采用CAD等通用軟件，由于缺少礦用機電設備專業(yè)符號，導致繪圖結果不標準等問題。

針對以上出現(xiàn)在井下供電系統(tǒng)設計中的問題，筆者設計了一種基于煤礦可視化軟件的井下供電綜合自動化系統(tǒng)，將系統(tǒng)劃分為各個不同的功能模塊，可實現(xiàn)供電參數(shù)、機電設備選型與整定、繼電保護整定等過程的精確計算[2]，解決了傳統(tǒng)井下供電系統(tǒng)中的一些實際問題。

1 系統(tǒng)設計總體方案

1.1 功能模塊設計

為方便進行系統(tǒng)的擴展及維護管理，系統(tǒng)采用模塊化設計思想，將整個系統(tǒng)按照功能劃分為5個模塊，每個模塊獨立完成相應的功能，互不影響。系統(tǒng)功能模塊的劃分與設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊設計示意圖

供電設計模塊需完成礦井電網(wǎng)供電計算、電器設備選型與校驗、繼電保護整定這三大任務[3]。其中供電計算包括變壓器需用容量計算、長時載流量計算、高低電纜電壓損失計算、變壓器電壓損失計算、短路電流計算、電動機工作端電壓計算和電動機啟動端電壓計算；電器設備的選型與校驗利用系統(tǒng)中嵌入的不同計算模型，通過計算機完成整個尋優(yōu)和參數(shù)化計算工作，其中包括對提升設備、電車、輸送機、空壓機、通風機、排水等設備的選型；繼電保護整定包含以下內(nèi)容：電磁啟動器選型整定、饋電開關選型整定、高壓配電開關選型整定、電鉆綜保整定和照明綜保整定。

電器設備參數(shù)庫管理模塊可實現(xiàn)電器設備參數(shù)庫的編輯和刷新，包括添加新數(shù)據(jù)、刪除過期數(shù)據(jù)、編輯現(xiàn)有數(shù)據(jù)等，并在內(nèi)部封裝了對電器設備參數(shù)庫的相關操作，通過ADO.NET方式進行訪問。

由于目前井下機電設備的種類繁多，更替更加頻繁，所以機電設備符號庫需要實現(xiàn)動態(tài)和開放，本系統(tǒng)中的機電設備符號管理模塊可以實現(xiàn)符號庫的更新和編輯，包括刪除過期設備符號、編輯現(xiàn)有設備符號、添加新的設備信號等，保證符號庫時刻處于最新狀態(tài)。

繪圖模塊可以通過機電設備的布置圖直接生成供電系統(tǒng)圖，可以直觀看到各類機電設備和電纜在實際中的空間位置關系，實現(xiàn)機電設備布置圖與供電系統(tǒng)圖的聯(lián)動，圖中所有涉及到的電器設備實體都儲存在List設備列表中。

系統(tǒng)的統(tǒng)計輸出模塊首先通過Word完成對輸出模板的編寫和排版，包括表格、標簽等格式，隨后將各類設備的參數(shù)通過程序?qū)肽０逯小Ｍ瑫r輸出模塊還可輸出報告，在供電設計完成后快速將設計報告輸出，輸出形式包括Word文檔和報表兩種方式。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括電器設備參數(shù)庫和機電設備符號庫兩類。系統(tǒng)的電器設備參數(shù)庫采用SQL Server軟件進行設計，通過篩選將與井下供電設計與計算相關的技術參數(shù)存儲至參數(shù)庫中，參數(shù)庫中包含礦用電機技術參數(shù)、礦用變壓器技術參數(shù)、礦用電纜技術參數(shù)、電磁起動器技術參數(shù)、電鉆綜保技術參數(shù)等，各類參數(shù)以數(shù)據(jù)表的形式保存。系統(tǒng)提供了用于訪問參數(shù)庫的接口，內(nèi)部采用ADO.NET技術對數(shù)據(jù)進行訪問和操作，當進行設計工作時，設備參數(shù)均從電器設備參數(shù)庫中。ADO.NET是由Microsoft公司開發(fā)的一種數(shù)據(jù)庫訪問技術，其中包含DataSet和.NET Framework兩個核心組件，DataSet是一個由多個行、列組成的內(nèi)存數(shù)據(jù)表的集合，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問；.NET Framework內(nèi)部包含Connection、Command、DataReader、DataAdapter四個核心對象，用于和數(shù)據(jù)源建立連接并執(zhí)行各種操作指令。

通用繪圖軟件中由于未設立礦用設備專用符號，制圖時存在不規(guī)范問題，本系統(tǒng)利用VRMine ActiveX庫中的圖元和組合設計了井下供電系統(tǒng)專用符號庫，庫中的所有符號設計均滿足國家煤炭行業(yè)最新的相關標準。在繪制供電系統(tǒng)圖時，將用到的機電設備符號從符號庫中拖出即可使用，部分機電設備的符號設計如圖2所示。

圖2 井下供電系統(tǒng)部分機電設備符號設計

2 井下供電系統(tǒng)建模

井下供電系統(tǒng)是一個由多種機電設備和電器連接關系組成的網(wǎng)絡，為了在計算機中對井下供電系統(tǒng)進行模擬仿真，首先需要將所有井下機電設備進行分類和建模，并實現(xiàn)電器關系的存儲和表達。根據(jù)機電設備的不同功能和使用場合，本系統(tǒng)將井下電器設備進行了分類，分類關系如圖3所示。

圖3 井下供電系統(tǒng)電器設備分類示意圖

分類完成后，本系統(tǒng)針對不同屬性的電器設備進行了實體模型建立，再將計算模型封裝入內(nèi)，這樣不僅滿足了電網(wǎng)參數(shù)計算的需求，還保證了各個設備間結構的獨立性，便于系統(tǒng)維護升級。系統(tǒng)的開發(fā)工具選擇VRMine 數(shù)字井下軟件系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境選擇Visual Studio 2018，開發(fā)語言選擇C#4.0，在VRMine中可通過C語言編程實現(xiàn)井下各類設備的建模，包括所有井下電器設備類的模型設計、配電設備類的模型設計、電源類模型的設計、變壓器類模型的設計、電機類模型的設計。

3 系統(tǒng)軟件方案設計

井下供電設計工作前，要先通過繪圖模塊完成供電系統(tǒng)圖的繪制，并明確各個設備間的拓撲關系；然后系統(tǒng)設置電源輸出電壓、短路容量用于確定高壓系統(tǒng)所有電器設備的額定電壓，設置變壓器系統(tǒng)額定電壓用于確定低壓系統(tǒng)所有電器設備的額定電壓；在設置好電動機參數(shù)后，負荷統(tǒng)計用于完成變壓器的選型；不同電壓等級的電纜由系統(tǒng)根據(jù)確定好的拓撲關系自動選擇；短路電流的計算用于校驗繼保設備的靈敏度以及電器設備的熱穩(wěn)定性。在完成繼保設備整定后，系統(tǒng)將計算結果統(tǒng)計并輸出，這是整個系統(tǒng)實現(xiàn)礦井供電設計的全部流程，如圖4所示。

圖4 井下供電設計實現(xiàn)的總體流程

4 系統(tǒng)運行效果

通過在實驗室搭建的系統(tǒng)測試平臺對本文設計的井下供電綜合自動化系統(tǒng)進行了測試運行，測試了負荷統(tǒng)計、電纜自動選擇、短路電流計算等功能。最終系統(tǒng)試運行效果良好，實現(xiàn)了井下供電設計的綜合一體化，系統(tǒng)操作方便、功能較全，符合實際使用需求。

圖5為系統(tǒng)的負荷統(tǒng)計界面，首先設置系統(tǒng)的額定電壓，需用系數(shù)可通過手動輸入設置，工作面?zhèn)€數(shù)也可自由選擇，最后通過需用容量完成變壓器的選型。

圖5 負荷統(tǒng)計界面 圖6 電纜選型界面

圖6為系統(tǒng)的電纜選型界面，首先將電纜按照電壓等級分為高壓、低壓電纜，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部存儲的設備拓撲關系自動判定電纜的電壓等級，同時開課計算出電纜的長時載流量以及電纜工作時的電壓損失。

圖7為系統(tǒng)的電磁啟動器選型界面，通過系統(tǒng)內(nèi)部存儲的不同型號電機參數(shù)可計算出電機實際功率、負荷電流、長時工作電流以及實際整定電流等參數(shù)，以此為原則即可從型號列表框中選擇滿足條件的電磁啟動器。

圖7 電磁啟動器選型界面

5 結 語

所設計的基于煤礦可視化軟件的井下供電綜合自動化系統(tǒng)，通過模塊化的思想將離散型的井下供電設計進行整合，通過該系統(tǒng)解決了電網(wǎng)參數(shù)計算、供電系統(tǒng)圖繪制、井下設備選型與整定、統(tǒng)計結果顯示與設計報告輸出等功能的綜合一體化問題，具有一定推廣價值。