智能化控制裝置在礦井電氣工程中的應(yīng)用研究

孫玉民

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司物資供應(yīng)中心， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

隨著煤礦井下各類供電設(shè)備的不斷增多，對供電電流的穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越高，因此煤礦井下供電裝置的運(yùn)行安全性越來越成為人們關(guān)注的核心。為了滿足井下智能化供電的需求，各類供電裝置需要滿足供電精確性、故障識別快速性、故障定位準(zhǔn)確性和供電監(jiān)測自動性的需求。而目前多數(shù)礦井的供電裝置智能化控制和故障監(jiān)測系統(tǒng)落后，只能對比較簡單的故障進(jìn)行判斷和處理，反應(yīng)速度慢、智能化程度低，無法對異常點(diǎn)和異常原因進(jìn)行精確定位，一旦發(fā)生故障只能由工作人員逐級進(jìn)行排查，效率低、準(zhǔn)確性差，已經(jīng)無法滿足越來越龐大和精細(xì)的礦井供電運(yùn)行安全需求。

1 智能控制裝置整體結(jié)構(gòu)

為了滿足井下供電裝置智能化控制的需求，提出了一種新的智能控制裝置，采用“兩層一網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)形式，將過程層設(shè)備、互感器、保護(hù)測控裝置等融合到間隔層設(shè)備單元內(nèi)，其整體構(gòu)架如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該智能供電裝置內(nèi)，集控中心（智能控制裝置）是整個智能供電裝置的核心，用于控制整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，保護(hù)測控裝置主要用于根據(jù)控制系統(tǒng)的指令來對相關(guān)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制操作，同時將各控制裝置的處理結(jié)論和數(shù)據(jù)匯總到集控中心，實(shí)現(xiàn)智能供電裝置的聯(lián)合控制，為了滿足在井下惡劣環(huán)境中控制穩(wěn)定性的需求，數(shù)據(jù)交換機(jī)采用了光纖交換機(jī)，各設(shè)備均滿足防爆安全等級，確保整個智能控制裝置的使用安全性。

2 集控中心硬件架構(gòu)

基于該智能控制裝置的控制需求，集控中心的整體架構(gòu)如圖2 所示[2]。

由圖2 可知，該控制裝置能夠通過測試傳感器獲取到系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息并傳遞到控制中心，整個過程完全通過系統(tǒng)自動控制，對于出現(xiàn)的故障系統(tǒng)能匹配到自動處理方案，會自動發(fā)出調(diào)節(jié)指令信號給相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。對于無法匹配到故障處理方案，則發(fā)出報警信息并標(biāo)定故障類型、故障位置等，為操作人員提供信息，便于故障的快速識別和處理。

由于控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息量大、類別多，傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式無法滿足瞬時海量的數(shù)據(jù)處理需求。通過大量的數(shù)據(jù)分析，決定采用模糊控制邏輯，該控制系統(tǒng)主要包括輸入數(shù)據(jù)模糊化處理、數(shù)據(jù)信息的模糊化推理及數(shù)據(jù)的精細(xì)化輸出，模糊控制系統(tǒng)的核心為模糊控制器，能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的全流程控制，結(jié)構(gòu)簡單、精確度高。

3 保護(hù)測控裝置硬件結(jié)構(gòu)

保護(hù)測控裝置是智能供電網(wǎng)絡(luò)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，結(jié)合供電保護(hù)安全需求，所提出的保護(hù)測控裝置硬件結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示，圖中ADC 為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、GPIO 為通用輸入、輸出接口，F(xiàn)SMC 為靈活靜態(tài)存儲控制器，SDIO 為安全數(shù)字輸入輸出卡，USART 為通用同步/異步串行接收/發(fā)送器[3]。

由圖3 可知，該保護(hù)測控裝置中主要包括液晶顯示屏、電源模塊、串口通信模塊和繼電器驅(qū)動電路等，能夠?qū)崿F(xiàn)對供電網(wǎng)絡(luò)供電安全性的有效防護(hù)，避免井下供電故障影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行穩(wěn)定性。

在該系統(tǒng)中還設(shè)置有隔爆開關(guān)綜合保護(hù)裝置，用于對系統(tǒng)進(jìn)行短路保護(hù)、接地保護(hù)及過壓保護(hù)等，同時系統(tǒng)還具有故障數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)收蠑?shù)據(jù)進(jìn)行記錄，便于后續(xù)進(jìn)行快速故障定位和供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性的判斷，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該隔爆開關(guān)綜合保護(hù)裝置，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行故障率降低80%以上，對確保供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有十分重要的意義。綜合保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示[4]。

4 防越級跳閘智能控制

由于煤礦井下供電路線的距離較短，因此當(dāng)出現(xiàn)故障后無法快速對短路故障進(jìn)行切斷，進(jìn)而導(dǎo)致大范圍的越級跳閘事故，給井下用電設(shè)備的供電安全造成了極大的影響。當(dāng)出現(xiàn)大范圍越級跳閘事故后，需要耗費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行故障排除，無法滿足井下智能化綜采的控制需求。因此在智能控制系統(tǒng)中增加了防越級跳閘控制模塊。

該模塊采用了電流縱聯(lián)差動保護(hù)方案，主要是利用光纖網(wǎng)絡(luò)把供電線路上方和下方的綜合保護(hù)裝置進(jìn)行連接，然后對電網(wǎng)供電過程中上游和下游保護(hù)裝置處的電流值和電流相位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對供電線路的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。該電流縱聯(lián)差動保護(hù)方案，能夠在極短的時間內(nèi)對電網(wǎng)的故障位置和故障范圍進(jìn)行判斷，然后對保護(hù)裝置進(jìn)行快速保護(hù)，避免故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。該電流縱聯(lián)差保護(hù)原理如圖5 所示[5]。

以圖5 為例，當(dāng)短路故障發(fā)生在K 位置時，則線路后端的保護(hù)裝置QF1 和QF2 處的電流均為0 A，位移K 點(diǎn)上游的保護(hù)裝置QF3 內(nèi)的電流此時為異常電流，系統(tǒng)自動對QF2、QF3 內(nèi)的電流進(jìn)行監(jiān)測然后獲取其電流差。由于此時QF2 處的電流為零，此時的電流差和QF3 處的電流值基本是一致的，因此系統(tǒng)自動判斷該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了供電異常事故，自動控制保護(hù)裝置3 跳閘，避免故障向電路的上方擴(kuò)大。

系統(tǒng)同時對其他保護(hù)裝置之間的電流進(jìn)行監(jiān)測，以保護(hù)裝置QF4、QF5 之間的電路為例，當(dāng)正常情況下，兩者之間的電流一致，因此電流差基本為0，系統(tǒng)自動判斷兩者之間的線路無異常，防止了保護(hù)裝置QF4 和保護(hù)裝置QF5 處的越級跳閘保護(hù)。

5 智能控制裝置軟件架構(gòu)

供電智能控制裝置應(yīng)該滿足對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測、對運(yùn)行故障的及時識別和報警、對故障位置的準(zhǔn)確定位和調(diào)整功能，因此該智能控制系統(tǒng)主要包括了智能監(jiān)測模塊、故障快速識別及定位模塊、運(yùn)行控制和自動調(diào)整模塊三個部分。

5.1 智能監(jiān)測模塊

智能監(jiān)測模塊是將監(jiān)測和智能控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要用于對供電裝置中發(fā)電機(jī)組、變壓器機(jī)組、直流電控制系統(tǒng)、高壓用電系統(tǒng)、低壓用電系統(tǒng)和發(fā)電保護(hù)系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，將監(jiān)控數(shù)據(jù)通過CAN 總線傳遞到系統(tǒng)控制主機(jī)內(nèi)，通過與正常運(yùn)行信號進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷[6]。該智能監(jiān)測模塊能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和傳遞，保證將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息完整、直觀地顯示到監(jiān)控中心，便于操作人員及時掌握供電裝置的運(yùn)行情況，該智能監(jiān)測系統(tǒng)邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖6 所示[7]。

5.2 故障快速識別及定位模塊

故障快速識別及定位模塊能夠快速對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷和定位，給出系統(tǒng)故障原因和參考性的處理方案，并將相關(guān)信息反饋到監(jiān)控終端上，便于維修人員及時進(jìn)行處理，有效縮短了故障定位和排查的時間，降低對供電安全性的影響。該故障快速識別及定位模塊邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖7 所示[8]。

該控制系統(tǒng)在工作時，主要依靠智能識別判斷的理論，在進(jìn)行判別邏輯構(gòu)建時，就把各監(jiān)測參數(shù)的正常運(yùn)行范圍輸入到判別邏輯庫內(nèi)。在運(yùn)行過程中，智能控制系統(tǒng)在獲取到數(shù)據(jù)信息后就和邏輯庫內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較。若在正常的范圍內(nèi)，則系統(tǒng)判定正常。若超出故障范圍并持續(xù)超過一定時間，則系統(tǒng)就判定發(fā)生了故障，并及時進(jìn)行定位和報警。

5.3 運(yùn)行控制及自動調(diào)整模塊

運(yùn)行控制及自動調(diào)整模塊主要是對系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行分級判定，自動匹配處理方案后自動對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對故障的自動修復(fù)，同時形成修復(fù)日志，便于維護(hù)人員根據(jù)修復(fù)日志指定設(shè)備維護(hù)管理計(jì)劃，提高設(shè)備運(yùn)行安全性。同時為了滿足該自動控制裝置的智能化控制需求，在系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置有自主學(xué)習(xí)和控制邏輯，能夠自主學(xué)習(xí)新出現(xiàn)的故障類型并記錄處理方法，不斷完善數(shù)據(jù)庫，提升自主調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常的能力，滿足無人化的智能控制需求。

該裝置自應(yīng)用以來，統(tǒng)計(jì)6 個月內(nèi)的運(yùn)行情況，共出現(xiàn)預(yù)警故障1 次，平均排除時間為5 min，排查優(yōu)化前6 個月內(nèi)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)預(yù)警故障10 次，平均下降了90%，排除故障的平均時間約為37.4 min。

6 結(jié)論

為了解決目前煤礦井下供電裝置自動化控制程度低下、安全性差的故障，提出了一種新的智能控制裝置，能夠通過人工智能算法實(shí)時獲取各井下供電設(shè)備的工作狀態(tài)信息，將其與系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對比，快速識別出異常參數(shù)并報警。實(shí)際應(yīng)用表明：

1）智能控制裝置主要包括了智能監(jiān)測模塊、故障快速識別及定位模塊和運(yùn)行控制和自動調(diào)整模塊三個部分。

2）控制系統(tǒng)采用采用模糊控制邏輯，能夠滿足瞬時海量的數(shù)據(jù)處理需求，同時具有自主學(xué)習(xí)功能，可以不斷完善數(shù)據(jù)庫，提升自主調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常的能力，滿足無人化的智能控制需求。

3）電流縱聯(lián)差動保護(hù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)故障的快速定位和分析，確保防越級跳閘的可靠性和穩(wěn)定性。

4）采用該系統(tǒng)后能夠?qū)⒐收下式档土?0%以上，將故障處理時間降低88.3%以上，顯著提升供電安全性。