曹家灘煤礦智能供電綜合管控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

張鋁鎵

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719001)

煤礦智能化是煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐和必由之路[1]。曹家灘煤礦位于國家大型煤炭基地陜北榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模1 500萬t/a，服務(wù)年限72 a。該煤礦現(xiàn)有110 kV變電站1座，地面配電室/變電所10座，井下變電所3座，箱式變電站8座。

曹家灘煤礦對地面所有變/配電室以及井下變電所在原有基礎(chǔ)上進行了升級和綜合管控，通過“互聯(lián)網(wǎng)+電力調(diào)控”，本著新思路、新技術(shù)、新裝備理念，對曹家灘煤礦智能供電綜合管控系統(tǒng)進行設(shè)計與應(yīng)用。

1 智能供電綜合管控系統(tǒng)設(shè)計原則

(1)因地制宜，多措并舉。結(jié)合曹家灘煤礦供電系統(tǒng)的實際情況，充分利用現(xiàn)有智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)等技術(shù)資源，采用新建和改造相結(jié)合的方式，實現(xiàn)“調(diào)控一體化”。

(2)強化基礎(chǔ)，注重實用。加強基礎(chǔ)自動化建設(shè)和管理，變電站應(yīng)具備綜合自動化、支持遠程瀏覽功能，調(diào)度主站具備通過遠方終端、圖形網(wǎng)關(guān)等方式遠程查看變電站綜合自動化系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的能力；調(diào)度主站應(yīng)具備集中監(jiān)視與控制功能，并支持其他調(diào)度機構(gòu)、技術(shù)支持中心、檢修公司等通過遠程瀏覽方式巡視變電站工況；同時能夠存儲和管理遠程采集到的電量數(shù)據(jù)，并根據(jù)電網(wǎng)模型進行分析和匯總。

(3)數(shù)據(jù)優(yōu)化，告警直傳。充分利用變電站設(shè)備模型數(shù)據(jù)的完整性和冗余性，就地對實時數(shù)據(jù)、告警信息、設(shè)備狀態(tài)進行優(yōu)化處理，并將處理結(jié)果傳送至調(diào)控中心；能夠?qū)⒄{(diào)度指揮和電網(wǎng)分析所需、三相合相以及經(jīng)優(yōu)化精簡的遙測和遙信數(shù)據(jù)傳送給主站，并將設(shè)備監(jiān)控所需的三相分相告警信息實時傳送至主站系統(tǒng)；能夠同時滿足電網(wǎng)調(diào)度和設(shè)備監(jiān)控的需求，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、實時畫面、實時功能的“源端維護、全網(wǎng)共享”，減少全系統(tǒng)的總體維護工作量。

(4)遠程瀏覽，調(diào)控安全。變電站監(jiān)控信息，特別是變電站設(shè)備分相告警信息，經(jīng)分類優(yōu)化后直接接入調(diào)度控制系統(tǒng)，統(tǒng)一整合后提供給調(diào)度監(jiān)控值班人員。當出現(xiàn)設(shè)備告警后，調(diào)度監(jiān)控人員可通過遠程圖形終端直接瀏覽變電站內(nèi)完整的圖形和實時數(shù)據(jù)。所有遠方控制指令都應(yīng)采取身份認證等安全措施，變電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠安全接收并正確執(zhí)行調(diào)度控制指令。

(5)高度集成，安全可靠。電能量計量系統(tǒng)需通過基礎(chǔ)平臺獲取統(tǒng)一的電網(wǎng)模型參數(shù)，能夠與實時監(jiān)控模塊進行信息交互獲取測量的遙信數(shù)據(jù)，處理旁路替代與故障告警分析，準確、及時地反映出電網(wǎng)中上下網(wǎng)關(guān)口的電能量活動情況。能夠為電力市場、營銷管理等系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，保證結(jié)算、考核、線損管理、平衡分析、盈虧分析等業(yè)務(wù)的開展。

2 智能供電綜合管控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

智能供電綜合管控系統(tǒng)是將曹家灘煤礦地面所有變/配電室、箱式變壓器以及井下變電所的電力信息集成至全礦統(tǒng)一的電力監(jiān)控系統(tǒng)，搭建一體完整的防越級跳閘系統(tǒng)，增加地面變/配電所及變電站監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)，安裝繼電保護云平臺，以此實現(xiàn)全礦井的智能供電一體化監(jiān)控。

智能供電綜合管控系統(tǒng)采用分層分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)分為過程層、間隔層、調(diào)控層。變電所高低壓開關(guān)設(shè)備、配電站變壓器、礦用隔爆型移動變電站及其控制器為過程層。變電所各間隔的微機綜合保護裝置為間隔層，變電所的交換機及井下隔爆防越級信息交互交換機彼此相連組成光纖通信網(wǎng)，通信管理機及礦用隔爆電力監(jiān)控分站通過光纖網(wǎng)將各變電所的四遙(遙測、遙信、遙控、遙調(diào))信息傳至本地監(jiān)控系統(tǒng)，并統(tǒng)一接入礦調(diào)控系統(tǒng)。過程層和間隔層構(gòu)成站端層，現(xiàn)場總線、控制信號線構(gòu)成了過程層與間隔層的網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)、交換機構(gòu)成了間隔層與調(diào)控層的網(wǎng)絡(luò)。通信管理機、礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站、變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)為子站層，調(diào)度中心智能綜合管控系統(tǒng)為主站層，子站層和主站層構(gòu)成調(diào)控層。礦山智能供電綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能供電綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)

3 智能供電綜合管控系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 智能防越級跳閘功能設(shè)計

曹家灘煤礦智能防越級跳閘功能采用分布式區(qū)域保護原理[2-3]，即為各級保護建立信號聯(lián)系，當任何一級保護在檢測到短路故障時，迅速發(fā)出閉鎖信號，閉鎖其上一級保護，以將故障鎖定在最小跳閘范圍內(nèi)[4-5]。

當斷路器失靈時，上級保護可快速動作，母線故障可實現(xiàn)快速跳閘。區(qū)域保護適用于分支較多的配電網(wǎng)，解決保護電流定值無法滿足選擇性、電流保護時限級差無法配合等問題。分布式區(qū)域保護原理如圖2所示。

3.2 變電站監(jiān)測監(jiān)控功能設(shè)計

在各個變/配電所及變電站增加監(jiān)測監(jiān)控功能，實現(xiàn)可視化監(jiān)測監(jiān)控，變電站監(jiān)測監(jiān)控功能由能源管理模塊、智能巡檢機器人以及后臺軟件等部分組成。

3.2.1 能源管理模塊

地面及井下變/配電所增加電度表等相關(guān)設(shè)備，搭建能源管理模塊。該模塊具有電量統(tǒng)計功能，高壓保護器計量精度不低于0.5 s級，實現(xiàn)電量遠程自動抄錄和尖、峰、平、谷分時計量以及最大需量的抄錄[6-7]，可提供各單位、各設(shè)備任一時間段的用電情況，并自動生成班報、日報、月報、年報等多種形式報表。能源管理模塊界面如圖3所示。

圖3 能源管理模塊界面

3.2.2 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人的巡檢方式可以依靠巡檢點和指定路線進行[8-9]。當設(shè)備發(fā)生報警后，監(jiān)測監(jiān)控攝像頭本體可直接到達對應(yīng)的指定設(shè)備，攝像可360°自由旋轉(zhuǎn)，對監(jiān)測設(shè)備進行自動對焦，儀表讀數(shù)和指示燈狀態(tài)可清晰顯示。搭配拾音器進行聲音采集，通過配置對講機可實現(xiàn)語音交互，主控室的人員可通過語音指示智能巡檢機器人附近人員工作，且系統(tǒng)具備強大的擴展功能，可接入相關(guān)智能管控系統(tǒng)和泛在物聯(lián)網(wǎng)[10]，在完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)后，支持遠方Web訪問，遠方專家可直接同步現(xiàn)場音視頻及數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場聯(lián)合開展故障分析診斷，實現(xiàn)智力資源共享。地面變電所智能巡檢機器人工作場景如圖4所示，井下變電所智能巡檢機器人工作場景如圖5所示。

圖4 地面變電所智能巡檢機器人工作場景

圖5 井下變電所智能巡檢機器人工作場景

3.2.3 后臺軟件

后臺軟件功能包括集控特色功能和國網(wǎng)標準化后臺功能2個部分，并分別在集控Web服務(wù)端和標準化Web服務(wù)端實現(xiàn)。集控Web服務(wù)端和標準化Web服務(wù)端均與后臺軟件交互(ICE接口)且均使用1套數(shù)據(jù)庫(此數(shù)據(jù)庫與站內(nèi)數(shù)據(jù)庫保持一致)。集控Web服務(wù)端使用默認操作系統(tǒng)展示集控多站的概覽狀況及統(tǒng)計信息。同時，可通過選擇單個變電站進入標準化Web服務(wù)端展現(xiàn)國網(wǎng)標準化后臺界面，以完成標準化后臺功能交互。本監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)通過利用此后臺軟件以及采用B/S架構(gòu)，實現(xiàn)了對攝像頭監(jiān)控、巡檢任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行以及巡檢數(shù)據(jù)和站內(nèi)監(jiān)控數(shù)據(jù)實時上傳等有效管理。后臺軟件界面如圖6所示。

圖6 后臺軟件界面

3.3 供電系統(tǒng)故障診斷及預(yù)警功能設(shè)計

針對供電系統(tǒng)故障診斷及智能預(yù)警問題，采用特殊數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建設(shè)礦井電力系統(tǒng)故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)。

智能供電管控平臺提供故障的各方面分析依據(jù)及預(yù)警菜單，具有供電系統(tǒng)故障診斷和預(yù)警功能[11-15]。故障診斷流程如圖7所示，智能預(yù)警流程如圖8所示。

圖7 故障診斷流程

3.4 繼電保護云平臺

繼電保護云平臺具有智能繪圖、選型及計算功能，一是能夠通過“繪圖工具箱”的圖塊自動生成供電系統(tǒng)圖；二是能使用“選型”模塊對設(shè)備、電纜、變壓器、高低壓開關(guān)進行自動設(shè)置及計算；三是能在供電系統(tǒng)圖上自動計算及標注電纜編號、型號、開關(guān)編號、型號、整定值、末端二相短路電流及靈敏系數(shù)，以表格的形式自動生成各臺開關(guān)的編號、型號、整定值和末端二相短路電流和靈敏系數(shù)，以及各條電纜編號、型號、所帶負荷、長時載流量及電壓損失百分數(shù)等。繼電保護平臺界面如圖9所示。

圖9 繼電保護平臺界面

4 應(yīng)用效果

2022年4月，智能供電綜合管控系統(tǒng)開始試運行，現(xiàn)以運行的8個變電站為例，分別從人員和成本等方面進行年效益分析。

在傳統(tǒng)運維模式下，每個變電站為單獨值班，每天3班，每班2人，則每個變電站需要6人，8個變電站共需要48人，此外還需配15人進行機電搶修，總?cè)藬?shù)為63人。其中，人均工資按照8 000元/月計算，搶修費用按照80萬元/a計算，則運維成本為685萬元/a。

在智能供電綜合管控運維模式下，可將8個變電站分為2個區(qū)，由調(diào)度統(tǒng)一調(diào)控，每區(qū)3班，每班2人，則2個區(qū)需要12人，此外還需配1人進行運維調(diào)控，6人進行機電搶修，總?cè)藬?shù)為19人。其中，人均工資按照9 000元/月計算，搶修費用按照50萬元/a計算，則運維成本為255萬元/a。

對比2種運維模式，發(fā)現(xiàn)調(diào)控運維模式可減少人員44人，年節(jié)省人力達70%；節(jié)約成本430萬元，年節(jié)省成本62.7%。由此可見，智能供電綜合管控可以大大提高服務(wù)效率、降低運維成本。同時，該系統(tǒng)可對存在安全隱患的設(shè)備提前預(yù)警和處理，具有多角度、多平臺監(jiān)控和管理的智能運維模式，大大提高了供電的安全可靠性。此外，該系統(tǒng)實現(xiàn)的智慧能源數(shù)字化、精細化管理可配合制定中長期能源發(fā)展規(guī)劃，進行企業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)信息共享、資源共享，并與智慧城市建設(shè)接軌，建設(shè)節(jié)約型社會。

5 結(jié)語

智能供電綜合管控系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用，減少了技術(shù)人員現(xiàn)場運維成本和電力場所運維人數(shù)，實現(xiàn)了礦井所有變電所的無人值守目標，提高了電力系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，減少了大面積越級跳閘造成的停電次數(shù)。該系統(tǒng)提供了可靠的故障分析依據(jù)，減少了判斷故障發(fā)生時所需的時間，保障了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和電力相關(guān)涉及的技術(shù)人員安全。同時，該系統(tǒng)集中了電力調(diào)度能力，設(shè)備遠程操作直接降低了現(xiàn)場操作的危險，并且各獨立單元都具有閉鎖功能，減少了人員主觀誤操作的可能性，增加了對能源消耗方面的數(shù)據(jù)分析手段。