煤礦一體化智能電力調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

摘要：傳統(tǒng)的煤礦智能供電系統(tǒng)依托于礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，延時高、穩(wěn)定性差。隨著煤礦智能化建設(shè)高速發(fā)展，智能供電系統(tǒng)的重要性日益凸顯，本文介紹了基于PCS-9000平臺開發(fā)的煤礦一體化智能電力調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用情況，項目建設(shè)中通過升級改造，形成了下南、北翼專用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了礦井井上、下一體化電力監(jiān)控、井上、下保護裝置集中統(tǒng)一授時、主變電所的熱成像溫度監(jiān)視等功能。項目應(yīng)用于兗礦能源濟寧二號煤礦，取得顯著效果。

關(guān)鍵詞：煤礦;電力調(diào)度;智能化

兗礦能源濟寧二號煤礦通過自主施工升級改造，更換主要變電所微機保護測控柜及智能高壓柜，更換統(tǒng)一型號高防開關(guān)保護裝置，統(tǒng)一低防開關(guān)及照明綜合保護裝置通信協(xié)議，敷設(shè)供電監(jiān)控專用光纜3萬米，搭建了PCS-9000電力調(diào)度平臺，建成基于PCS-9000的井上下一體化電力調(diào)度系統(tǒng)和防越級跳閘系統(tǒng)。井下采用南、北翼專用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，110kV變電所、中央變電所采用AB雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)供電專網(wǎng)，實現(xiàn)了一體化電力監(jiān)控、裝置集中統(tǒng)一授時、主變電所的熱成像溫度監(jiān)視等功能。系統(tǒng)建成后運行穩(wěn)定，智能化建設(shè)效果顯著。

一、系統(tǒng)硬件

在建設(shè)系統(tǒng)時，為高壓開關(guān)統(tǒng)一更換了PCS系列保護器和帶有通信功能的電能表，每個變電所增加1臺監(jiān)控分站，重要采區(qū)變電所額外增加了1臺防爆UPS，另外還增設(shè)了溫度傳感器、煙霧傳感器等環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。

（一）綜合保護裝置

井下采區(qū)變電所高防開關(guān)全部采用PCS-9639綜合保護裝置，該適用于煤礦井下6kV/10kV電壓等級高壓防爆開關(guān)的保護裝置。裝置通過常規(guī)電磁式互感器采集模擬量。支持IEC61850、IEC60870-5-103、Modbus RTU、Modbus TCP等通信規(guī)約。

中置式開關(guān)柜使用的PCS-9611線路保護裝置適用于110kV以下電壓等級的非直接接地系統(tǒng)或小電阻接地系統(tǒng)中的線路保護及測控，用于井下中央變電所和地面變電所高壓開關(guān)柜。裝置通過常規(guī)電磁式互感器采集模擬量，支持IEC61850規(guī)約。

保護裝置保護具備防越級速斷保護、三段過流保護、兩段負序過流保護、接地保護、過負荷保護、電壓保護、2路非電量保護、電纜絕緣監(jiān)視保護、故障錄波等功能。

（二）電力監(jiān)控分站

采區(qū)變電所使用防爆型電力監(jiān)控分站，主要元器件包括一臺RCS-9786通信裝置，1-3臺PCS-9882以太網(wǎng)交換機，1臺NR3311電源轉(zhuǎn)換模塊，1個DCH141鎳氫電池組。中央變電所使用礦用一般型監(jiān)控分站，主要元器件包括1臺RCS-9786通信裝置，四臺PCS-9882以太網(wǎng)交換機，2臺220VAC/24VDC電源。

PCS-9882系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機有多種型號，配置有數(shù)量不同的百兆、千兆光口，可根據(jù)實際需要選配。光口相應(yīng)配置支持熱插拔百兆或千兆的SFP光模塊，鑒于智能化供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大的特點，系統(tǒng)全部選用千兆光口和千兆光模塊。RCS-9786通信管理機即規(guī)約轉(zhuǎn)換器，功能是將通過Modbus RTU等通訊規(guī)約傳來的信息進行轉(zhuǎn)換，并將該信息通過以太網(wǎng)或串口的方式送給控制中心，同時接收控制中心的指令，并迅速傳遞給智能設(shè)備。

防爆分站內(nèi)的電池容量為10000mAh，外部電源失電后可以保證監(jiān)控分站2h的不間斷供電，另可以根據(jù)需要選用額外的防爆UPS電源。采區(qū)變電所高防開關(guān)控制電源和合閘電源取自本體PT，分站由電池保證不間斷供電，變電所高壓進線來電，即可遠程恢復(fù)供電。中央變電所采用“直流屏+逆變電源”的方式為監(jiān)控分站供電，高壓開關(guān)柜的控制電源和合閘電源由直流屏供電，可實現(xiàn)遠程恢復(fù)供電。系統(tǒng)建設(shè)后，井下變電所無人狀態(tài)，也可從地面逐級恢復(fù)井下各變電所供電。防爆電力監(jiān)控分站，如圖1所示。

（三）總控裝置及集中授時系統(tǒng)

系統(tǒng)采用PCS-9799總控裝置用于數(shù)據(jù)采集、規(guī)約轉(zhuǎn)換、遠程通信以及GPS時鐘同步。對下通過網(wǎng)絡(luò)或串口方式接入全站測控單元、保護裝置以及智能電子設(shè)備，對上通過模擬通道、數(shù)字通道或網(wǎng)絡(luò)向集控站傳送，同時接收集控站的遙控、遙調(diào)命令向變電站內(nèi)設(shè)備傳遞。

PCS-9799M的運行既可作為常規(guī)遠動裝置獨立于后臺監(jiān)控系統(tǒng)，也可直接將數(shù)據(jù)傳遞后臺。

系統(tǒng)使用NR1145網(wǎng)絡(luò)授時插件，該插件支持外部GPS、北斗授時，可以根據(jù)實際需要選擇授時模塊雙重配置（雙GPS或GPS、北斗各配置一個）。NR1205A是建立在UAPC平臺上設(shè)計的標準RS-485差分擴展輸出插件，該插件有七路串口輸出，分兩組（COM1-COM4和COM5-COM7），用于對時擴展裝置，提供脈沖和IRIG_B對時信號擴展輸出。

二、專用網(wǎng)絡(luò)搭建

（一）所內(nèi)網(wǎng)絡(luò)

高防開關(guān)保護器PCS-9639通過網(wǎng)線連接至監(jiān)控分站內(nèi)PCS-9882交換機，如圖2所示。

低防開關(guān)、電能表、煙霧傳感器、溫度傳感器等具有Modbus通信功能的設(shè)備通過RS485通信線接入RCS-9786通信管理機，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，網(wǎng)線接入PCS-9882交換機。同一分站內(nèi)PCS-9882交換機之間通過網(wǎng)線連接后，通過光纖與其他分站之間進行通信。

（二）系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)

變電所之間架設(shè)專用供電通信光纜。井下采區(qū)采用南、北翼雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以北翼環(huán)網(wǎng)為例，從中央變電所同時向北翼敷設(shè)2根6芯光纜，一根至四采變電所，一根至北翼二采2#變電所后返回至四采變電所；110kV變電所、中央變電所采用AB雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每臺設(shè)備出2根網(wǎng)線，至不同的交換機，一用一備；中央變電所交換機與地面110kV交換機之間采用主、從兩根光纜進行通信。

通過專用網(wǎng)絡(luò)搭建，降低網(wǎng)絡(luò)中斷可能性，提高了供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性。降低網(wǎng)絡(luò)延遲，提高信息和命令傳輸?shù)臅r效性，實現(xiàn)了供電通信網(wǎng)絡(luò)與礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)之間的物理隔離，保證供電監(jiān)控系統(tǒng)的獨立性、可靠性、安全性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置如圖3所示。

三、智能巡檢系統(tǒng)

（一）室內(nèi)智能巡檢機器人

主要變電所配備一臺循環(huán)充電式智能巡檢機器人，通過預(yù)定軌道、設(shè)置巡檢點等設(shè)置，對高壓室51臺開關(guān)柜1746個巡視點進行全方位精細化監(jiān)測，包括開關(guān)狀態(tài)、運行狀態(tài)、工作指示燈、各轉(zhuǎn)換開關(guān)位置、保護裝置狀態(tài)、溫度、濕度、噪聲等，通過圖像視覺分析，在后臺形成監(jiān)測結(jié)果。

（二）智能測溫系統(tǒng)

主變電所室外采用3臺雙光譜紅外熱成像儀對室外110kV級設(shè)備進行自動測溫巡檢，實時對室外設(shè)備進行巡檢、紅外監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常及發(fā)熱部位。下井8根高壓電纜中間接頭安設(shè)有源無線溫度傳感器，通過集中顯示監(jiān)測裝置傳輸至監(jiān)控后臺顯示。能夠?qū)崟r監(jiān)測電纜接頭溫度變化，超過預(yù)警值自動報警，并生成溫度曲線，根據(jù)曲線變化預(yù)判電纜接頭缺陷。

高壓開關(guān)柜布置無線感應(yīng)式溫度傳感器，進線及聯(lián)絡(luò)采用6點測溫，饋線采用9點測溫。實時對高壓柜內(nèi)斷路器上下觸頭母排連接、負荷電纜壓接處進行溫度監(jiān)測。實現(xiàn)超溫報警，及時研判由于接觸不良等原因造成的過熱故障。智能巡檢系統(tǒng)如圖4所示。

四、系統(tǒng)功能

（一）“四遙”功能

通過系統(tǒng)搭建實現(xiàn)了井下一體化的電力調(diào)度及監(jiān)控，系統(tǒng)將PCS-9700變電所監(jiān)控系統(tǒng)同步組態(tài)，實現(xiàn)主變電所精確監(jiān)控，井下變電所集中調(diào)度功能，具備運行數(shù)據(jù)監(jiān)測量、電量集中抄表、定值召喚修改、位置狀態(tài)監(jiān)視、開關(guān)遠程分合功能。

遠程分合系統(tǒng)增加了系統(tǒng)摘掛牌功能，當(dāng)前對象為設(shè)備前景時，可以進行掛牌，對牌進行編輯，實現(xiàn)添加編號、人工注釋、有效計時、實際功能編輯等功能。

系統(tǒng)還可以對所有故障進行錄波查看分析，雙擊本地已存在的波形，可打開波形分析工具，顯示對應(yīng)波形的詳細信息。具備本地檢索召喚列表召喚波形、波形分析、本地檢索等實用功能，便于技術(shù)人員通過錄波分析系統(tǒng)故障、查找防范缺陷。

系統(tǒng)還具備軟件五防功能，開關(guān)手車分合以及接地刀分合存在內(nèi)部邏輯，為五防功能提供了雙重保險。系統(tǒng)還提供了PCS-PC5定值快速查看修改工具，便于技術(shù)人員快速準確核對、修正系統(tǒng)的全部定值。此外，系統(tǒng)具備良好的擴展性，SCADA系統(tǒng)可以擴充圖形編輯，在負荷變更、開關(guān)增減時快速編輯，符合現(xiàn)場需求。

（二）防越級功能

很多大型煤礦供電系統(tǒng)目前普遍采用多級串供模式，存在雙回串供的形式，保護配置多為單一的過流保護，一方面過流保護時間級差難以配合，整定困難，越級跳閘問題嚴重，保護的選擇性與速動性的矛盾始終無法解決；另一方面具體表現(xiàn)在無法快速切除變電所環(huán)網(wǎng)母線故障且保護靈敏性不足。采用數(shù)字化變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在傳統(tǒng)保護配置方案的基礎(chǔ)上，增加GOOSE防越級跳閘速斷保護功能，參與防越級跳閘邏輯閉鎖的所有保護裝置連接到站控層GOOSE網(wǎng)絡(luò)中，裝置間利用該GOOSE網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)跳閉鎖信息交互，保護測控裝置支持圖形化組態(tài)和插件可配置功能。本系統(tǒng)建設(shè)中通過一體化的供電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實現(xiàn)采區(qū)變電所→中央變電所→110kV變電所的GOOSE防越級跳閘功能。

五、結(jié)論

兗礦能源濟寧二號煤礦通過自主施工升級改造，搭建了PCS-9000電力調(diào)度平臺，建成基于PCS-9000的電力調(diào)度系統(tǒng)。其中，顯著特征是井下獨立雙環(huán)專用供電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和基于61850規(guī)約的一體化電力監(jiān)控功能的實現(xiàn)，解決了傳動電力監(jiān)控系統(tǒng)依托礦區(qū)工業(yè)環(huán)網(wǎng)所帶的一系列網(wǎng)絡(luò)問題，系統(tǒng)兼容性好、穩(wěn)定性強，各煤礦可推廣應(yīng)用。

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作者簡介：史凱（1986），男，山東省濟寧市人，碩士，工程師，研究方向為礦井機電系統(tǒng)自動控制及智能化系統(tǒng)。