煤峪口礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

韓 旭

（晉能控股集團(tuán)煤峪口礦，山西 太原 037000）

1 概況

煤峪口礦井田含煤地層為侏羅系大同組，目前在采6 號煤層，該煤層厚度2.45～13.84 m，最大傾角為12°，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法開采，頂板采用全部垮落處理。煤礦井下用電設(shè)備多、供電系統(tǒng)復(fù)雜，采用多級短電纜組成干線式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行供電[1]，供電保護(hù)系統(tǒng)則為短路保護(hù)與階段式電流保護(hù)結(jié)合的方式，各段線路首末端間短路電流幅值無法精確測算[2]，因此傳統(tǒng)的電流整定級差保護(hù)方式不能保證各級開關(guān)電流速斷保護(hù)有效配合，經(jīng)常會出現(xiàn)越級跳閘狀況[3]。2021 年煤峪口礦將供電保護(hù)系統(tǒng)按照定時(shí)限過電流保護(hù)模式進(jìn)行重新配置，雖然在一定程度上保證了跳閘的選擇性和靈敏性，但由于供電系統(tǒng)層級復(fù)雜，繼電器本身具有時(shí)間靈敏度要求，導(dǎo)致中間時(shí)間差太小，進(jìn)而出現(xiàn)故障不跳閘現(xiàn)象，供電保護(hù)系統(tǒng)功能性受到抑制[4]。因此研究一套適應(yīng)煤峪口礦供電工況的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)，對供電安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 井下電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于煤礦井下用電工況設(shè)計(jì)的電力監(jiān)控系統(tǒng)共分為井上電力監(jiān)控主站、井下電力測控分站以及高開綜合保護(hù)器三個(gè)系統(tǒng)層級。其中，高開綜合保護(hù)器內(nèi)配置先進(jìn)數(shù)字式礦用綜合保護(hù)裝置，配合礦用隔爆型電流保護(hù)控制器和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，利用零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)避免保護(hù)系統(tǒng)的越級跳閘問題。

2.1 監(jiān)控主站

井下電力系統(tǒng)監(jiān)控主站核心硬件為數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信系統(tǒng)以及監(jiān)控工作站。數(shù)據(jù)服務(wù)器是系統(tǒng)監(jiān)控終端采集的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制過程的運(yùn)算數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的主要儲存硬件[5]，同時(shí)也是系統(tǒng)的Web 服務(wù)器，設(shè)置兩臺，互為備用；通信系統(tǒng)為監(jiān)控工作站從數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)據(jù)交換、規(guī)約轉(zhuǎn)換、通道監(jiān)視等提供渠道[6]；監(jiān)控工作站對系統(tǒng)監(jiān)控原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理，對井下電網(wǎng)運(yùn)行工況監(jiān)視，通過邏輯運(yùn)算和程序控制進(jìn)行開關(guān)動作指令的發(fā)出，系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)直接顯示在監(jiān)控工作站平臺，操作人員可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印等交互作業(yè)。軟件架構(gòu)如圖1。

圖1 監(jiān)控主要集成軟件平臺功能架構(gòu)圖

1）數(shù)據(jù)管理功能

軟件采用DL451-91 和MODBUS 通信協(xié)議能夠動態(tài)定義通信口和參數(shù)，并實(shí)時(shí)更新內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，是軟件人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)SCADA功能的數(shù)據(jù)來源。硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸采用以太網(wǎng)形式，保證數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)傳輸容量。

2）組態(tài)功能

系統(tǒng)組態(tài)功能包含有人機(jī)界面監(jiān)控界面的組態(tài)、數(shù)據(jù)報(bào)表的組態(tài)以及通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)點(diǎn)表的組態(tài)。監(jiān)控界面的組態(tài)通過電力專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖元、監(jiān)測控制儀表圖形等在上位機(jī)根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控需求設(shè)計(jì)的可以直觀展現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測、控制元器件狀態(tài)和實(shí)時(shí)運(yùn)行工況的界面，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)動態(tài)實(shí)時(shí)更新，操作者還可以通過監(jiān)控界面進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)修改、控制指令發(fā)出等操作。數(shù)據(jù)報(bào)表為EXCEL 表格格式，對系統(tǒng)監(jiān)測的時(shí)段內(nèi)電力電量、各級開關(guān)變位次數(shù)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的顯示，且能夠自定義運(yùn)算公式，提升電力監(jiān)控拓展性。通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)點(diǎn)表組態(tài)可以對通信口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對通信規(guī)約進(jìn)行設(shè)定，并設(shè)定系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的交互提供控制邏輯。

3）報(bào)警功能

報(bào)警子系統(tǒng)為相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，在監(jiān)控值超過閾值達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，主控制系統(tǒng)自動調(diào)用報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警。鑒于井下供電特殊性，報(bào)警功能按照不同故障工況分為三個(gè)等級：嚴(yán)重、一般、輕微。報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，上位機(jī)自動彈出報(bào)警界面，顯示優(yōu)先級為最高，顯示內(nèi)容為報(bào)警類型、報(bào)警內(nèi)容以及故障點(diǎn)等主要信息，界面報(bào)警燈閃爍，直到操作人員人為確認(rèn)。報(bào)警閾值可以通過人機(jī)界面在線修改，但各項(xiàng)報(bào)警值設(shè)定范圍由系統(tǒng)管理員設(shè)定，操作人員只能在設(shè)定范圍內(nèi)修改報(bào)警參數(shù)。

4）故障錄波分析

系統(tǒng)的錄波通道有各開關(guān)狀態(tài)、監(jiān)測點(diǎn)位三項(xiàng)電流電壓以及保護(hù)系統(tǒng)電壓和電流等，操作人員能夠在上位機(jī)進(jìn)行錄播通道篩選，并對波形進(jìn)行放大和縮小操作，波形圖上任意位置均對應(yīng)特定數(shù)值的有效數(shù)據(jù)和時(shí)間信息等。通過故障錄波分析功能可以定位故障點(diǎn)、故障持續(xù)時(shí)間和故障類型。

2.2 監(jiān)控分站

監(jiān)控分站除了對電力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集外，最重要的功能是改善原來供電保護(hù)系統(tǒng)的越級跳閘問題。分站的防越級跳閘保護(hù)控制器硬件原理如圖2 所示，主要包括了CPU 模塊、開關(guān)量和模擬量輸入輸出單元、絕緣監(jiān)視模塊、交流采樣合并單元以及通信單元等?？刂破鰿PU 采用STM32F207 芯片，兼具RS-485 和以太網(wǎng)接口，集成了A/D 轉(zhuǎn)換模塊、串口控制器和定時(shí)器。開關(guān)量輸入輸出單元實(shí)時(shí)采集供電電路中開關(guān)狀態(tài)，輸出信號經(jīng)過光電隔離模塊，能夠極大屏蔽電磁干擾，由CUP 控制單元接收。絕緣監(jiān)視模塊通過外接直流電源與電阻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)絕緣在線監(jiān)測功能。監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)測量外接電阻兩端電壓，與正常工況下進(jìn)行對比，如監(jiān)測值電壓偏小，則表明電路出現(xiàn)斷路故障；如監(jiān)測電壓偏大，則表明電路出現(xiàn)短路故障。交流采樣合并單元能夠?qū)⒔邮盏降碾妷汉碗娏餍盘柾ㄟ^電壓/電流互感器傳輸給合并單元，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)化后將模擬信號傳輸給CPU 模塊。通信單元主要是依托CPU 集成的以太網(wǎng)控制器進(jìn)行GOOSE 配置和GOOSE 收發(fā)。

圖2 防越級跳閘控制單元原理圖

防越級跳閘閉鎖保護(hù)控制器的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3，主要通過電路的電流檢測實(shí)現(xiàn)故障判定。程序初始化完成后首先檢測電流信號，如系統(tǒng)檢測到故障電流，則延時(shí)T1 后進(jìn)行是否接收到下級GOOSE 閉鎖信號判斷。如未接收到閉鎖信號，則發(fā)送跳閘指令進(jìn)行保護(hù)器動作指令執(zhí)行，并向上級發(fā)送解除閉鎖信號；如接收到閉鎖信號，則繼續(xù)執(zhí)行延時(shí)T2 后檢測是否接收到閉鎖信號，未接收則結(jié)束程序，接收到閉鎖信號，則對保護(hù)控制器發(fā)出動作指令進(jìn)行保護(hù)動作執(zhí)行，并向上級發(fā)送解除閉鎖信號。

圖3 防越級跳閘閉鎖保護(hù)控制器軟件設(shè)計(jì)流程

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

3.1 變電所運(yùn)行監(jiān)控功能

井下電力監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)顯示變電所運(yùn)行狀態(tài)，界面中斷路器采用矩形圖形表示，通過矩形不同顏色顯示指示斷路器運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控界面上狀態(tài)轉(zhuǎn)變準(zhǔn)確清晰。在錄波顯示界面，通過移動鼠標(biāo)可以觀測各波段點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，便于故障分析。

3.2 防越級跳閘功能測試

為檢測設(shè)計(jì)的電力監(jiān)控系統(tǒng)的防越級跳閘保護(hù)功能，根據(jù)煤峪口礦的供電流程進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)搭建，搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4。將高壓開關(guān)裝置于10 kV 的高壓開閉所中（K2），將保護(hù)器DMP5211 裝置于開關(guān)柜，高壓防爆開關(guān)K2、K3、K4、K5、K6 均配置一臺保護(hù)器，進(jìn)行短路跳閘試驗(yàn)。線路K2K3、K4K5 選擇光纖差動方式來對過流進(jìn)行保護(hù)，線路K6 將速斷過流保護(hù)當(dāng)作系統(tǒng)的主保護(hù)，然后對所有線路設(shè)置出速斷保護(hù)裝置。

圖4 試驗(yàn)電路示意圖

分別進(jìn)行D1、D2 和D3 短路點(diǎn)測試，結(jié)果顯示D1 點(diǎn)短路時(shí)，K2 和K3 跳閘，未發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象；D2 點(diǎn)短路并且使K4 開關(guān)失靈時(shí)，K3 限時(shí)速斷保護(hù)正常工作，K3 跳閘；D2 點(diǎn)短路且K4 和K5 正常工作時(shí)，K4 和K5 跳閘，未發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象；D3 點(diǎn)短路且K6 開關(guān)失靈時(shí)，K5 限時(shí)速斷保護(hù)正常工作，K5 跳閘；D3 點(diǎn)短路且K6 開關(guān)正常時(shí)，K6 跳閘，未發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象；當(dāng)K2 末端發(fā)生兩相短路時(shí)，K2-K3 光纖差動保護(hù)正確切斷故障。通過試驗(yàn)可以看出，設(shè)計(jì)的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的防越級跳閘保護(hù)功能有效。

4 結(jié)語

針對煤峪口礦電力監(jiān)控系統(tǒng)采用電流整定級差保護(hù)方式，導(dǎo)致經(jīng)常會出現(xiàn)越級跳閘狀況的問題進(jìn)行井下電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成以下結(jié)論：

1）井下電力監(jiān)控系統(tǒng)由井上電力監(jiān)控主站、井下電力測控分站以及高開綜合保護(hù)器三個(gè)系統(tǒng)層級構(gòu)成，分別對主站、分站和防越級跳閘控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效保護(hù)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)安全，避免越級跳閘問題的出現(xiàn)；

2）防越級跳閘閉鎖保護(hù)控制器以STM32F207為控制核心，進(jìn)行軟件流程設(shè)計(jì)，兼顧電力保護(hù)系統(tǒng)動作靈敏度的同時(shí)，精準(zhǔn)進(jìn)行故障斷閘，防止越級跳閘；

3）對設(shè)計(jì)的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、錄波功能以及防越級跳閘功能進(jìn)行測試與試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該電力監(jiān)控系統(tǒng)電力監(jiān)測與開關(guān)控制功能有效，能夠避免越級跳閘問題出現(xiàn)。