高莊煤業(yè)智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘 要：以高莊煤業(yè)為對(duì)象，從地面電力監(jiān)控中心、110 kV變電站、10 kV變電所和高壓配電室等方面進(jìn)行智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施研究。實(shí)施結(jié)果表明，智能供電系統(tǒng)運(yùn)行可靠、安全、穩(wěn)定，減少無(wú)計(jì)劃停電，降低設(shè)備運(yùn)行成本，解決以往供電系統(tǒng)存在的短路越級(jí)、漏電誤動(dòng)拒動(dòng)等問題，安全經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；智能化；高壓配電室；煤礦；智能化

中圖分類號(hào)：TD61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0128-04

Abstract： Taking Gaozhuang coal industry as the object， this paper studies the design and implementation of intelligent power supply system from the aspects of ground power monitoring center， 110 kV substation， 10 kV substation， high voltage distribution room and so on. The implementation results show that the operation of the intelligent power supply system is reliable， safe and stable， reduces the unplanned power outage， reduces the equipment operation cost， solves the problems existing in the previous power supply system， such as short circuit overstep， leakage misoperation， etc.， and the safety and economic benefits are remarkable.

Keywords： power supply system; intelligence; high voltage distribution room; coal mine; intelligence

2020年國(guó)家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確指出加快生產(chǎn)煤礦智能化改造目標(biāo)。在智能礦山建設(shè)大背景下，高莊煤業(yè)從供電系統(tǒng)出發(fā)，提出智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)“減員增效，無(wú)人值守”的建設(shè)目標(biāo)[1]。

1 高莊煤業(yè)供電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 地面110 kV變電站

地面110 kV變電站擁有34臺(tái)10 kV高壓開關(guān)柜，配有數(shù)字式線路保護(hù)測(cè)控裝置、變壓器保護(hù)裝置。保護(hù)裝置通過以太網(wǎng)通信接入至2臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控能力。根據(jù)智能化改造要求：需加裝弧光保護(hù)系統(tǒng)，完善防越級(jí)跳閘系統(tǒng)；修復(fù)和升級(jí)開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.2 選煤廠和風(fēng)井場(chǎng)地10 kV變電所

選煤廠和風(fēng)井場(chǎng)地10 kV變電所高壓開關(guān)分別為18、14臺(tái)，均配有數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置、小電流選線裝置、多功能電能表。根據(jù)智能化改造要求：均需更新保護(hù)裝置增強(qiáng)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，均需加裝視頻監(jiān)控和高級(jí)電弧光保護(hù)[2]。

1.3 高壓配電室

主斜井井口房配電室有高壓開關(guān)13臺(tái)，配有數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置、小電流選線裝置、多功能電能表；根據(jù)智能化改造要求：需更新保護(hù)裝置，加裝有多功能電能表、開關(guān)柜觸頭溫度測(cè)量、母線快速電弧光保護(hù)。壓風(fēng)制氮車間配電室有高壓開關(guān)18臺(tái)，配有數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置；需更新保護(hù)裝置，修復(fù)小電流選線裝置，加裝有多功能電能表、開關(guān)柜觸頭溫度測(cè)量、母線快速電弧光保護(hù)。主要通風(fēng)機(jī)房配電室有高壓開關(guān)12臺(tái)，配有數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置；需更新保護(hù)裝置，加裝多功能電能表、開關(guān)柜觸頭溫度測(cè)量、母線快速電弧光保護(hù)。

1.4 井下主變電所和采區(qū)變電所

井下主變電所有高壓開關(guān)12臺(tái)、低壓饋電開關(guān)16臺(tái)，配有數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置；需增加電力監(jiān)控和防越級(jí)跳閘功能。井下采區(qū)變電所有高壓開關(guān)19臺(tái)，具有電力監(jiān)控分站；需新建變電所增強(qiáng)電力監(jiān)控和防越級(jí)跳閘功能。

2 智能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

2.1 設(shè)計(jì)原則

智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需遵循先進(jìn)性、可靠性、開放性和易維護(hù)原則。需采用先進(jìn)、成熟、可靠智能化技術(shù)，符合智慧礦山建設(shè)要求。在平臺(tái)選擇、硬件選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、支撐環(huán)境和應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中要遵循可靠性原則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級(jí)可靠性、設(shè)備級(jí)可靠性、模塊級(jí)可靠性、鏈路級(jí)可靠性和系統(tǒng)可靠性。開放性原則主要有系統(tǒng)架構(gòu)可擴(kuò)展性和應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)可擴(kuò)展性、應(yīng)用新技術(shù)可擴(kuò)展性和滿足業(yè)務(wù)規(guī)?？蓴U(kuò)展性。易維護(hù)原則主要有維護(hù)與管理、功能實(shí)現(xiàn)、支持決策[3]。

2.2 智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 智能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

高莊煤業(yè)智能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由DPS301M主站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、KJ38-F（A）礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站、KHL127（A）礦用隔爆型電流保護(hù)控制器和MPR300S系列礦用保護(hù)裝置組成。DPS301M主站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)為智能供電系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)整體數(shù)據(jù)管理、處理、展示；集中控制所有監(jiān)控活動(dòng)，實(shí)時(shí)接收來自監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)。KJ38-F（A）礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站直接部署在井下，負(fù)責(zé)收集來自現(xiàn)場(chǎng)的電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回主站。KHL127（A）礦用隔爆型電流保護(hù)控制器保證井下設(shè)備的電流保護(hù)和控制，尤其是在防爆要求高的區(qū)域。MPR300S系列礦用保護(hù)裝置能提供全面電網(wǎng)保護(hù)功能，包括過載保護(hù)、短路保護(hù)等，確保井下電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

智能供電系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、繼電保護(hù)、運(yùn)行管理等功能。①實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下電網(wǎng)電流、電壓、頻率和溫度等關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。②繼電保護(hù)。在過載或短路等異常情況下系統(tǒng)會(huì)立即采取措施，保護(hù)設(shè)備和人員安全。③運(yùn)行管理。系統(tǒng)提供全面運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，幫助管理人員進(jìn)行有效管理和故障預(yù)防。

創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用：①基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別，提高了系統(tǒng)對(duì)各種異常的識(shí)別速度和準(zhǔn)確度，提升了整個(gè)電網(wǎng)的響應(yīng)能力和可靠性。②利用各種專利技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，使其在煤礦極端環(huán)境中依然能高效穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

2.2.2 智能供電系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

智能供電系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能供電主站平臺(tái)作為系統(tǒng)的大腦，其整合各監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，識(shí)別和響應(yīng)電網(wǎng)的任何異常情況，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全； 提供直觀、易于理解的用戶界面，以便操作人員可以輕松地監(jiān)控和管理電網(wǎng)狀態(tài)。

軟件采用分布式C/S架構(gòu)，使系統(tǒng)具有更高的靈活性和可靠性；客戶端和服務(wù)器端分布在不同的地理位置，但協(xié)同工作，提供無(wú)縫的服務(wù)。主/輔熱備用系統(tǒng)設(shè)計(jì)有主備機(jī)制，確保在主服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，輔助系統(tǒng)可以立即接管，無(wú)縫地繼續(xù)服務(wù)。

采用數(shù)據(jù)平臺(tái)層、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口層、高層的應(yīng)用模塊3層設(shè)計(jì)思想。①數(shù)據(jù)平臺(tái)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)收集、存儲(chǔ)、初步處理來自各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)。②標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口層作為中間層，提供了標(biāo)準(zhǔn)化的接口，確保數(shù)據(jù)在不同應(yīng)用模塊間的無(wú)縫流動(dòng)。③高層的應(yīng)用模塊包含各種應(yīng)用程序，如數(shù)據(jù)分析、故障診斷、報(bào)告生成等，使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口處理和展示數(shù)據(jù)。

2.2.3 智能供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，CAN Bus總線通信主要用于保護(hù)裝置和電力監(jiān)控分站之間的通信，提供高可靠性和低延遲。以太網(wǎng)通信主要用于主站監(jiān)控系統(tǒng)，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，適合處理大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

單或雙CAN Bus總線網(wǎng)絡(luò)，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)配置選項(xiàng)，增加系統(tǒng)的冗余和可靠性。以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，支持高速數(shù)據(jù)處理。兼容光纖以太環(huán)網(wǎng)環(huán)境，適用于需要長(zhǎng)距離、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

電力監(jiān)控分站可采用級(jí)聯(lián)、環(huán)網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單獨(dú)組成以太網(wǎng)，提供多種組網(wǎng)選項(xiàng)，適應(yīng)不同的監(jiān)控需求和地理環(huán)境。獨(dú)立以太網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。

通信特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：采用獨(dú)立通信接口，確保與MPR304S（A）保護(hù)裝置之間穩(wěn)定通信，減少網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險(xiǎn)。通過獨(dú)立的通信路徑增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。即使發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)也能夠快速地診斷并傳遞信息到主站，以及時(shí)響應(yīng)。

3 智能供電系統(tǒng)的實(shí)施方案研究

根據(jù)智能化改造要求，對(duì)地面電力監(jiān)控中心、變電站、變電所和高壓配電室等方面實(shí)施智能改造。

3.1 地面電力監(jiān)控中心的智能化改造實(shí)施

現(xiàn)有設(shè)備與配置：地面電力監(jiān)控中心現(xiàn)有電力監(jiān)控后臺(tái)、視頻服務(wù)器、WEB服務(wù)器等設(shè)備維持不變。新采區(qū)變電所配備一套門禁監(jiān)控系統(tǒng)，增強(qiáng)安全管控能力；采用能耗在線監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行智能綜合分析，提高效率。

應(yīng)用智能巡檢系統(tǒng)：應(yīng)用智能巡檢系統(tǒng)使巡檢人員使用智能終端替代傳統(tǒng)紙筆記錄，減少人為錯(cuò)誤。在巡檢過程中嚴(yán)格遵守巡檢規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保高效且標(biāo)準(zhǔn)化的操作。允許管理層有效監(jiān)督巡檢人員的工作狀態(tài)，通過電子化、信息化手段實(shí)現(xiàn)巡檢工作智能化。

3.2 110 kV變電站的智能化改造實(shí)施

防越級(jí)跳閘功能的實(shí)施。在10 kV高壓開關(guān)柜特定位置（563柜、861柜等）加裝防越級(jí)跳閘功能保護(hù)裝置。實(shí)現(xiàn)與工業(yè)場(chǎng)地10 kV變電所、選煤廠10 kV變電所之間防越級(jí)跳閘功能。增加的保護(hù)裝置信息通過交換機(jī)上傳至地面電力監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)信息集成和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

利用已安裝多功能電能表采集電度量，實(shí)現(xiàn)能耗統(tǒng)計(jì)和分析；在母線室及開關(guān)柜室安裝弧光傳感器、主控單元、弧光單元，實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)動(dòng)作。

在10 kV高壓室安裝智能巡檢機(jī)器人，執(zhí)行開關(guān)柜紅外測(cè)溫，局放檢測(cè)，自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備工況信息。降低員工工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人運(yùn)維。

測(cè)溫系統(tǒng)。在開關(guān)柜安裝測(cè)溫傳感器和測(cè)溫主機(jī)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)各間隔的9點(diǎn)測(cè)溫功能，通過通信服務(wù)器實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

3.3 選煤廠及風(fēng)井場(chǎng)地10 kV變電所智能化改造實(shí)施

選煤廠10 kV變電所改造：更換選煤廠10 kV變電所3711柜（I段進(jìn)線）和3721柜（II段進(jìn)線）保護(hù)器。防越級(jí)跳閘功能，實(shí)現(xiàn)與110 kV變電站562柜、862柜間防越級(jí)跳閘功能，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性和可靠性。

風(fēng)井場(chǎng)地10 kV變電所的改造：①更換工業(yè)場(chǎng)地10 kV變電所9臺(tái)保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)井場(chǎng)地10 kV變電所內(nèi)及與110kV變電站557柜、855柜之間防越級(jí)跳閘功能。②將電能表和小電流選線裝置接入電力監(jiān)控系統(tǒng)采集電度量，電能表為能耗統(tǒng)計(jì)和分析提供數(shù)據(jù)支持，小電流選線裝置實(shí)現(xiàn)在發(fā)生單相接地故障時(shí)準(zhǔn)確選線功能。③安裝42個(gè)弧光傳感器、1臺(tái)主控單元、14臺(tái)弧光單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線、斷路器和負(fù)荷的快速保護(hù)。④測(cè)溫系統(tǒng)。安裝126個(gè)測(cè)溫傳感器、14臺(tái)測(cè)溫主機(jī)，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的9點(diǎn)測(cè)溫功能，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

3.4 高壓配電室的智能化改造實(shí)施

主斜井井口房高壓配電室改造：①更換9臺(tái)保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)與110 kV變電站之間防越級(jí)跳閘功能，提升系統(tǒng)的防故障能力。②安裝多功能電能表并接入電力監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。安裝小電流選線裝置并接入電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在發(fā)生單相接地故障時(shí)準(zhǔn)確選線功能。③配備39個(gè)弧光傳感器、1臺(tái)主控單元、13臺(tái)弧光單元，為母線室和開關(guān)柜室提供快速保護(hù)動(dòng)作。④測(cè)溫系統(tǒng)，安裝117個(gè)測(cè)溫傳感器、13臺(tái)測(cè)溫主機(jī)，對(duì)高壓開關(guān)進(jìn)行全面溫度監(jiān)控，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

壓風(fēng)制氮車間高壓配電室的改造：①更換15臺(tái)保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)場(chǎng)地10 kV變電所之間防越級(jí)跳閘功能。②配電室安裝15塊多功能電能表并接入電力監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)電度量進(jìn)行采集并進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)分析。更換已損壞的小電流選線裝置，保證在發(fā)生單相接地故障時(shí)準(zhǔn)確選線和數(shù)據(jù)上傳。③安裝54個(gè)弧光傳感器、1臺(tái)主控單元、18臺(tái)弧光單元，對(duì)高壓配電室母線、斷路器和負(fù)荷進(jìn)行快速保護(hù)。④測(cè)溫系統(tǒng)。安裝162個(gè)測(cè)溫傳感器和18臺(tái)測(cè)溫主機(jī)，用于10 kV高壓開關(guān)的細(xì)致溫度監(jiān)控，并確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳。

主要通風(fēng)機(jī)房高壓配電室的改造：①更換7臺(tái)保護(hù)器，建立與風(fēng)井場(chǎng)地10 kV變電所之間的防越級(jí)跳閘功能。②配電室內(nèi)安裝的7塊多功能電能表，接入電力監(jiān)控系統(tǒng)的通信服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)電度量采集，提供了能耗統(tǒng)計(jì)和分析。安裝小電流選線裝置確保單相接地故障發(fā)生時(shí)的準(zhǔn)確選線，其通過通信服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)，提高了故障定位的效率。③安裝36個(gè)弧光傳感器、1臺(tái)主控單元、12臺(tái)弧光單元，以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)動(dòng)作。④測(cè)溫系統(tǒng)。安裝108個(gè)測(cè)溫傳感器、12臺(tái)測(cè)溫主機(jī)，對(duì)10 kV高壓開關(guān)的每個(gè)間隔進(jìn)行詳細(xì)的溫度監(jiān)控，并通過通信服務(wù)器實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

高莊煤業(yè)智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造完成后投入實(shí)踐應(yīng)用中，有效提高了該煤礦供電的自動(dòng)化和智能化水平。智能供電系統(tǒng)的應(yīng)用徹底解決了人工巡視存在的問題，實(shí)現(xiàn)了該煤礦地面電力監(jiān)控中心、110 kV變電站、多個(gè)10 kV變電所和高壓配電室的無(wú)人值守運(yùn)行。大幅度減少了工業(yè)場(chǎng)地、選煤廠、風(fēng)井場(chǎng)地、主斜井井口房、壓風(fēng)制氮車間和主要通風(fēng)機(jī)房等關(guān)鍵區(qū)域的人員配置。

在變電所內(nèi)，開關(guān)柜現(xiàn)已配備數(shù)字化通信、全面的保護(hù)機(jī)制、遠(yuǎn)程操控和遠(yuǎn)程可視化功能。綜合型數(shù)字保護(hù)裝置、觸頭在線測(cè)溫、開關(guān)柜內(nèi)視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控主開關(guān)、檢修接地保護(hù)及安全五防閉鎖設(shè)備，都能夠及時(shí)、清晰、全面和準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。這些系統(tǒng)的集成不僅提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，還增強(qiáng)了對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握，從而大大提升了電網(wǎng)的可靠性和安全性。

智能供電系統(tǒng)的實(shí)施極大地提升了電網(wǎng)繼電保護(hù)的選擇性，有效防止了“短路、漏電越級(jí)跳閘”類事故的發(fā)生。增強(qiáng)了供電系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)無(wú)計(jì)劃停電的時(shí)間，直接帶來了經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目完成后每個(gè)變電所和開閉所節(jié)約了大量操作崗位，減少了礦井人員成本投入，有效緩解了煤礦用工困難問題。智能化改造提升了該煤礦整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，為智能礦山建設(shè)提供了有力支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

高莊煤業(yè)智能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施有效整合了地面電力監(jiān)控中心、110 kV變電站、多個(gè)10 kV變電所及高壓配電室。通過采用數(shù)字保護(hù)裝置、觸頭在線測(cè)溫、視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程操控等先進(jìn)技術(shù)，顯著提升了電力系統(tǒng)的安全性、效率、可靠性。該系統(tǒng)實(shí)施結(jié)果表明，電網(wǎng)繼電保護(hù)選擇性得到顯著提高，無(wú)計(jì)劃停電時(shí)間減少，運(yùn)營(yíng)成本節(jié)約，有效推動(dòng)了智能礦山的建設(shè)，為煤礦智能化改造提供了成功案例。

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第一作者簡(jiǎn)介：郭浩（1984-），男，助理工程師。研究方向?yàn)槊旱V工程技術(shù)（電力工程）。