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      技術文章

      淺談煤礦井下電力監控系統的改造研究

      技術文章


      摘要:當前我國很多煤礦企業在市場環境中發展越來越困難,同時隨著煤礦企業運作成本的不斷提高,進一步壓縮了煤礦企業的利潤空間,使很多煤礦企業都很難在復雜的市場環境中生存與發展。鑒于此,本文主要分析煤礦井下電力監控系統改造。

      關鍵詞:電力監控系統;煤礦井下;改造;

      隨著科技進步,以及煤礦企業的安全改造及現代化建設進程的不斷深入和發展,建設“五優"礦井,創建數字化礦山,已在國內煤炭行業悄然展開,為保證礦井生產調度的可靠性,增設礦井電力保護監控系統,以實現全礦電力調度管理的規范化、科學運作,在當前的環境狀況下,顯得尤為重要。

      1. 概述

      1.1、礦區電力系統不能全覆蓋監控

      初期電力自動化監控裝置設計時,井下和地面變電所的高壓開關大部分采取了更換保護裝置或者通信裝置的方式才基本實現了電氣信號監測和部分高開的遙控操作功能,在礦區內還有很多新建變電所和改造后的變電所因為通信不兼容不能實現監控,還有一些地面重要負荷(如瓦斯抽放站、立井風機房、壓風機房等)受早期資金和技術限制也不能將數據上傳至電力監控系統,還需要人員24小時值守,隨時準備倒閘操作和日常運行巡視。

      1.2、裝置通信容量不足

      煤礦在后續的發展過程中先后新增加了2個采區供電和2個地面變電所供電,原有的電力自動化監控裝置預留備用的通信接口就不足支撐接入多余設備;同時原有的監控系統主要采用電纜通信,在通信速率上最大為100兆/秒,加之所監控的設備數量眾多,在實際運行環境中還受到大型設備電磁干擾,頻繁出現通信卡頓現象。

      1.3、監控裝置所監控電氣參數有限

      當井下發生開關短路跳閘故障后,調度監控人員不能夠快速知道井下配電室高壓設備情況以及保護所報的故障信息,對技術人員排除故障,快速分析事故,以及高壓設備自我檢測等功能。

      1. 煤礦井下電力監控系統組成分析

      2.1、系統硬件組成

      系統硬件主要由以下幾部分組成:電力監控分站、高壓配電裝置、低壓組合開關、智能保護控制器、防雷器、防爆交換機、工控機、打印機、UPS電源、配件。

      電力監控分站的作用主要有三部分:采集數據、顯示控制、通信傳輸。具體來說就是:電力監控分站采集高壓饋電開關內置的綜保信息,在就地的觸摸屏上顯示出來,然后再接入煤礦網絡,上傳到地面,接收工控機的控制信號,控制高壓饋電開關動作。

      電力監控分站主要由以下幾部分組成:變壓器、電源、備用電池、顯示屏、鍵盤、通信管理機、光端機或光電轉換模塊(至少兩光兩電)。

      2.2、供電監控系統

      供電監控系統主要用于煤礦供電系統和運轉設備的監測、控制、管理和安全保護等方面,實現供電系統和設備的在線參數監測、遠程操作控制、實時事故報警、數據統計分析、運行安全保護、用電計量管理等監控管理功能;提供遙測、遙信、遙調、遙控、遙視、遙播、遙訊、遙試“八遙操控"、事故報警、保護、定位和事故快速解決的手段,具有解決供電系統越級跳閘、電壓波動跳閘、漏電接地選線、突發停電事故恢復、負荷控制等電力運行難題的實用方案,系統的高精度計量監測、專業圖表分析工具、錄波分析工具和智能專家系統,是加強供電管理、減少事故、降低損耗、節約電能、提高運行效率和管理水平的最新現代化工具,運用系統網絡遠程操作控制和智能程控技術,實現煤礦供電系統和生產設備的全面自動化無人值守智能監控管理。

      電力監控系統建立在1 000 M冗余工業以太環網、高速專用電力監控現場總線、CAN/RS485工業現場總線、無線通信構成的多層分布式煤礦寬帶工業網絡平臺上,配有各種電力監控應用軟件,是集監控、顯示、保護、控制、采集等多種功能的監控系統,根據需要可在不同網絡層接入不同通訊接口的各種監控裝置和各種設備、環境監控系統,兼容各種接口設備。同時提供標準數據接口,實現與礦井自動化信息平臺無縫連接,為信息平臺提供供電數據,實現一體化的全礦井安全生產監控和自動化、信息化系統。

      系統將供電系統監控、變電所環境監控及IP廣播、視頻等多源異質數據有機融合,實現電力監控、視頻、語音、廣播聯動,建立了一套綜合性多媒體數字化電力監控管理系統,監控的內容和范圍更寬、更全面,使管理和操控人員在全面的多媒體信息化環境中身臨其境般的實現更加可靠的遠程管理和操控。

      1. 煤礦井下電力監控系統改造

      3.1、電力監控系統監控主站升級

      在礦井調度室電力監控中心更換安裝了6臺工業級監控服務器,4臺工業級電力監控上位機,為了防止在今后使用過程中減少電腦病毒入侵的可能性,保障監控系統軟件系統上的運行安全可靠,采用了linux中文版操作系統,同時升級安裝了6臺千兆網絡交換服務器、6臺光纖網絡交換服務器,1套獨立無間斷電源系統、1套綜合信息發布系統。

      3.2、電力監控系統監控分站優化

      在井下和地面的各個變電所的電力監控系統分站的改造上,在每個變電所數據傳輸分站裝置內都新配備了了防爆型千兆光纖交換服務器,對于新建的變電所,直接將保護接入光纖交換機進行通信,將原來監控系統的百兆通信傳輸升級為千兆傳輸,源頭上避免的傳輸卡頓、信號丟包、數據延遲等情況,并且在各分站之間實現了環網。在保障監控分站供電電源上使用了KDW0.3/660A型雙回路無間斷電源裝置,確保在全礦井失電等情況下的監控系統正常運行。

      3.3、自動化控制系統的內部功能設計

      在進行電力監控系統設計的時候,應該關注系統的功能模塊設計,能夠實現相應的功能。1)系統應該具有井下電力系統的四遙功能,同時可以快速定位故障發生節點、故障類型、故障信息記錄等內容。2)系統應該能夠實現各個保護裝置與設備的聯網運作,同時結合不同設備的特點來進行參數保護與控制,實現對各個設備的自動化控制,并實現對電力設備的在線監測等功能。3)系統應該能夠對各個電力設備的運作現狀進行實時監測,并能夠出具各類數據信息的歷史曲線與圖表數據,使這部分的內容更加直觀。而在這類數據信息的權限設置上,應該根據用戶類型的不同進行分級用戶共享。第四,系統還應該能夠使用紅外線來對各個保護器的參數進行綜合調整,同時供電設備也應該實現不停機運作,能夠較好地契合井下惡劣環境,實現各個設備的正常運作。第五,應該做好系統界面設計,提供相對和諧的人際互動界面,同時能夠自由切換各個子系統以及其他模塊,顯著提高系統的運作效果。

      3.4、電力監控系統單元節點改造

      每一個高爆開關都增加了DMP-5102B型智能終端,智能終端能夠就地采集開關的位置信息、電氣信號量以及溫度信息,同時還能夠與綜保裝置進行通信將綜保的保護動作事件信息打包以光纖傳輸的方式傳至監控分站。

      3.5、遠程遙控、遙測和視頻聯動應用

      新增加的智能終端能夠就地采集電氣數據的同時,把各個開關斷路器的控制回路也接入各個智能終端,這樣操作人員就能夠在調度室遠程控制各個變電所開關的斷路器分合閘,同時在各個變電所安裝了??低暤淖詣痈櫱蛐蛿z像頭,在遠程操作時將攝像頭對準開關,觀察遠程操作時開關的變位情況和運行情況,同時還能對人員現場操作時的情況進行監督和遠程監護。

      1. 安科瑞電力監控系統產品介紹與選型

      4.1概述

      Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求,針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術和信息傳輸技術,集保護、監測、控制、通信等多功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統,適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站,可實現對變電站方位的控制和管理,滿足變電站無人或少人值守的需求,為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

      4.2應用場所

      辦公建筑(商務辦公、國家機關辦公建筑等)

      商業建筑(商場、金融機構建筑等)

      旅游建筑(賓館飯店、娛樂場所等)

      科教文衛建筑(文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑)

      通信建筑(郵電、通信、廣播、電視、數據中心等)

      交通運輸建筑(機場、車站、碼頭建筑等)

      廠礦企業建筑(石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等)

      新能源建筑(光伏發電、風能發電等)

      4.3系統結構

      Acrel-2000Z電力監控系統釆用分層分布式設計,可分為三層:站控管理層、網絡通信層和現場設備層,組網方式可為標 準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構,根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

      4.4設備選型

      應用場合

      型號

      保護功能

      35kV進/饋線

      AM6-F

      三段式(帶方向、復合龜壓閉鎖)過流保護、小電 流接地選型保護、三相一次重合閘、低頻減載

      35kV± 變

      (2000kVA以上)

      AM6-D2

      兩8B變/三圏變差動速斷保護、比例制動差動保護

      AM6-D3

      AM6-T

      變壓器后備保護測控、配用變壓器保護

      AM6-FD

      變壓樓非電量保護(獨立)、獨立的操作回路

      35kV電機

      (2000kW以上)

      AM6-MD

      電機差動保護、電機綜合保護

      35kV PT監測

      AM6-U

      PT監測

      35kVr用變

      AM6-TR

      三段式過流、過負荷保護、變壓器非電量保護

      10kV/6kV進饋線

      AM5-F

      三段式過流/零序過流、過負荷保護(告警/跳閘)、 PT斷線告警、三相一次重合閘、低頻減栽、后加速過流、逆功率保護

      10kV/6kV廠用變

      AM5-T

      三段式過流/零序過流、過負荷保護(吿警償閘)、 控故障告警、PT斷線告警、非電參量保護

      10kV/6kV異步電機

      AM5-M

      兩段式過流/零序過流/負序過流保護、過負荷保護 (告警演制)、低電壓保護、PT斷線告警、堵轉例護、啟動超時、熱過載保護

      10kV/6kV電容器

      AM5-C

      兩段式過流/零序過流保護、過負荷保護(告警演閘)、PT斷線告警、過電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護;

      10kV/6kV 母聯

      AM5-B

      進線備投/母聯備投、兩段式過流保護、PT斷線告警;

      10KV/6RV PT 監測

      AM5-U

      低電壓警吿、PT斷線吿警、過龜壓吿警、零序過壓吿警;

      10kV/6kV PT

      AM5-BL

      單母線分段系統的PT二次并列/解列控制


      進/饋線

      AM5SE-F

      三段式過流保護(帶方向、帶低壓閉鎖)、反時限過流保護、零序過流保護、三相一次 重合閘、低頻減載、失壓保護、逆功率保護、斷路器遙控分合閘、故障錄波、全電參量 測量、獨立操作回路

      35kV


      AM5SE-D2

      兩圈變差動速斷保護、比例制動差動保護

      變電站

      35kV主變

      AM5SE-TB

      三段式過流保護(帶復合電壓、帶方向閉鎖)、反時限過流保護、零序過流保護、間隙 零序電流保護、零序電壓保護、過負荷保護、啟動通風、閉鎖有載調壓、斷路器遙控分 合閘、故障錄波、全電量測量、獨立操作回路


      PT監測并列

      AM5SE-UB

      PT并列、低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告警


      進/饋線

      AM5-F

      三段式過流保護(帶方向、帶低壓閉鎖)、反時限過流保護、零序過流保護、三相一次 重合閘、低頻減載、失壓保護、逆功率保護、斷路器遙控分合閘、故障錄波


      廠用變

      AM5-T

      三段式過流保護(帶復合電壓閉鎖)、反時限過流保護、零序過流保護、過負荷保護、 變壓器非電量保護、斷路器遙控分合閘、故障錄波


      大功率異步電 機(2000kW 以上)

      AM5SE-MD

      電機差動速斷保護、比例差動保護、啟動中過流一段保護、已運行定時限過流保護、過 負荷保護、零序過流保護、過熱保護、堵轉保護、低電壓保護、斷路器遙控分合閘、獨 立操作回路、故障錄波、全電量測量

      10(6)kV

      開閉所

      異步電機

      AM5-M

      啟動中過流一段保護、已運行兩段式過流保護、反時限過流保護、過負荷保護、零序過 流保護、啟動時間過長、堵轉保護、過熱保護、相序保護、低電壓保護、斷路器遙控分 合閘、故障錄波


      電容器

      AM5-C

      兩段式過流保護、反時限過流保護、零序過流保護、欠電壓保護、過電壓保護、不平衡 電壓/電流保護、非電量保護、斷路器遙控分合閘、故障錄波


      母聯

      AM5-B

      兩段式過流保護、反時限過流保護、后加速過流保護、進線備自投、母聯備自投、斷路 器遙控分合閘、故障錄波


      PT監測

      AM5-U

      低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告警


      PT并列

      AM5-BL

      不同母線段上PT二次信號的并列/解列控制





      應用場合

      型號

      保護功能

      系統解決方案

      10kV

      分配電所

      進饋線/廠用變

      PT監測

      AM4-I

      AM4-U

      三段式定時限過流保護、反時限過流保護、零序過流保護、零序過壓保護、非電量保

      護、低電壓保護、過電壓保護、過負荷保護、斷路器遙控分合閘、故障錄波

      低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告警

      3 ~ 35kV 智能操裝置

      ASD200

      一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度 控制及顯示(帶強制加熱)、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、語音 防誤提示、語音已帶電提示、柜內照明控制、斷路器分合次數統計、RS485通信

      3 ~ 35kV 智能操控裝置

      ASD300

      一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度 控制及顯示(帶強制加熱)、遠方僦地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、語音 防誤提示、語音已帶電提示、柜內照明控制、斷路器分合次數統計、全電參量測量、柜內電氣接點無線測溫、RS485通信

      3 ~ 35kV 智能操控無線 測溫一體化裝置

      ASD320

      一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度 控制及顯示(帶強制加熱)、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、語音 防誤提示、語音已帶電提示、柜內照明控制、斷路器分合次數統計、柜內電氣接點無線測溫、RS485通信

      0.4kV-35kV

      斷路器觸頭、銅排、 電纜接頭無線測溫傳感器

      ATE100

      ATE200

      表帶式固定,電池供電,電池壽命不小于5年,測溫范圍-40^-125^,采集周期25s,發射周期4min,測量精度±2P,傳輸距離空曠10米

      ATE300

      扎帶捆綁固定,CT感應取電,啟動電流5A,測溫范圍采集周期15s, 發射周期15s,測量精度±2P,傳輸距萬空曠100米

      3 ~ 35kV

      無線測溫收發器

      ATC200

      導軌式/螺絲固定,工作電源DC24V,可接收12個ATE200 ( ATE100 )數據,帶RS485 通信接口可將數據上傳到監控中心

      無線測溫收發器

      ATC400

      導軌式/螺絲固定,工作電源DC24V,可接收240個ATE300數據,帶RS485通信接 口可將數據上傳到監控中心

      無線測溫裝置

      ARTM-Pn

      嵌入式安裝,工作電源AC/DC 1100/220V,可與ATE100. ATE200、ATE30。配合 使用,安裝在高壓柜、低壓柜內測量多18點溫度;兩路無源溫度告警輸出;一路 RS485通信接口可將數據上傳到監控中心

      無線測溫集中釆集觸摸屏

      ARTM-7062HT-(HI)

      嵌入式安裝,工作電源DC 24V,可與ATE100、ATE200. ATE300傳感器配合使用 ,安裝在高壓柜、低壓柜內測量多240點溫度;一路RS485通信接口可將數據上 傳到監控中心

      電參量測量

      AEM96

      三相所有電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、大需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率)、開關量、報警輸RS485

      (MODBUS 或 DL/T645-2007協議)量測量

      電力監控系統

      Acrel-2000Z

      可建立配電網絡一次系統圖,模擬配電網絡運行,實現無人值班模式;根據順序 事件記錄、波形記錄、故障錄波,協助運維人員實現快速故障分析、定位和排除 問題,盡量縮短停電時間;實時采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數,對配電系統和用電設備進行用能分析和能效管理。

      1. 結束語

      總之,此次煤礦電力自動化監控系統的升級改造實現了井下變電所的無人值守,做到了減人提效,極大的提升了礦井供電網的自動化水平,對煤礦供電系統的集中化、安全化提供了平臺支撐。

      參考文獻

      1. 周耀.煤礦井下電力監控系統改造研究.

      2. 趙大磊.煤礦井下電力監控系統的應用研究[J].

      3. 安科瑞電力監控與保護類產品選型手冊,2022.07.

      4. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊,2022.05.


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