■ 中煤電氣有限公司 徐華云

0 前言

隨著煤炭行業(yè)選煤工藝的不斷進步、洗選煤設(shè)備向大型化發(fā)展，對其供配電智能控制水平的需求也在日益提升。

以計算機控制為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和圖形界面技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的供配電，為洗選設(shè)備供配電管控一體化系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

本文就洗選煤廠供配電管控一體化系統(tǒng)的設(shè)計與實踐進行了總結(jié)，以期為促進相關(guān)的技術(shù)進步提供參考。

1 概述

所謂洗選煤廠供配電系統(tǒng)管控一體化系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）指的是將電氣、計算機、通信和自動控制技術(shù)有機整合為一體，用其對洗選煤廠內(nèi)各種類型的供配電設(shè)備進行可靠的管理和控制。

系統(tǒng)采用開放的現(xiàn)場總線技術(shù)，建立起一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的、集過程控制與監(jiān)視和計算機調(diào)度管理于一體，并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，以完成對整個供配電過程的監(jiān)測與自動控制。它可以滿足“四遙”功能，實現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，總站少人值班”的目標。它的主要作用是:

1）作為電網(wǎng)的總開關(guān)、分開關(guān)，能夠遠程監(jiān)測供配電運行狀態(tài)及控制開關(guān)設(shè)備開閉。

2）實時檢測用電回路可能出現(xiàn)的漏電、短路、欠壓、過壓、斷相和三相不平衡等故障。在故障發(fā)生時，能即時記錄故障狀態(tài)并切斷電路，保護人或設(shè)備。

3）系統(tǒng)上位機實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時及時顯示故障位置并報警。

4）提供完整的供配電管理功能，包括事件管理、告警管理、趨勢曲線圖、數(shù)據(jù)存檔與歷史數(shù)據(jù)管理、操作員管理、報表與打印等。

2 系統(tǒng)相關(guān)的國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外供配電管控一體化系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)非常普遍，主要有德國西門子公司的Sivacon 配電系統(tǒng)、法國施耐德公司的DIGIPACT 電氣設(shè)備管理系統(tǒng)、ABB 公司的INSUM 系統(tǒng)等。高低壓成套開關(guān)設(shè)備的技術(shù)水平也比較高，發(fā)展較快。但低壓成套開關(guān)設(shè)備的電壓等級以380V為主，很少采用660V電壓等級，如ABB公司的MNS低壓開關(guān)設(shè)備，Schneider公司的Prisma、Biokset低壓開關(guān)設(shè)備等。

在國內(nèi)，供配電后臺監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品也較為普遍，但還達不到供配電管控一體化的技術(shù)水平。國內(nèi)許多用戶尤其是重要用戶，高低壓斷路器、控制模塊等主要元氣件一直是采用進口產(chǎn)品。雖然與幾十年前相比，近年來國產(chǎn)的成套開關(guān)設(shè)備在性能和可靠性上都有了很大進步，但仍然存在一些問題。主要體現(xiàn)在，產(chǎn)品的保護功能普遍不全面，且雖然實現(xiàn)了使用單片機等微控制器的控制，但由于這些控制器本身抗干擾能力差，在惡劣的環(huán)境中運行很容易造成保護功能的誤動作或器件本身的損壞。

3 技術(shù)路線與設(shè)計內(nèi)容

總體設(shè)計目標是使系統(tǒng)發(fā)揮PLC可靠性好、抗干擾性強、邏輯性強等優(yōu)點，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、計算機控制系統(tǒng)遠程手動控制、計算機控制系統(tǒng)遠程自動控制三種控制方式，建立一套先進、可靠、高效、安全、集過程控制、監(jiān)視和計算機調(diào)度管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制，提高配電站的自動化水平，滿足了“四遙”功能，實現(xiàn)了“現(xiàn)場無人值守，總站少人值班”的目標。

系統(tǒng)設(shè)計要達到安全可靠、反應(yīng)速度快、成本低、抗干擾能力強等整體要求。具體系統(tǒng)設(shè)計在配電單元、控制核心和監(jiān)控平臺三個方面展開。

配電單元按照數(shù)字化要求設(shè)計，在完成并達到傳統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上，設(shè)計數(shù)據(jù)信息傳輸功能，即將配電的各種元件進行數(shù)字化升級，滿足數(shù)據(jù)采集的需求。

控制核心采用PLC控制器，并根據(jù)整個系統(tǒng)需求設(shè)計專用的模塊。即電力參數(shù)采集模塊和CPU數(shù)據(jù)傳輸模塊?？刂坪诵耐瓿晒┡潆娫O(shè)備的監(jiān)控功能和保護功能。

監(jiān)控平臺為一軟件，按照系統(tǒng)的要求，將數(shù)據(jù)進行處理和顯示。監(jiān)控軟件平臺要完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，并實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的遠程控制。

對供配電系統(tǒng)來說，安全性和可靠性是第一位的。采用PLC可編程序控制器和電力參數(shù)采集模塊構(gòu)成的數(shù)字化供配電設(shè)計方案能體現(xiàn)更經(jīng)濟，更安全，也更方便操作和管理的目標。

在整體設(shè)計上，主要設(shè)計內(nèi)容有：

1）將一次電路和二次電路分開，減少強電對弱電的干擾，提高電磁兼容（EMC）性能；

2）實現(xiàn)多種開關(guān)之間的互鎖，形成邏輯合理的電氣關(guān)系；

3）使電氣參數(shù)的設(shè)置更加方便快捷，可以完全可以由上位機實現(xiàn)；

4）將系統(tǒng)中的PLC通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與上位機通信，要實現(xiàn)監(jiān)控及信息收集、處理查詢、統(tǒng)計、分析、曲線打印、報表等功能；

5）實現(xiàn)供配電系統(tǒng)遠程監(jiān)控與管理；

6）人機界面友好，方便操作。

4 系統(tǒng)的組成與功能

系統(tǒng)由660 V電壓等級中煤電氣-SDK低壓成套開關(guān)設(shè)備、基于LM3317和LM3108K的 PLC控制器、電力SCADA監(jiān)控平臺三部分組成。

660V電壓等級中煤電氣-SDK低壓成套開關(guān)設(shè)備采用KF（KB）型材，結(jié)構(gòu)強度高，防護等級最高可以達到IP54。抽出式功能單元在三個位置（連接、試驗、抽出）時均可不降低防護等級。水平母線夾采用增強玻璃纖維聚脂(PBT)材料制成，母線排列緊密，降低溫升的效果明顯。

基于LM3317和LM3108K的 PLC控制器可進行供配電數(shù)據(jù)分析和儲存，可以實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的自動控制與保護。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，PLC控制器具有保護功能CPU模塊LM3108K和電力參數(shù)采集模塊LM3317。LM3108K模塊具有過壓、欠壓、過載、短路、漏電、三相不平衡保護等功能，同時具有漏電、過載和短路試驗功能。LM3317電力參數(shù)采集模塊具有三相交流電的電參數(shù)采集功能，電參數(shù)包括：相電壓，相電流，功率因數(shù)，各相有功功率，總無功功率，總有功電能等。PLC控制器有很強通訊擴展能力，可采用PLC標準通訊模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化要求。

電力SCADA監(jiān)控平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、人機界面監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實時監(jiān)視、記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)等功能，能通過PLC控制器對供配電中的電器元件進行遠程控制，實現(xiàn)“四遙”功能，并提供完整的供配電管理功能，包括事件管理、告警管理、趨勢曲線圖、數(shù)據(jù)存檔與歷史數(shù)據(jù)管理、操作員管理、報表與打印等。

5 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

1）660 V電壓等級中煤電氣-SDK低壓成套開關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)指標

額定工作電壓: Ue=660 V，額定絕緣電壓: Ui=1000 V，電氣間隙：≥14 mm，爬電距離：≥16 mm；

主母線（水平母線）的額定電流、額定短時耐受電流和額定峰值耐受電流：3200 A、65 kA/1s、143 kA；

配電母線（垂直母線）的額定電流、額定短時耐受電流和額定峰值耐受電流：1350 A、40 kA/1s、84 kA ；

主開關(guān)的分斷能力：65 kA，外殼防護等級：IP40～IP54。

2）電力參數(shù)采集模塊LM3317的主要技術(shù)指標

電流測量范圍：0～8 A(有效值)，線性測量范圍：0.1 A～6 A，采集精度：誤差小于0.02 A，分辨率：不低于0.01 A(線性范圍內(nèi))，電壓測量范圍：0～7.5 V(有效值)，線性測量范圍：0～5 V(有效值)，采集精度：誤差小于0.02 V(線性范圍內(nèi))，分辨率：不低于0.01 V，過流保護響應(yīng)時間：<20 ms，最大開關(guān)電流：2 A。

3）CPU保護模塊LM3108K的主要技術(shù)指標

輸入電壓：24VDC，交流信號輸入：9，三相電壓:0～14VAC,精度2%，三相電流： 0～14VAC,精度2%，零序電壓：0～40VAC,精度2%，零序電流： 0～290uA AC,精度2%，DI通道數(shù)：10，D0通道數(shù)：8，標準AI通道數(shù)：3，0～10VDC電壓信號輸出，精度2%，標準AO通道數(shù)：1，0～10VDC，電壓信號輸出，精度2%。

4）電力SCADA監(jiān)控平臺的主要功能

監(jiān)控平臺主要由驅(qū)動程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機界面、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和報表模塊組成。具有動態(tài)可視化控制、數(shù)據(jù)的采集和管理、過程監(jiān)控報警、報表功能、基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的上傳和相應(yīng)控制的功能。系統(tǒng)中PLC通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與上位機通信。

6 系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

系統(tǒng)的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：

1）減員增效。系統(tǒng)的建設(shè)實現(xiàn)了洗選煤廠供配電的自動化監(jiān)控，減少了系統(tǒng)管理人員，提高了管理的效率和水平。

2）電能管理水平明顯提高。系統(tǒng)能夠記錄日、周、月、年負荷，精確計算各科室各班組電力消耗（電費）與用電需量?？筛鶕?jù)用電指標的考核實現(xiàn)優(yōu)化負荷分配，以達到降低能耗的目的。

3）提高了設(shè)備運行的可靠性。系統(tǒng)可協(xié)助合理安排檢修計劃，降低成本；對隱患提前預警，防止事故發(fā)生，保證生產(chǎn)正常運行；出現(xiàn)故障后，保護及時動作，同時給出故障報警并記錄故障性質(zhì)。

4）提高了工作效率。免除日常抄表工作和報表計算；減小維護人員工作量及勞動強度；各種資料、數(shù)據(jù)、報表實現(xiàn)電子信息化。

5）提高了調(diào)度水平。實現(xiàn)各電力參數(shù)，狀態(tài)信息實時顯示，實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)遠程整定各種保護參數(shù)。

6）節(jié)能效果顯著。系統(tǒng)實現(xiàn)了洗選煤廠供配電系統(tǒng)的自動化，對各子系統(tǒng)實現(xiàn)了集中控制、管理、故障診斷、程序控制、科學調(diào)度，充分提高了設(shè)備的運行效率，避免設(shè)備的無效運轉(zhuǎn)，降低電力損耗，實現(xiàn)了節(jié)能節(jié)電。

提高安全經(jīng)濟效益水平。安全經(jīng)濟效益是指通過安全投資實現(xiàn)的安全條件，在生產(chǎn)和生活過程中保障技術(shù)、環(huán)境及人員的能力和功能，并提高其潛能，為社會經(jīng)濟發(fā)展所帶來的利益。安全的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)為間接經(jīng)濟效益，它更多的是預防，改善了工人的工作條件。系統(tǒng)的實施不僅帶來生產(chǎn)效率的提高，同時還帶來生產(chǎn)安全水平的大幅提升。

目前，系統(tǒng)已經(jīng)在唐山某礦洗選煤廠工程項目得到應(yīng)用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，用戶反應(yīng)良好。