徐 凱

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

李家塔煤礦是由司法部和內(nèi)蒙古自治區(qū)政府聯(lián)營(yíng)建設(shè)的大型國(guó)有重點(diǎn)煤礦，煤礦隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)監(jiān)獄管理局。2015年產(chǎn)能升級(jí)后，核定生產(chǎn)能力為3.00 Mt/a。為提升礦井的自動(dòng)化、智能化水平，于2018年底對(duì)井下中央變電所進(jìn)行了無(wú)人值守系統(tǒng)改造，對(duì)井下供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在地面集控室內(nèi)對(duì)井下高壓配電柜高壓開(kāi)電流、電壓等電量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程進(jìn)行分、合閘操作，以及對(duì)高壓柜微機(jī)綜合保護(hù)裝置進(jìn)行故障復(fù)位、參數(shù)整定等；對(duì)低壓配電柜實(shí)現(xiàn)斷路器分、合狀態(tài)監(jiān)視、回路電流信號(hào)監(jiān)測(cè)、母線電壓監(jiān)測(cè)以及斷路器分、合閘遠(yuǎn)程操作等功能，井下中央變電所實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守、有人巡視”的工作模式。

李家塔煤礦井下中央變電所位于井底車場(chǎng)，變電所內(nèi)高、低壓配電柜均選用礦用一般型。高壓配電柜內(nèi)配有微機(jī)綜合保護(hù)裝置，具有遠(yuǎn)方操控功能，僅需要增加電力分站解決通信問(wèn)題，容易改造實(shí)現(xiàn)。無(wú)人值守系統(tǒng)涉及的視頻監(jiān)控信號(hào)，在礦井視頻改造工程中已在井下中央變電所設(shè)置了4臺(tái)高清視頻攝像機(jī)，視頻信號(hào)通過(guò)井下光纖環(huán)網(wǎng)傳輸至地面集控室。文中主要討論低壓配電系統(tǒng)的無(wú)人值守改造方案。

1 系統(tǒng)分析

井下中央變電所低壓配電柜采用礦用一般型，使用年限較長(zhǎng)，原設(shè)計(jì)低壓配電回路僅配有指針式電流表、電壓表，不具有信號(hào)上傳功能，且不能采集配電柜內(nèi)斷路器分合閘狀態(tài)信號(hào)，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控的分、合閘操作。為實(shí)現(xiàn)低壓系統(tǒng)的無(wú)人值守改造需為斷路器增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，同時(shí)需增加具有以下功能的智能設(shè)備：①具有通信功能，能將采集到的信息進(jìn)行上傳，將集控室上位機(jī)命令進(jìn)行下傳；②具有模擬量采集功能，能夠采集低壓柜內(nèi)電壓或電流信號(hào)；③具有數(shù)字量輸入功能，能夠?qū)ε潆姽駜?nèi)斷路器、接觸器等主回路元器件分、合狀態(tài)進(jìn)行采集；④具有數(shù)字量輸出功能，能夠?qū)ε潆姽駜?nèi)斷路器、接觸器等主回路元器件分、合閘控制。

根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果對(duì)比目前市場(chǎng)上存在的井下配電智能化產(chǎn)品可采用多功能智能儀表、遠(yuǎn)程智能I/O模塊等。在本改造項(xiàng)目中，在井下對(duì)低壓配電柜進(jìn)行柜面開(kāi)孔操作難度較大，多功能智能儀表的多功能顯示等功能無(wú)法發(fā)揮作用，且造價(jià)較高；遠(yuǎn)程智能I/O模塊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、精巧、可靠，輸入、輸出及通信功能均可滿足項(xiàng)目需求，且造價(jià)較低。所以本次改造選擇在低壓配電柜內(nèi)增加遠(yuǎn)程智能I/O模塊對(duì)斷路器分、合閘狀態(tài)及配電回路電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)斷路器分、合閘操作進(jìn)行控制。僅在低壓進(jìn)線柜內(nèi)設(shè)多功能智能儀表對(duì)系統(tǒng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)等系統(tǒng)電量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)

井下中央變電所低壓配電柜內(nèi)安裝斷路器為常熟開(kāi)關(guān)廠CM1型塑殼斷路器，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分、合閘操作，按照現(xiàn)有斷路器規(guī)格配套FDC1系列電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)電源采用127 V，引自井下中央變電所低壓配電柜內(nèi)控制變壓器，分、合閘控制接點(diǎn)信號(hào)由遠(yuǎn)程智能I/O模塊提供。

2.2 遠(yuǎn)程智能I/O模塊

遠(yuǎn)程智能I/O模塊選擇常熟開(kāi)關(guān)廠CI1-SCM423型，具有4路數(shù)字量輸入，2路數(shù)字量輸出，可采集3路單相電流，同時(shí)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口、ModBus-RTU協(xié)議可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙信、遙控及遙測(cè)功能。能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)回路電流、斷路器合分閘狀態(tài)、故障狀態(tài)等重要信息。CI1-SCM423具有3路0～5 A工頻電流輸入，用戶可外接5～10 000 A輸入/5 A輸出的一次側(cè)電流互感器，以適應(yīng)不同的配電系統(tǒng)。不同的一次側(cè)輸入電流，可通過(guò)修改模塊的CT變比值來(lái)適應(yīng)。每路電流輸入有一個(gè)對(duì)應(yīng)的指示燈，當(dāng)電流超出設(shè)置的電流報(bào)警閾值進(jìn)行報(bào)警；CI1系列的數(shù)字輸入均采用無(wú)源干接點(diǎn)輸入方式，無(wú)需外部電源。數(shù)字輸出均有自保持/脈沖兩種輸出方式，自保持方式下，模塊接收命令使繼電器輸出為ON或OFF，在沒(méi)有新的命令來(lái)之前，一直保持此狀態(tài)。脈沖方式下，模塊接收ON命令使繼電器輸出為ON，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，自行釋放為OFF。

遠(yuǎn)程智能I/O模塊與電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)接線，如圖1所示。遠(yuǎn)程智能I/O模塊通過(guò)電流互感器(CT)采集配電回路的A、C兩相電流；通過(guò)數(shù)字量輸入接口采集斷路器(QF)分、合閘狀態(tài)，當(dāng)有其他需采集的數(shù)字量信號(hào)時(shí)可順序接入DI2、DI3、DI4通道，最多可采集4臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)。通過(guò)數(shù)字量輸出接口發(fā)出分、合閘指令，指示電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)配電回路的遠(yuǎn)程操作。

CI1-SCM423-遠(yuǎn)程智能I/O模塊；FDC1/CM3-電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)；CT-電流互感器；QF-斷路器輔助觸點(diǎn)

2.3 系統(tǒng)組網(wǎng)

井下中央變電所本次新增1臺(tái)KJ736-F礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站，通過(guò)RS485總線連接高壓配電柜內(nèi)微機(jī)綜合保護(hù)裝置、低壓系統(tǒng)內(nèi)多功能智能儀表及遠(yuǎn)程智能I/O模塊等。李家塔煤礦目前已建成井下光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，井下主變電所設(shè)有環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可通過(guò)井下光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳至地面集控室。系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組網(wǎng)示意

井下監(jiān)控部分主要由KJ736-F礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站一方面通過(guò)RS485、CAN、以太網(wǎng)等總線連接底層設(shè)備，另一方面通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度中心，通過(guò)采集服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)控主機(jī)通過(guò)環(huán)網(wǎng)與服務(wù)器之間信息的中轉(zhuǎn)、存貯、處理；完成數(shù)據(jù)打包、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息本地顯示、系統(tǒng)本地監(jiān)控和整定工作。主機(jī)、分站、保護(hù)器三級(jí)設(shè)備獨(dú)立工作，上級(jí)設(shè)備和通訊線路的損壞不影響下層設(shè)備的運(yùn)行。主機(jī)采用Windows XP操作平臺(tái)，分站采用Linux操作系統(tǒng)，不同內(nèi)核的操作系統(tǒng)使來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)病毒不能侵入通訊分站及其下層設(shè)備，保證井下供電系統(tǒng)的安全。

3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行模式

在地面集控室設(shè)2臺(tái)工控機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)主站，系統(tǒng)主站通過(guò)礦井井下光纖環(huán)網(wǎng)可收集井下電力監(jiān)控分站上行傳輸?shù)木轮醒胱冸娝到y(tǒng)運(yùn)行電量參數(shù)，并在監(jiān)控軟件上實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)可進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)出斷路器的分、合閘指令，實(shí)現(xiàn)在地面集控室對(duì)井下配電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)界面

系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖3所示，該窗口監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，圖中以開(kāi)關(guān)設(shè)備的顏色代表設(shè)備不同狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

監(jiān)控系統(tǒng)軟件可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，以各種報(bào)表及圖畫(huà)的形式進(jìn)行直觀的顯示，可查看該設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)曲線，以及可對(duì)該設(shè)備進(jìn)行遙控操作，定值設(shè)置，投退設(shè)置；并可對(duì)電量參數(shù)進(jìn)行按時(shí)間、按類型、按系統(tǒng)等不同的需求進(jìn)行分類，形成曲線圖等，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行量化的分析與顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

李家塔煤礦井下中央變電所無(wú)人值守系統(tǒng)投入使用后，可在地面集控室對(duì)井下中央變電所運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，供電系統(tǒng)運(yùn)行管理人員對(duì)系統(tǒng)有更全面的了解，可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)的安排維護(hù)工作，極大地提高了供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。變電所運(yùn)行信息的采集和上傳后可在地面服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用，為后期礦井信息化、智能化的進(jìn)一步建設(shè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。無(wú)人值守系統(tǒng)改變了井下中央變電所的工作模式，從有人值守改為無(wú)人值守，有人巡視，降低了井下工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了井下值班人員數(shù)量，在減員增效方面效果明顯，特別適用于對(duì)井下變電所老舊系統(tǒng)的改造，提升供電系統(tǒng)的智能化水平。