張鋁鎵

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719001)

煤礦智能化是煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐和必由之路[1]。曹家灘煤礦位于國(guó)家大型煤炭基地陜北榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模1 500萬(wàn)t/a，服務(wù)年限72 a。該煤礦現(xiàn)有110 kV變電站1座，地面配電室/變電所10座，井下變電所3座，箱式變電站8座。

曹家灘煤礦對(duì)地面所有變/配電室以及井下變電所在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)和綜合管控，通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+電力調(diào)控”，本著新思路、新技術(shù)、新裝備理念，對(duì)曹家灘煤礦智能供電綜合管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 智能供電綜合管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)因地制宜，多措并舉。結(jié)合曹家灘煤礦供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，充分利用現(xiàn)有智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)等技術(shù)資源，采用新建和改造相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)“調(diào)控一體化”。

(2)強(qiáng)化基礎(chǔ)，注重實(shí)用。加強(qiáng)基礎(chǔ)自動(dòng)化建設(shè)和管理，變電站應(yīng)具備綜合自動(dòng)化、支持遠(yuǎn)程瀏覽功能，調(diào)度主站具備通過(guò)遠(yuǎn)方終端、圖形網(wǎng)關(guān)等方式遠(yuǎn)程查看變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的能力；調(diào)度主站應(yīng)具備集中監(jiān)視與控制功能，并支持其他調(diào)度機(jī)構(gòu)、技術(shù)支持中心、檢修公司等通過(guò)遠(yuǎn)程瀏覽方式巡視變電站工況；同時(shí)能夠存儲(chǔ)和管理遠(yuǎn)程采集到的電量數(shù)據(jù)，并根據(jù)電網(wǎng)模型進(jìn)行分析和匯總。

(3)數(shù)據(jù)優(yōu)化，告警直傳。充分利用變電站設(shè)備模型數(shù)據(jù)的完整性和冗余性，就地對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、告警信息、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化處理，并將處理結(jié)果傳送至調(diào)控中心；能夠?qū)⒄{(diào)度指揮和電網(wǎng)分析所需、三相合相以及經(jīng)優(yōu)化精簡(jiǎn)的遙測(cè)和遙信數(shù)據(jù)傳送給主站，并將設(shè)備監(jiān)控所需的三相分相告警信息實(shí)時(shí)傳送至主站系統(tǒng)；能夠同時(shí)滿足電網(wǎng)調(diào)度和設(shè)備監(jiān)控的需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)畫面、實(shí)時(shí)功能的“源端維護(hù)、全網(wǎng)共享”，減少全系統(tǒng)的總體維護(hù)工作量。

(4)遠(yuǎn)程瀏覽，調(diào)控安全。變電站監(jiān)控信息，特別是變電站設(shè)備分相告警信息，經(jīng)分類優(yōu)化后直接接入調(diào)度控制系統(tǒng)，統(tǒng)一整合后提供給調(diào)度監(jiān)控值班人員。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備告警后，調(diào)度監(jiān)控人員可通過(guò)遠(yuǎn)程圖形終端直接瀏覽變電站內(nèi)完整的圖形和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。所有遠(yuǎn)方控制指令都應(yīng)采取身份認(rèn)證等安全措施，變電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠安全接收并正確執(zhí)行調(diào)度控制指令。

(5)高度集成，安全可靠。電能量計(jì)量系統(tǒng)需通過(guò)基礎(chǔ)平臺(tái)獲取統(tǒng)一的電網(wǎng)模型參數(shù)，能夠與實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊進(jìn)行信息交互獲取測(cè)量的遙信數(shù)據(jù)，處理旁路替代與故障告警分析，準(zhǔn)確、及時(shí)地反映出電網(wǎng)中上下網(wǎng)關(guān)口的電能量活動(dòng)情況。能夠?yàn)殡娏κ袌?chǎng)、營(yíng)銷管理等系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，保證結(jié)算、考核、線損管理、平衡分析、盈虧分析等業(yè)務(wù)的開展。

2 智能供電綜合管控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能供電綜合管控系統(tǒng)是將曹家灘煤礦地面所有變/配電室、箱式變壓器以及井下變電所的電力信息集成至全礦統(tǒng)一的電力監(jiān)控系統(tǒng)，搭建一體完整的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，增加地面變/配電所及變電站監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)，安裝繼電保護(hù)云平臺(tái)，以此實(shí)現(xiàn)全礦井的智能供電一體化監(jiān)控。

智能供電綜合管控系統(tǒng)采用分層分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)分為過(guò)程層、間隔層、調(diào)控層。變電所高低壓開關(guān)設(shè)備、配電站變壓器、礦用隔爆型移動(dòng)變電站及其控制器為過(guò)程層。變電所各間隔的微機(jī)綜合保護(hù)裝置為間隔層，變電所的交換機(jī)及井下隔爆防越級(jí)信息交互交換機(jī)彼此相連組成光纖通信網(wǎng)，通信管理機(jī)及礦用隔爆電力監(jiān)控分站通過(guò)光纖網(wǎng)將各變電所的四遙(遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào))信息傳至本地監(jiān)控系統(tǒng)，并統(tǒng)一接入礦調(diào)控系統(tǒng)。過(guò)程層和間隔層構(gòu)成站端層，現(xiàn)場(chǎng)總線、控制信號(hào)線構(gòu)成了過(guò)程層與間隔層的網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)、交換機(jī)構(gòu)成了間隔層與調(diào)控層的網(wǎng)絡(luò)。通信管理機(jī)、礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站、變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)為子站層，調(diào)度中心智能綜合管控系統(tǒng)為主站層，子站層和主站層構(gòu)成調(diào)控層。礦山智能供電綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能供電綜合管控系統(tǒng)架構(gòu)

3 智能供電綜合管控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 智能防越級(jí)跳閘功能設(shè)計(jì)

曹家灘煤礦智能防越級(jí)跳閘功能采用分布式區(qū)域保護(hù)原理[2-3]，即為各級(jí)保護(hù)建立信號(hào)聯(lián)系，當(dāng)任何一級(jí)保護(hù)在檢測(cè)到短路故障時(shí)，迅速發(fā)出閉鎖信號(hào)，閉鎖其上一級(jí)保護(hù)，以將故障鎖定在最小跳閘范圍內(nèi)[4-5]。

當(dāng)斷路器失靈時(shí)，上級(jí)保護(hù)可快速動(dòng)作，母線故障可實(shí)現(xiàn)快速跳閘。區(qū)域保護(hù)適用于分支較多的配電網(wǎng)，解決保護(hù)電流定值無(wú)法滿足選擇性、電流保護(hù)時(shí)限級(jí)差無(wú)法配合等問(wèn)題。分布式區(qū)域保護(hù)原理如圖2所示。

3.2 變電站監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

在各個(gè)變/配電所及變電站增加監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，變電站監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能由能源管理模塊、智能巡檢機(jī)器人以及后臺(tái)軟件等部分組成。

3.2.1 能源管理模塊

地面及井下變/配電所增加電度表等相關(guān)設(shè)備，搭建能源管理模塊。該模塊具有電量統(tǒng)計(jì)功能，高壓保護(hù)器計(jì)量精度不低于0.5 s級(jí)，實(shí)現(xiàn)電量遠(yuǎn)程自動(dòng)抄錄和尖、峰、平、谷分時(shí)計(jì)量以及最大需量的抄錄[6-7]，可提供各單位、各設(shè)備任一時(shí)間段的用電情況，并自動(dòng)生成班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)等多種形式報(bào)表。能源管理模塊界面如圖3所示。

圖3 能源管理模塊界面

3.2.2 智能巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人的巡檢方式可以依靠巡檢點(diǎn)和指定路線進(jìn)行[8-9]。當(dāng)設(shè)備發(fā)生報(bào)警后，監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)z像頭本體可直接到達(dá)對(duì)應(yīng)的指定設(shè)備，攝像可360°自由旋轉(zhuǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦，儀表讀數(shù)和指示燈狀態(tài)可清晰顯示。搭配拾音器進(jìn)行聲音采集，通過(guò)配置對(duì)講機(jī)可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互，主控室的人員可通過(guò)語(yǔ)音指示智能巡檢機(jī)器人附近人員工作，且系統(tǒng)具備強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，可接入相關(guān)智能管控系統(tǒng)和泛在物聯(lián)網(wǎng)[10]，在完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)后，支持遠(yuǎn)方Web訪問(wèn)，遠(yuǎn)方專家可直接同步現(xiàn)場(chǎng)音視頻及數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合開展故障分析診斷，實(shí)現(xiàn)智力資源共享。地面變電所智能巡檢機(jī)器人工作場(chǎng)景如圖4所示，井下變電所智能巡檢機(jī)器人工作場(chǎng)景如圖5所示。

圖4 地面變電所智能巡檢機(jī)器人工作場(chǎng)景

圖5 井下變電所智能巡檢機(jī)器人工作場(chǎng)景

3.2.3 后臺(tái)軟件

后臺(tái)軟件功能包括集控特色功能和國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化后臺(tái)功能2個(gè)部分，并分別在集控Web服務(wù)端和標(biāo)準(zhǔn)化Web服務(wù)端實(shí)現(xiàn)。集控Web服務(wù)端和標(biāo)準(zhǔn)化Web服務(wù)端均與后臺(tái)軟件交互(ICE接口)且均使用1套數(shù)據(jù)庫(kù)(此數(shù)據(jù)庫(kù)與站內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)保持一致)。集控Web服務(wù)端使用默認(rèn)操作系統(tǒng)展示集控多站的概覽狀況及統(tǒng)計(jì)信息。同時(shí)，可通過(guò)選擇單個(gè)變電站進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化Web服務(wù)端展現(xiàn)國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化后臺(tái)界面，以完成標(biāo)準(zhǔn)化后臺(tái)功能交互。本監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)利用此后臺(tái)軟件以及采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攝像頭監(jiān)控、巡檢任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行以及巡檢數(shù)據(jù)和站內(nèi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳等有效管理。后臺(tái)軟件界面如圖6所示。

圖6 后臺(tái)軟件界面

3.3 供電系統(tǒng)故障診斷及預(yù)警功能設(shè)計(jì)

針對(duì)供電系統(tǒng)故障診斷及智能預(yù)警問(wèn)題，采用特殊數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建設(shè)礦井電力系統(tǒng)故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)。

智能供電管控平臺(tái)提供故障的各方面分析依據(jù)及預(yù)警菜單，具有供電系統(tǒng)故障診斷和預(yù)警功能[11-15]。故障診斷流程如圖7所示，智能預(yù)警流程如圖8所示。

圖7 故障診斷流程

3.4 繼電保護(hù)云平臺(tái)

繼電保護(hù)云平臺(tái)具有智能繪圖、選型及計(jì)算功能，一是能夠通過(guò)“繪圖工具箱”的圖塊自動(dòng)生成供電系統(tǒng)圖；二是能使用“選型”模塊對(duì)設(shè)備、電纜、變壓器、高低壓開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置及計(jì)算；三是能在供電系統(tǒng)圖上自動(dòng)計(jì)算及標(biāo)注電纜編號(hào)、型號(hào)、開關(guān)編號(hào)、型號(hào)、整定值、末端二相短路電流及靈敏系數(shù)，以表格的形式自動(dòng)生成各臺(tái)開關(guān)的編號(hào)、型號(hào)、整定值和末端二相短路電流和靈敏系數(shù)，以及各條電纜編號(hào)、型號(hào)、所帶負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)載流量及電壓損失百分?jǐn)?shù)等。繼電保護(hù)平臺(tái)界面如圖9所示。

圖9 繼電保護(hù)平臺(tái)界面

4 應(yīng)用效果

2022年4月，智能供電綜合管控系統(tǒng)開始試運(yùn)行，現(xiàn)以運(yùn)行的8個(gè)變電站為例，分別從人員和成本等方面進(jìn)行年效益分析。

在傳統(tǒng)運(yùn)維模式下，每個(gè)變電站為單獨(dú)值班，每天3班，每班2人，則每個(gè)變電站需要6人，8個(gè)變電站共需要48人，此外還需配15人進(jìn)行機(jī)電搶修，總?cè)藬?shù)為63人。其中，人均工資按照8 000元/月計(jì)算，搶修費(fèi)用按照80萬(wàn)元/a計(jì)算，則運(yùn)維成本為685萬(wàn)元/a。

在智能供電綜合管控運(yùn)維模式下，可將8個(gè)變電站分為2個(gè)區(qū)，由調(diào)度統(tǒng)一調(diào)控，每區(qū)3班，每班2人，則2個(gè)區(qū)需要12人，此外還需配1人進(jìn)行運(yùn)維調(diào)控，6人進(jìn)行機(jī)電搶修，總?cè)藬?shù)為19人。其中，人均工資按照9 000元/月計(jì)算，搶修費(fèi)用按照50萬(wàn)元/a計(jì)算，則運(yùn)維成本為255萬(wàn)元/a。

對(duì)比2種運(yùn)維模式，發(fā)現(xiàn)調(diào)控運(yùn)維模式可減少人員44人，年節(jié)省人力達(dá)70%；節(jié)約成本430萬(wàn)元，年節(jié)省成本62.7%。由此可見，智能供電綜合管控可以大大提高服務(wù)效率、降低運(yùn)維成本。同時(shí)，該系統(tǒng)可對(duì)存在安全隱患的設(shè)備提前預(yù)警和處理，具有多角度、多平臺(tái)監(jiān)控和管理的智能運(yùn)維模式，大大提高了供電的安全可靠性。此外，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的智慧能源數(shù)字化、精細(xì)化管理可配合制定中長(zhǎng)期能源發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)行企業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)信息共享、資源共享，并與智慧城市建設(shè)接軌，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能供電綜合管控系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用，減少了技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維成本和電力場(chǎng)所運(yùn)維人數(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井所有變電所的無(wú)人值守目標(biāo)，提高了電力系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，減少了大面積越級(jí)跳閘造成的停電次數(shù)。該系統(tǒng)提供了可靠的故障分析依據(jù)，減少了判斷故障發(fā)生時(shí)所需的時(shí)間，保障了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和電力相關(guān)涉及的技術(shù)人員安全。同時(shí)，該系統(tǒng)集中了電力調(diào)度能力，設(shè)備遠(yuǎn)程操作直接降低了現(xiàn)場(chǎng)操作的危險(xiǎn)，并且各獨(dú)立單元都具有閉鎖功能，減少了人員主觀誤操作的可能性，增加了對(duì)能源消耗方面的數(shù)據(jù)分析手段。