摘 要：以高莊煤業(yè)為對象，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)計與實施研究。實施結(jié)果表明，智能供電系統(tǒng)運行可靠、安全、穩(wěn)定，減少無計劃停電，降低設(shè)備運行成本，解決以往供電系統(tǒng)存在的短路越級、漏電誤動拒動等問題，安全經(jīng)濟效益顯著。

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：TD61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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)計和實施方案，實現(xiàn)供電系統(tǒng)“減員增效，無人值守”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10 kV高壓開關(guān)柜，配有數(shù)字式線路保護(hù)測控裝置、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臺監(jiān)控主機，實現(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)，完善防越級跳閘系統(tǒng)；修復(fù)和升級開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 選煤廠和風(fēng)井場地10 kV變電所

選煤廠和風(fēng)井場地10 kV變電所高壓開關(guān)分別為18、14臺，均配有數(shù)字式保護(hù)測控裝置、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)裝置增強防越級跳閘系統(tǒng)，均需加裝視頻監(jiān)控和高級電弧光保護(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，配有數(shù)字式保護(hù)測控裝置、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，配有數(shù)字式保護(hù)測控裝置；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)柜觸頭溫度測量、母線快速電弧光保護(hù)。主要通風(fēng)機房配電室有高壓開關(guān)12臺，配有數(shù)字式保護(hù)測控裝置；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、低壓饋電開關(guān)16臺，配有數(shù)字式保護(hù)測控裝置；需增加電力監(jiān)控和防越級跳閘功能。井下采區(qū)變電所有高壓開關(guān)19臺，具有電力監(jiān)控分站；需新建變電所增強電力監(jiān)控和防越級跳閘功能。

2 智能供電系統(tǒng)的設(shè)計研究

2.1 設(shè)計原則

智能供電系統(tǒng)設(shè)計需遵循先進(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。在平臺選擇、硬件選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)級可靠性、設(shè)備級可靠性、模塊級可靠性、鏈路級可靠性和系統(tǒng)可靠性。開放性原則主要有系統(tǒng)架構(gòu)可擴展性和應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)可擴展性、應(yīng)用新技術(shù)可擴展性和滿足業(yè)務(wù)規(guī)?？蓴U展性。易維護(hù)原則主要有維護(hù)與管理、功能實現(xiàn)、支持決策[3]。

2.2 智能供電系統(tǒng)設(shè)計方案

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，實時接收來自監(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)場的電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時傳輸回主站。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)定運行。

智能供電系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、繼電保護(hù)、運行管理等功能。①實時監(jiān)控。系統(tǒng)實時監(jiān)測井下電網(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)會立即采取措施，保護(hù)設(shè)備和人員安全。③運行管理。系統(tǒng)提供全面運行數(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)智能識別，提高了系統(tǒng)對各種異常的識別速度和準(zhǔn)確度，提升了整個電網(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。智能供電主站平臺作為系統(tǒng)的大腦，其整合各監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)，對整個電力系統(tǒng)進(jìn)行實時控制；實時分析數(shù)據(jù)，識別和響應(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，提供無縫的服務(wù)。主/輔熱備用系統(tǒng)設(shè)計有主備機制，確保在主服務(wù)器發(fā)生故障時，輔助系統(tǒng)可以立即接管，無縫地繼續(xù)服務(wù)。

采用數(shù)據(jù)平臺層、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口層、高層的應(yīng)用模塊3層設(shè)計思想。①數(shù)據(jù)平臺層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)收集、存儲、初步處理來自各監(jiān)控點的數(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)用模塊間的無縫流動。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)控數(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，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，適用于需要長距離、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊稀?/p>

電力監(jiān)控分站可采用級聯(lián)、環(huán)網(wǎng)、點對點結(jié)構(gòu)單獨組成以太網(wǎng)，提供多種組網(wǎng)選項，適應(yīng)不同的監(jiān)控需求和地理環(huán)境。獨立以太網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，增強網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴展性。

通信特點和優(yōu)勢：采用獨立通信接口，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。通過獨立的通信路徑增強了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。即使發(fā)生故障時，系統(tǒng)也能夠快速地診斷并傳遞信息到主站，以及時響應(yīng)。

3 智能供電系統(tǒng)的實施方案研究

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

3.1 地面電力監(jiān)控中心的智能化改造實施

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、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)，增強安全管控能力；采用能耗在線監(jiān)測軟件，對用電設(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、信息化手段實現(xiàn)巡檢工作智能化。

3.2 110 kV變電站的智能化改造實施

防越級跳閘功能的實施。在10 kV高壓開關(guān)柜特定位置（563柜、861柜等）加裝防越級跳閘功能保護(hù)裝置。實現(xiàn)與工業(yè)場地10 kV變電所、選煤廠10 kV變電所之間防越級跳閘功能。增加的保護(hù)裝置信息通過交換機上傳至地面電力監(jiān)控中心，實現(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，實現(xiàn)能耗統(tǒng)計和分析；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，實現(xiàn)快速保護(hù)動作。

在10 kV高壓室安裝智能巡檢機器人，執(zhí)行開關(guān)柜紅外測溫，局放檢測，自動識別運行狀態(tài)和設(shè)備工況信息。降低員工工作強度，實現(xiàn)無人或少人運維。

測溫系統(tǒng)。在開關(guān)柜安裝測溫傳感器和測溫主機，實現(xiàn)開關(guān)各間隔的9點測溫功能，通過通信服務(wù)器實時上傳數(shù)據(jù)。

3.3 選煤廠及風(fēng)井場地10 kV變電所智能化改造實施

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。防越級跳閘功能，實現(xiàn)與110 kV變電站562柜、862柜間防越級跳閘功能，增強系統(tǒng)安全性和可靠性。

風(fēng)井場地10 kV變電所的改造：①更換工業(yè)場地10 kV變電所9臺保護(hù)器，實現(xiàn)風(fēng)井場地10 kV變電所內(nèi)及與110kV變電站557柜、855柜之間防越級跳閘功能。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)計和分析提供數(shù)據(jù)支持，小電流選線裝置實現(xiàn)在發(fā)生單相接地故障時準(zhǔn)確選線功能。③安裝42個弧光傳感器、1臺主控單元、14臺弧光單元，實現(xiàn)對母線、斷路器和負(fù)荷的快速保護(hù)。④測溫系統(tǒng)。安裝126個測溫傳感器、14臺測溫主機，實現(xiàn)高壓開關(guān)柜的9點測溫功能，并實時上傳數(shù)據(jù)。

3.4 高壓配電室的智能化改造實施

主斜井井口房高壓配電室改造：①更換9臺保護(hù)器，實現(xiàn)與110 kV變電站之間防越級跳閘功能，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)，對能耗進(jìn)行統(tǒng)計分析。安裝小電流選線裝置并接入電力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)在發(fā)生單相接地故障時準(zhǔn)確選線功能。③配備39個弧光傳感器、1臺主控單元、13臺弧光單元，為母線室和開關(guān)柜室提供快速保護(hù)動作。④測溫系統(tǒng)，安裝117個測溫傳感器、13臺測溫主機，對高壓開關(guān)進(jìn)行全面溫度監(jiān)控，實時上傳數(shù)據(jù)。

壓風(fēng)制氮車間高壓配電室的改造：①更換15臺保護(hù)器，實現(xiàn)與工業(yè)場地10 kV變電所之間防越級跳閘功能。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)，對電度量進(jìn)行采集并進(jìn)行能耗統(tǒng)計分析。更換已損壞的小電流選線裝置，保證在發(fā)生單相接地故障時準(zhǔn)確選線和數(shù)據(jù)上傳。③安裝54個弧光傳感器、1臺主控單元、18臺弧光單元，對高壓配電室母線、斷路器和負(fù)荷進(jìn)行快速保護(hù)。④測溫系統(tǒng)。安裝162個測溫傳感器和18臺測溫主機，用于10 kV高壓開關(guān)的細(xì)致溫度監(jiān)控，并確保實時數(shù)據(jù)上傳。

主要通風(fēng)機房高壓配電室的改造：①更換7臺保護(hù)器，建立與風(fēng)井場地10 kV變電所之間的防越級跳閘功能。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，實現(xiàn)電度量采集，提供了能耗統(tǒng)計和分析。安裝小電流選線裝置確保單相接地故障發(fā)生時的準(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個弧光傳感器、1臺主控單元、12臺弧光單元，以實現(xiàn)快速保護(hù)動作。④測溫系統(tǒng)。安裝108個測溫傳感器、12臺測溫主機，對10 kV高壓開關(guān)的每個間隔進(jìn)行詳細(xì)的溫度監(jiān)控，并通過通信服務(wù)器實時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 實踐應(yīng)用效果分析

高莊煤業(yè)智能供電系統(tǒng)設(shè)計改造完成后投入實踐應(yīng)用中，有效提高了該煤礦供電的自動化和智能化水平。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，實現(xiàn)了該煤礦地面電力監(jiān)控中心、110 kV變電站、多個10 kV變電所和高壓配電室的無人值守運行。大幅度減少了工業(yè)場地、選煤廠、風(fēng)井場地、主斜井井口房、壓風(fēng)制氮車間和主要通風(fēng)機房等關(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、清晰、全面和準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運行狀態(tài)。這些系統(tǒng)的集成不僅提高了設(shè)備的運行效率，還增強了對設(shè)備狀態(tài)的實時掌握，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、漏電越級跳閘”類事故的發(fā)生。增強了供電系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)無計劃停電的時間，直接帶來了經(jīng)濟效益。項目完成后每個變電所和開閉所節(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供電系統(tǒng)的運行效率和經(jīng)濟效益，為智能礦山建設(shè)提供了有力支持。

5 結(jié)束語

高莊煤業(yè)智能供電系統(tǒng)的設(shè)計與實施有效整合了地面電力監(jiān)控中心、110 kV變電站、多個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)實施結(jié)果表明，電網(wǎng)繼電保護(hù)選擇性得到顯著提高，無計劃停電時間減少，運營成本節(jié)約，有效推動了智能礦山的建設(shè)，為煤礦智能化改造提供了成功案例。

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第一作者簡介：郭浩（1984-），男，助理工程師。研究方向為煤礦工程技術(shù)（電力工程）。