煤矿智能供电监控系统设计研究

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煤矿智能化矿山的建设促进了煤矿供电监控系统往智能化方向发展。针对煤矿供电系统负载功率大、冲击负载多、现场环境恶劣等特点，分析了煤矿供电监控系统存在的问题，并设计了一套集能源管理、智能保护等功能于一体的煤矿智能供电监控系统，详细介绍了煤矿智能供电监控系统的网络结构、硬件组成及系统功能，为煤矿智能供电监控系统建设提供了借鉴。目前，煤矿电力监控系统偏重于监控较多，保护功能不强。而煤矿的供电系统保护功能要求的又较高，煤矿智能供电监控系统将能源管理、设备预警、智能保护功能有机结合到供电监控系统中，是一种能解决煤矿供电系统问题、集保护与预警于一体的综合性智能供电监控系统［1－3］。

1煤矿电力系统现状

1.1煤矿电力系统简介

煤矿电力系统主要由地面变电站和井下供电系统组成。地面变电站一般为10kV或35kV。井下一般为中央变电所和采区供电系统。目前煤矿电力系统已配置较为完善的综保装置，对于地面变电站，大多数已上综保装置和电力监控系统，可以在上位机监控变电站的运行状况。对于井下变电所，一般分为两部分，一部分为中央变电所，负责井下所有设备的供电，中央变电所设备主要是高压配电装置，控制并保护分配到各个用电点的线路;另一部分为采区供电，采区供电核心为移动变电站或采区变电所，目前所接触的移动变电站都有接口可以外接，通信协议大多数是标准电力规约及标准通讯协议。此外，具体到设备，不同的矿差别较大，有的矿配备变频装置会有配套的配电柜;有的矿配备馈电开关，目前的智能型馈电开关也具备通信接口;有的矿只是配高压开关，只具备简单的开停控制功能，无监测及通信功能。高压配电装置主要是对高电压(10kV或35kV)、三相交流中性点不直接接地的供电系统进行控制、保护和测量，可作井下中央变电所和移动变电站的配电使用。高压配电装置主要由两部分组成:一部分为综保，主要测量各种参数，发送控制命令，故障保护;另一部分为执行机构，包括高压断路器、隔离开关等。电气参数和功能主要有:额定电压、最大工作电压、操作过电压、额定电流、短路开断电流。实现的保护功能有:短路保护、过载保护、漏电保护、双屏蔽电缆绝缘监视保护、失压保护、过压保护、断相保护、超温保护等。馈电开关主要是对井下变电站经变压后输出1140V或660V电压，电流为630A以下的中性点不接地的三相电网中，作为配电开关之用。电气参数和功能主要有:额定工作电压、额定工作电流、最大分断能力等。实现的保护有:短路保护、过载保护、漏电闭锁、漏电保护、缺相保护等。采区电力系统监控保护的电力设备主要有:移动变电站、高压配电装置、馈电开关、组合开关等。

1.2煤矿电力系统特点

1)用电设备功率大。煤矿企业的各种大功率设备较多，如主通风机电机、大型胶带电机、采煤机、掘进机等。这些负载的功率很大，启动及运行时，供电电流较大。2)冲击负载多。煤矿企业的各种设备启动电流很大，甚至能达到工作额定电流的4～7倍，有些设备不但启动电流很大，而且有很低的滞后功率因数，造成煤矿供电系统电压波动更大。此外，有些设备，如掘进机、钻机等在掘进过程中，负载变化很大，这种冲击负载在工作过程中剧烈变化，造成冲击电流和冲击电压很大。3)高压开关厂家众多，型号复杂。目前，煤矿企业每上一个新的系统，往往会有配套的高压开关，由于系统的厂家不同，也就造成每个系统的高压开关都不相同，且同一系统的高压开关型号、电压等级、保护类型等也不尽相同，这就形成了目前煤矿高压开关厂家众多，型号复杂的情况，造成整定保护困难，经常出现越级跳闸现象。4)现场环境恶劣，布线不规范。煤矿现场高湿，有些环境还存在腐蚀性气体，这就造成供电线路极易老化，短路、断路、接触不良等事故频发。此外，有些煤矿巷道狭窄，人、车、线走同一条巷道，极易发生电缆被撞断等情况。同时，在某些采用炮采工艺的煤矿，有时会发生电缆被炸飞的情况。

1.3煤矿电力系统问题

1)供电系统不稳定。由于煤矿井下生产环境比较潮湿，条件比较恶劣，巷道比较狭窄，电气设备的绝缘容易受潮，电缆也可能被脱落的煤块或岩石砸伤，从而容易造成漏电和接地等事故的发生。煤矿供电系统采用中性点非有效接地系统，允许带故障运行不超2h，但长时间的接地运行会因接地故障点与大地接触不良形成高阻接地，在接地点会产生弧光放电，造成电压急剧升高，从而引起电能、磁能震荡。其弧光过电压产生4～5倍的额定电压，导致系统电缆中较薄弱的地方击穿放炮，并有可能发生相间短路，造成开关设备的损坏，影响正常生产，给矿井和人身带来严重的危害。同时，由于煤矿用电设备负载大，冲击负载大，造成电压不稳定。2)越级跳闸。发生这种现象的主要原因是现在的开关种类比较多，而各种开关的设计方式，特别是保护元件的保护方式不同，甚至出现相互抵触的现象。因而不同的开关在一起使用时就会出现误动跳闸现象。3)小电流接地选线。小电流接地系统是指中性点不接地、经消弧线圈接地或经高阻接地方式的电力系统，国内大部分66kV及以下电网都采用这种接地方式，煤矿井下亦是如此。它的主要缺点是在发生单相接地故障时无法迅速确认问题出在哪一条线路上。对于110kV以下的不接地系统，特别是采用电缆出线而且有出线距离比较长的，当某相邻出线产生接地故障的时候，非故障长线路也会产生大的零序电流，而由于零序保护的无方向性，可能会导致零序保护误动作，所以在继电保护里增加接地选线功能，除了判断零序电流的大小之外还要比较电流方向，从而防止误动作。

2智能供电监控系统设计

针对目前煤矿供电系统存在的问题，本文设计了一款煤矿智能供电监控系统。

2.1系统硬件组成系统硬件主要由以下几部分组成:电力监控分站、高压配电装置、低压组合开关、智能保护控制器、防雷器、防爆交换机、工控机、打印机、UPS电源、配件［4］。电力监控分站的作用主要有三部分:采集数据、显示控制、通信传输。具体来说就是:电力监控分站采集高压馈电开关内置的综保信息，在就地的触摸屏上显示出来，然后再接入煤矿网络，上传到地面，接收工控机的控制信号，控制高压馈电开关动作。电力监控分站主要由以下几部分组成:变压器、电源、备用电池、显示屏、键盘、通信管理机、光端机或光电转换模块(至少两光两电)。

2.2智能供电监控系统

智能供电监控系统主要用于煤矿供电系统和运转设备的监测、控制、管理和安全保护等方面，实现供电系统和设备的在线参数监测、远程操作控制、实时事故报警、数据统计分析、运行安全保护、用电计量管理等监控管理功能;提供遥测、遥信、遥调、遥控、遥视、遥播、遥讯、遥试“八遥操控”、事故报警、保护、定位和事故快速解决的手段，具有解决供电系统越级跳闸、电压波动跳闸、漏电接地选线、突发停电事故恢复、负荷控制等电力运行难题的实用方案，系统的高精度计量监测、专业图表分析工具、录波分析工具和智能专家系统，是加强供电管理、减少事故、降低损耗、节约电能、提高运行效率和管理水平的最新现代化工具，运用系统网络远程操作控制和智能程控技术，实现煤矿供电系统和生产设备的全面自动化无人值守智能监控管理。智能电力监控系统建立在1000M冗余工业以太环网、高速专用电力监控现场总线、CAN/ＲS485工业现场总线、无线通信构成的多层分布式煤矿宽带工业网络平台上，配有各种电力监控应用软件，是集监控、显示、保护、控制、采集等多种功能的监控系统，根据需要可在不同网络层接入不同通讯接口的各种监控装置和各种设备、环境监控系统，兼容各种接口设备。同时提供标准数据接口，实现与矿井自动化信息平台无缝连接，为信息平台提供供电数据，实现一体化的全矿井安全生产监控和自动化、信息化系统。系统将供电系统监控、变电所环境监控及IP电话、IP广播、视频等多源异质数据有机融合，实现电力监控、视频、语音、广播联动，建立了一套综合性多媒体数字化电力监控管理系统，监控的内容和范围更宽、更全面，使管理和操控人员在全面的多媒体信息化环境中身临其境般的实现更加可靠的远程管理和操控。智能电力监控系统采用系统控制技术、模糊逻辑控制、神经网络控制技术、专家控制、学习控制、分层递阶智能控制等智能控制理论和技术，将监控从自动化程序控制升级到智能化管理控制，使电力控制和保护从单节点、单设备、单参数独立控制扩展到系统整体相互协作的智能化系统控制，特别适应煤矿电力系统复杂多变的工作条件和环境，能够解决煤矿安全、生产和控制中现存的突发停电问题，监控保护更加合理、全面、可靠、简单，功能更强大。

3结语

随着智能矿山的建设，煤矿对于变电站无人值守、智能保护供电监控系统的需求越来越多，本文介绍了煤矿智能供电监控系统的组成及其典型功能，为煤矿智能供电监控系统的建设和应用提供借鉴。

参考文献:

［1］宋永宝，杨晓辉，金丽华.数字矿山统一数据平台的实现［J］.煤矿安全，2014(7):94－96.

［2］杨培功，林宏志，宋永宝.基于统一数据平台的三维管控系统在煤矿两化融合中的应用［J］.煤矿安全，2014(12):129－131.

［3］杨晓辉，杨斌，宋永宝.下一代网络技术在煤矿通信系统中的应用［J］.工矿自动化，2015(3):105－107.

［4］王兴友，吴中伟，范胜祥，等.煤矿供电系统无人化建设技术研究与实践［J］.煤炭科学技术，2018(S2):153－156.

作者:原红飞 单位:潞安环能股份公司