淺談基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：為了提高煤礦的安全性和可靠性，適應(yīng)現(xiàn)代化礦井建設(shè)，構(gòu)建了基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)、功能，給出解決越級(jí)跳閘和自適應(yīng)漏電保護(hù)等相關(guān)技術(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井下7個(gè)配電室的遠(yuǎn)程集中、遙控、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)等功能，提高了煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化水平，強(qiáng)化了礦井電網(wǎng)安全，防止井下大面積停電和越級(jí)跳閘等事故的發(fā)生，縮短故障處理時(shí)間，為終實(shí)現(xiàn)井下變電所無(wú)人值守創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)以太網(wǎng)；電網(wǎng)；越級(jí)跳閘

       新元公司取得過(guò)3個(gè)地面變電站，分別為110 kV變電站、中央風(fēng)井35 kV變電站、韓莊風(fēng)井35 kV變電站。110 kV變電站位于工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)內(nèi)，擔(dān)負(fù)新元公司工業(yè)廣場(chǎng)10 kV、中央風(fēng)井35 kV、韓莊風(fēng)井35kV變電站的供電任務(wù)。礦井人井10 kV電纜共計(jì)13趟(包括風(fēng)機(jī)系統(tǒng))，電源分別引自中央風(fēng)井場(chǎng)地35 kV、韓莊35 kV、工業(yè)場(chǎng)地110 kV變電所。井下10 kV配電室有9個(gè)，各變電所兩回路電源電纜任一回路停運(yùn)時(shí)，另一回路仍可滿(mǎn)足其所帶全部負(fù)荷的需要。為滿(mǎn)足集團(tuán)公司推進(jìn)現(xiàn)代化礦井發(fā)展的需要，有效實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，新元公司于2014年開(kāi)始進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)了井下電網(wǎng)系統(tǒng)7個(gè)配電室的遠(yuǎn)程集中、就地和遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了“四遙"功能。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       新元煤礦井下電網(wǎng)系統(tǒng)主要由地面中心、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換中心、地面保護(hù)主機(jī)、井下數(shù)據(jù)傳輸分站、高爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)器、相關(guān)組態(tài)軟件和其它輔助設(shè)備構(gòu)成，井下電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)構(gòu)建

       （1）新元公司電網(wǎng)系統(tǒng)地面中央風(fēng)井35 kV變電站和110 kV變電站共計(jì)接人6臺(tái)人井線(xiàn)路保護(hù)裝置。井下電網(wǎng)系統(tǒng)接入井下7個(gè)配電室，分別是：中央配電室、煤倉(cāng)配電室、南區(qū)中央配電室、集中膠帶巷配電室、9“煤中央配電室、西一和西二配電室。

       （2）將井下7個(gè)配電室約90臺(tái)高開(kāi)綜合保護(hù)器更換升級(jí)為ZBT—llc型級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器，該保護(hù)器是具有消除越級(jí)跳閘功能的新一代高開(kāi)綜合保護(hù)器，它集保護(hù)、測(cè)控、通信、故障錄波、電能計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析、諧波含量分析功能于一體。低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)器更換為能夠和IQl37電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信的智能綜合保護(hù)器。目前使用的低壓饋電開(kāi)關(guān)均能實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信。

       （3）分別在井下7個(gè)配電室安裝KJ360一F礦用隔爆型電力分站，將配電室內(nèi)的高低壓開(kāi)關(guān)與分站聯(lián)接，就地實(shí)現(xiàn)高低壓設(shè)備集中控制，同時(shí)，安裝視頻攝像頭，實(shí)現(xiàn)遙視功能；另一方面通過(guò)礦用千兆環(huán)網(wǎng)將保護(hù)器數(shù)據(jù)上傳至地面調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程“四遙"功能。

       （4）地面機(jī)電調(diào)度和井下中央配電室均設(shè)置一中心(能夠?qū)崿F(xiàn)地面井下實(shí)時(shí))，保證地面調(diào)度指揮與井下人員操作實(shí)時(shí)一致，中心包括：地面調(diào)度中心主機(jī)、井下中心主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印設(shè)施等。

       （5）在井下配電室安裝DXBl27／127礦用隔爆型電源，為保護(hù)器和電力通信分站或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供可靠的工作電源和操作電源，保證在電網(wǎng)波動(dòng)和交流失電情況下維持設(shè)備正常工作。

       （6）在地面調(diào)度中心、井下中央配電室、綜合樓機(jī)電隊(duì)辦公室安裝電力客戶(hù)端，在地面信息中心機(jī)房設(shè)置電力(通信)服務(wù)器2臺(tái)，安裝的KJ360電力組態(tài)軟件，采用雙機(jī)熱備的工作方式，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度中心對(duì)地面、井下高壓的遠(yuǎn)程

       （1）實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度中心對(duì)井下電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，監(jiān)測(cè)高、低壓每個(gè)回路的電流、電壓、絕緣電阻、有功電量、無(wú)功電量、開(kāi)關(guān)分合位置、保護(hù)信號(hào)、室內(nèi)視頻、室內(nèi)溫度等實(shí)時(shí)狀態(tài)。同時(shí)預(yù)留接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與地面的銜接。

       （2）對(duì)及網(wǎng)路傳輸系統(tǒng)中各種保護(hù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)告警，當(dāng)發(fā)生開(kāi)關(guān)跳閘、保護(hù)動(dòng)作、網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷等事件時(shí)，將自動(dòng)調(diào)出故障所在的畫(huà)面，具備故障閉鎖、事件記錄、查詢(xún)功能。

       （3）根據(jù)權(quán)限設(shè)置，分級(jí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)分合閘操作管理、定值管理、電量管理、報(bào)表管理、歷史數(shù)據(jù)管理、故障錄波分析與打印、規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

       （4）通過(guò)地面調(diào)度中心安裝的通信服務(wù)器和液晶顯示器，井上、井下變電所可進(jìn)行通信，顯示井下變電所的視頻信息，并可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。此外還有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索功能、曲線(xiàn)存儲(chǔ)與檢索功能、報(bào)表設(shè)計(jì)與檢索打印功能、圖形畫(huà)面組態(tài)功能、web瀏覽功能、設(shè)備檔案管理和自診斷功能等

3.1 分布式智能速斷防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)

       系統(tǒng)建設(shè)中，主要是升級(jí)改造保護(hù)器為防越級(jí)保護(hù)器，安裝防越級(jí)交換機(jī)，搭建光纖縱差通道。防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖2所示

3.1.1基本原理

       采用網(wǎng)絡(luò)化基因圖譜算法，利用開(kāi)關(guān)間交換故障信息進(jìn)行協(xié)商的形式，判斷故障區(qū)段，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)零秒速斷，以達(dá)到防越級(jí)跳閘的目的。

3.1.2主要特點(diǎn)和效果

       可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)、母差保護(hù)、三段式過(guò)流、零時(shí)延智能后備保護(hù)。該系統(tǒng)保護(hù)分散，可就地安裝，獨(dú)立跳閘，符合電網(wǎng)公司的要求。系統(tǒng)具有分布式無(wú)主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)通信依賴(lài)小，故障信息協(xié)商，風(fēng)險(xiǎn)分散，可靠性高。系統(tǒng)分層、分布式光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，保護(hù)功能就地完成，可靠性高。變電所間級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)可避免站間越級(jí)，母線(xiàn)故障快速動(dòng)作差動(dòng)保護(hù)可防止電網(wǎng)擾動(dòng)，“T"接線(xiàn)差動(dòng)可滿(mǎn)足“一拖多"供電網(wǎng)絡(luò)，零時(shí)延智能后備保護(hù)可消除傳統(tǒng)后備保護(hù)時(shí)間累積效應(yīng)的缺點(diǎn)，光纖縱差通道實(shí)時(shí)、動(dòng)作行為實(shí)時(shí)。

3.1.3實(shí)現(xiàn)方式

       利用分散安裝的ZBT．1 1 C級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)器，通過(guò)保護(hù)信息網(wǎng)快速交換信息，快速判斷故障區(qū)段，可準(zhǔn)確快速切除距故障近的上級(jí)開(kāi)關(guān)，達(dá)到防越級(jí)跳閘的目的。

3.2激勵(lì)式自適應(yīng)漏電保護(hù)系統(tǒng)

       傳統(tǒng)的漏電保護(hù)方法是以接地電流本身的故障特征作為故障判據(jù)，由于井下電網(wǎng)運(yùn)行方式變化較大，歷次接地時(shí)，接地電流特征都不穩(wěn)定，造成了以接地電流特征為判據(jù)的漏電保護(hù)經(jīng)常起不到作用，故采用激勵(lì)式自適應(yīng)漏電保護(hù)系統(tǒng)。激勵(lì)式自適應(yīng)選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)由SY3603智能選漏保護(hù)終端、SY3601信號(hào)注入裝置、高爆開(kāi)關(guān)中的ZBT一11C級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器構(gòu)成。ZBT．11 C、SY3603安裝在井下高壓開(kāi)關(guān)中，SY3601安裝在地面10 kV變電所中，每段母線(xiàn)安裝一臺(tái)SY3601信號(hào)注入裝置。信號(hào)注人裝置在探測(cè)到有接地故障時(shí)，向接地相注入特殊信號(hào)(非工頻信號(hào))，經(jīng)分散安裝的高開(kāi)綜合保護(hù)器檢測(cè)，信號(hào)量值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即判定為線(xiàn)路接地，漏電保護(hù)跳閘。SY3600煤礦電網(wǎng)漏電保護(hù)系統(tǒng)如圖3所示

3.3 瞬時(shí)失壓誤動(dòng)缺陷的完善

       煤礦井下電網(wǎng)在遭受雷擊、大負(fù)載類(lèi)設(shè)備啟動(dòng)、出口處短路等情況時(shí)，容易造成電網(wǎng)電壓瞬間波動(dòng)或下降，繼而無(wú)壓釋放線(xiàn)圈誤動(dòng)，引起井下大面積開(kāi)關(guān)跳閘。為了解決這個(gè)問(wèn)題，為每臺(tái)高壓防爆開(kāi)關(guān)配置一臺(tái)KYD-01瞬時(shí)失壓智能控制模塊，保證交流失壓情況下，在0～5 S內(nèi)維持無(wú)壓釋放線(xiàn)圈正常工作，母線(xiàn)瞬時(shí)失壓時(shí)，高壓防爆開(kāi)關(guān)不會(huì)誤動(dòng)跳閘。KYD-01智能無(wú)壓釋放線(xiàn)圈控制模塊由開(kāi)關(guān)電源模塊、單片機(jī)延時(shí)控制電路、控制及告警電路、智能電容充放電回路組成，其電源額定電壓為交流100 V，源電壓波動(dòng)范圍為75％～110％，額定輸出電壓24 V，保持時(shí)間0—5 s可調(diào)，級(jí)差0．5 S，無(wú)壓時(shí)，可輸出常閉接點(diǎn)，供自動(dòng)化系統(tǒng)使用。瞬時(shí)失壓智能控制模塊原理如圖4所示

       （1）山源KJ360礦用電力系統(tǒng)與磐能綜合保護(hù)器配合的問(wèn)題。由南京磐能公司將分站通訊協(xié)議改為常用的MODBUS通訊協(xié)議，修改后系統(tǒng)運(yùn)行正常，解決了保護(hù)器“死機(jī)"或不通信問(wèn)題。

       （2）高壓防爆開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程操作拒動(dòng)問(wèn)題。根據(jù)檢修計(jì)劃，在總調(diào)度控制室有計(jì)劃地對(duì)井下所有高壓防爆開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘操作，發(fā)取得過(guò)6臺(tái)次4臺(tái)高壓防爆開(kāi)關(guān)出現(xiàn)分合閘拒動(dòng)情況。經(jīng)查，4臺(tái)次拒動(dòng)是開(kāi)關(guān)本身機(jī)構(gòu)問(wèn)題，2臺(tái)次拒動(dòng)是山源分站與磐能綜合保護(hù)器之間銜接出現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)分析和檢查，解決了問(wèn)題。

       （3）電力系統(tǒng)不能啟動(dòng)問(wèn)題。煤礦信息中心機(jī)房2臺(tái)電力服務(wù)器系統(tǒng)出現(xiàn)不能啟動(dòng)問(wèn)題，顯示數(shù)據(jù)庫(kù)連接異常，導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。將服務(wù)器1 SQL server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)配置更改為SQL server和windows混和身份驗(yàn)證模式，服務(wù)器2重新導(dǎo)人系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，重新配置服務(wù)器雙機(jī)熱備。通過(guò)處理，系統(tǒng)可正常運(yùn)行，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備模式。

       （4）人員培訓(xùn)問(wèn)題。針對(duì)運(yùn)行階段出現(xiàn)的系統(tǒng)管理與操作人員不能適應(yīng)新裝備、工藝的問(wèn)題，新元公司機(jī)電系統(tǒng)已制定出培訓(xùn)計(jì)劃及修改相應(yīng)制度、規(guī)程，以保證電網(wǎng)集控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

5.1簡(jiǎn)介

       安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)配電室實(shí)際情況，結(jié)合多年的變電站和配電室的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，了安科瑞配電室綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行、高壓開(kāi)關(guān)柜帶電顯示、電流電壓等負(fù)載運(yùn)行、母線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)、電纜測(cè)溫監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、有害氣體監(jiān)測(cè)、安防、采暖通風(fēng)、門(mén)禁、燈光、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制等功能。實(shí)現(xiàn)動(dòng)力環(huán)境各數(shù)據(jù)的檢測(cè)與設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力環(huán)境優(yōu)化，避免運(yùn)行環(huán)境的失控導(dǎo)致配電設(shè)備運(yùn)行故障，保證維護(hù)人員，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少配電室粗放式管理導(dǎo)致成本過(guò)高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電動(dòng)力環(huán)境的分布式遠(yuǎn)程管理。

5.2系統(tǒng)功能

5.2.1 通信管理

       安科瑞智能配電室綜合系統(tǒng)可以完成對(duì)整個(gè)配電室范圍內(nèi)的通信設(shè)備進(jìn)行管理、添加、刪除、控制和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5.2.2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

       安科瑞智能配電室綜合系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示配電室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電室環(huán)境參數(shù)信息，如視頻、溫度、濕度、漏水/水浸、水位、有害氣體和電參量等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

5.2.3 數(shù)據(jù)查詢(xún)

       在人機(jī)界面中，可以直接查看配電室個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

5.2.4曲線(xiàn)查詢(xún)

       在曲線(xiàn)查詢(xún)界面，可以直接查看遙測(cè)參量曲線(xiàn)，包括溫度、濕度、水位、有害氣體、電壓、電流等曲線(xiàn)。

5.2.5運(yùn)行報(bào)表

       查詢(xún)配電室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表，包括日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表和查詢(xún)報(bào)表等。

5.2.6實(shí)時(shí)告警

       科瑞智能配電室綜合系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸?、有害氣體、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。告警如右圖所示：

5.2.7 歷史事件查詢(xún)

       安科瑞智能配電室綜合系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.2.8 用戶(hù)權(quán)限管理

       為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的保障。

5.2.9網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

       安科瑞智能配電室綜合系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？稍诰€(xiàn)診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。

5.2.10遙控操作

       安科瑞智能配電室綜合系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

5.3Acrel-2000E/B配電室環(huán)境系統(tǒng)推薦配置選型

       （1）新元煤礦井下電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在保證整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)了井下電網(wǎng)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理。

       （2）系統(tǒng)采用分布式智能速斷保護(hù)原理，縱差保護(hù)作為主保護(hù)，零時(shí)限智能后備作為遠(yuǎn)后備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘的功能

       （3）激勵(lì)式自適應(yīng)漏電保護(hù)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)漏電保護(hù)方法中以接地電流本身的故障特征作為故障判據(jù)的局限性。

       （4）井下7個(gè)高壓配電室及主要低壓實(shí)現(xiàn)就地的同時(shí)，通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)將保護(hù)器數(shù)據(jù)上傳至地面調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、定值遙調(diào)、遙視功能，達(dá)到集中，具備了無(wú)人值守條件。

       （5）各配電室及變電站的電力分站通過(guò)礦用千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)將各配電室開(kāi)關(guān)信息上傳到信息中心服務(wù)器，終實(shí)現(xiàn)地面信息中心兩臺(tái)服務(wù)器、礦井總調(diào)客戶(hù)端、機(jī)電隊(duì)辦公室客戶(hù)端、井下中央配電室客戶(hù)端對(duì)井下各開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程集中控制，實(shí)現(xiàn)了“地面控制為主，井下控制為輔"的控制模式。

 

 

[1]王建文．防越級(jí)跳閘在煤礦的應(yīng)用[J]．山西焦煤科技，2014(2)：52．

[2]張利軍，孫瑞平．基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

[3]安科瑞Acrel-2000EB配電室綜合系統(tǒng)2020.04版