王相君

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KJ698煤礦智能供電控制系統(tǒng)的應(yīng)用

王相君

摘要煤礦井下供電控制系統(tǒng)正在大力更新為自動(dòng)化控制系統(tǒng)，由于技術(shù)途徑不同導(dǎo)致自動(dòng)化控制系統(tǒng)多樣化，以KJ698煤礦智能供電控制系統(tǒng)在大同煤業(yè)股份有限責(zé)任公司燕子山礦的應(yīng)用實(shí)踐為例，從技術(shù)管理角度分析了煤礦井下供電系統(tǒng)存在的主要安全問(wèn)題，提出了在現(xiàn)行技術(shù)水平和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下應(yīng)采取的相應(yīng)措施，結(jié)合KJ698煤礦智能供電控制系統(tǒng)特點(diǎn)，闡述了在煤礦實(shí)施智能供電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞KJ698；智能供電；控制系統(tǒng)

0　引言

由于煤礦采掘、提升與洗選裝備機(jī)械化、自動(dòng)化水平的提高，地面、井下用電設(shè)備的數(shù)量和功率也在大幅提升。復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)使定值整定更加困難；大容量瞬間沖擊負(fù)荷所造成的電壓波動(dòng)與相間電壓的不平衡；大容量變頻設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波對(duì)供電質(zhì)量和供電線路快速老化的影響以及煤礦井下特定的生產(chǎn)環(huán)境等因素，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在沖擊著煤礦供電的可靠性。解決受“越級(jí)跳閘、選擇性漏電誤動(dòng)、失壓群跳”等誘因引發(fā)的煤礦井下或地面大面積停電事故已經(jīng)成為當(dāng)前煤礦企業(yè)、煤炭安監(jiān)管理部門和設(shè)備制造的重中之重。

煤礦10/6 kV供電保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)相比電力行業(yè)的城區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)要落后2～3代，原因是煤炭行業(yè)在地面或井下供電系統(tǒng)中的二次測(cè)控保護(hù)自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域受技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)門檻偏低、沒(méi)有規(guī)范化的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加之二次自動(dòng)化產(chǎn)品受一次設(shè)備廠家或成套設(shè)備廠家主導(dǎo)，則形成了全礦區(qū)的二次自動(dòng)化配套產(chǎn)品互為孤島，難以形成無(wú)通訊障礙的一體化供電管理系統(tǒng)，更談不上實(shí)時(shí)的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，煤礦供電的“安全隱患”則無(wú)法徹底地解決。

1　主要問(wèn)題

當(dāng)前礦山供電系統(tǒng)一般采用常規(guī)保護(hù)或綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如同煤集團(tuán)燕子山礦井供電系統(tǒng)主要包括地面110 kV站；井下石炭系高壓供電，主要包括8#層變電所、斜井皮帶變電所、4#層機(jī)頭變電所、4#層1#變電所、4#層2#變電所的開(kāi)關(guān)均是常規(guī)保護(hù)或綜合保護(hù)裝置。因此，不能實(shí)施電力監(jiān)控系統(tǒng)，沒(méi)有全供電系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和管理中心，在實(shí)際應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題如下：

（1）由于煤礦供電標(biāo)準(zhǔn)的滯后性造成每個(gè)廠家的保護(hù)設(shè)備通訊不兼容，再由于一次設(shè)備防爆廠家將保護(hù)裝置作為開(kāi)關(guān)的一個(gè)受控元件，其本身并不具備生產(chǎn)保護(hù)裝置的能力，而是作為一個(gè)外協(xié)原件從市場(chǎng)上尋求的低成本的保護(hù)設(shè)備，因此造成井下保護(hù)設(shè)備的壽命、可靠性和通用性差；

（2）受制于供電通訊的標(biāo)準(zhǔn)以及通訊光纜的硬件條件使得井下遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的部分，不能與井上變電所實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、一體化管理；

（3）由于井下部分線路短、分級(jí)較多，而電力作業(yè)對(duì)保護(hù)的延時(shí)要求較高，導(dǎo)致保護(hù)整定不能準(zhǔn)確的切除故障，不滿足選擇性的要求，普遍存在線路越級(jí)跳閘的現(xiàn)象；

（4）不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的接地選線，基于煤礦電力供電的實(shí)際運(yùn)行情況，雖然變電站內(nèi)配置了接地選線裝置但往往存在選線不準(zhǔn)，且不能定位到確定接地區(qū)段，影響整條線路供電；再者，現(xiàn)代化礦井的機(jī)械化程度較高，用電負(fù)荷大，單相接地時(shí)接地電流較大，為限制接地電流，在地面變電站增加了消弧線圈補(bǔ)償設(shè)備，增加補(bǔ)償設(shè)備后接地電流變小，使得傳統(tǒng)的選線設(shè)備更是無(wú)法使用；

（5）電度計(jì)量管理和統(tǒng)計(jì)比較繁瑣，由于井下自動(dòng)化程度不足，主要采用人工定時(shí)抄表的方式，甚至沒(méi)有安裝計(jì)量設(shè)備，無(wú)法做到為能效管理提供可靠的依據(jù)。

2　原因分析

正是由于煤礦供電尤其是井下供電系統(tǒng)的諸多隱患，2014年國(guó)家安監(jiān)總局下發(fā)的科技攻關(guān)指南中明確提出煤礦供電的科技攻關(guān)主要為：

（1）解決煤礦級(jí)聯(lián)供電的越級(jí)跳閘問(wèn)題；

（2）解決煤礦單相接地（漏電）的選線問(wèn)題；

（3）解決煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)容量以及刷新速度慢的問(wèn)題。

為了提高煤礦供電系統(tǒng)的可靠性，行業(yè)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、制造企業(yè)及運(yùn)行單位進(jìn)行了探索與改進(jìn)但仍感不足，分析歸納其原因如下：

（1）地面變電站參照電網(wǎng)企業(yè)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，基本具備了無(wú)人值班的運(yùn)行條件，變電站運(yùn)營(yíng)與維護(hù)也由專業(yè)的部門進(jìn)行管理。井下未實(shí)施自動(dòng)化控制改造，管控標(biāo)準(zhǔn)不協(xié)調(diào)，進(jìn)而降低工作效率甚至影響供電可靠性；

（2）井下供電系統(tǒng)一般由煤礦生產(chǎn)部門管理，其設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)、采購(gòu)模式與管理方法采用煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程進(jìn)行，導(dǎo)致地面變電所基于自動(dòng)化系統(tǒng)的諸多研究成果和技術(shù)改進(jìn)無(wú)法在井下運(yùn)行，因此井下保護(hù)設(shè)備、開(kāi)關(guān)設(shè)備、通訊設(shè)備等普遍落后于地面變電站，加之井下運(yùn)行環(huán)境的特殊性，使得井下設(shè)備故障率高、可靠性差、自動(dòng)化水平低、供電安全差等問(wèn)題；

（3）部分煤礦結(jié)合數(shù)字化礦山建設(shè)的機(jī)會(huì)啟動(dòng)了井下供電系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，普遍采用調(diào)度自動(dòng)化的解決方案。在每個(gè)變電所設(shè)置通訊分站，由通訊管理機(jī)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)信息的收集并上傳到地面調(diào)度中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線“三遙”功能。但站內(nèi)綜保設(shè)備的通訊接口各種各樣、通訊性能千差萬(wàn)別，導(dǎo)致通訊效率低、實(shí)施難度大、實(shí)用性差；

（4）煤礦供電自動(dòng)化系統(tǒng)一般集成在礦山生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)，作為一個(gè)子模塊運(yùn)行，但供電系統(tǒng)專業(yè)化水平要求高，使得一般的生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)僅僅使用遙測(cè)、遙信等監(jiān)測(cè)功能，而地面遙控功能及定值管理、故障分析、設(shè)備維護(hù)、電量分析等無(wú)法發(fā)揮實(shí)際功能，甚至在建設(shè)規(guī)劃階段就被忽略；

（5）對(duì)于困擾煤礦運(yùn)行越級(jí)跳閘問(wèn)題，很多礦井采用了優(yōu)化一次系統(tǒng)架構(gòu)的方式弱化或淡化越級(jí)跳閘影響，但其主要的問(wèn)題是投資代價(jià)大，且很多礦井不具備改進(jìn)的基礎(chǔ)條件；從二次控制系統(tǒng)領(lǐng)域提出了電流速斷延時(shí)方法、節(jié)點(diǎn)閉鎖法、通訊閉鎖法等多種方法，但真正發(fā)揮功能的并不多；

（6）井下6/10 kV系統(tǒng)選擇性漏電問(wèn)題并沒(méi)有得到有效解決。

3　改進(jìn)措施及應(yīng)用效果

針對(duì)上述問(wèn)題，同煤集團(tuán)燕子山礦在實(shí)施KJ698煤礦智能供電自動(dòng)化系統(tǒng)中針對(duì)性作出改進(jìn)。其關(guān)鍵是將國(guó)家電網(wǎng)公司近幾年技術(shù)發(fā)展的成果（智能配網(wǎng)的快速FA技術(shù)、IEC61850通訊技術(shù)、以太網(wǎng)的通訊技術(shù)、智能運(yùn)維與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)）應(yīng)用在礦井供電系統(tǒng)中，并針對(duì)煤礦供電特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，進(jìn)而全面提高煤礦供電自動(dòng)化智能化水平。關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）建設(shè)獨(dú)立的電力監(jiān)控運(yùn)維主站，通過(guò)IEC60870-5-104或OPC等規(guī)約與生產(chǎn)調(diào)度接口，由其實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和電源調(diào)度。獨(dú)立的運(yùn)維主站實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)管理、設(shè)備運(yùn)維、在線仿真測(cè)試等功能；

（2）選配使用的新型智能保護(hù)器，可運(yùn)行于地面變電所和井下高爆開(kāi)關(guān)。全面提升新型智能保護(hù)的功能，不僅實(shí)現(xiàn)常規(guī)的保護(hù)功能，還將后備電源措施、獨(dú)立測(cè)量、一次設(shè)備監(jiān)測(cè)、電度計(jì)量、諧波監(jiān)測(cè)等內(nèi)容集成化實(shí)現(xiàn)，同時(shí)智能保護(hù)器也是實(shí)現(xiàn)可靠的防越級(jí)跳閘、準(zhǔn)確的漏電選線的主要載體；此外，其采用高先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)，使其電磁兼容水平、環(huán)境適應(yīng)能力等大幅提高，保證硬件設(shè)備的可靠性；新型智能保護(hù)器支持遠(yuǎn)程維護(hù)功能，如地面更新配置、修改定值、升級(jí)軟件等。

（3）全系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為通訊接口。智能保護(hù)器支持以太網(wǎng)接口，統(tǒng)一物理接口，同時(shí)以太網(wǎng)的高速率高兼容性為智能化功能實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)；

（4）全系統(tǒng)采用IEC61850的MMS映射作為通訊標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850是國(guó)際電工委員會(huì)專為解決設(shè)備間的“互操作”而設(shè)計(jì)，其已經(jīng)在電網(wǎng)公司的智能變電站中得到了普遍應(yīng)用，引入IEC61850可以徹底解決煤礦井下保護(hù)設(shè)備的規(guī)約問(wèn)題；

（5）利用IEC61850的GOOSE技術(shù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置間的信息互享，并利用共享的裝置信息結(jié)合智能配電網(wǎng)的FA技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障時(shí)“先定位、后跳閘”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障隔離，解決越級(jí)跳閘問(wèn)題。在防越級(jí)保護(hù)中實(shí)現(xiàn)了非故障保護(hù)的閉鎖，并在大于四級(jí)保護(hù)的情況下，將上級(jí)保護(hù)的后備時(shí)間控制在200 ms以內(nèi)一直是個(gè)難題，而采用IEC61850的GOOSE通訊技術(shù)后，在燕子山礦環(huán)網(wǎng)中全礦保護(hù)器之間快速通訊，將故障定位及閉鎖上級(jí)保護(hù)時(shí)間控制在10 ms以內(nèi)；

（6）采用配網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)，調(diào)度主站不在面向各個(gè)變電所而是直接面向各個(gè)保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)有效信息的海量上傳并大幅度提高通訊相應(yīng)速度。

4　結(jié)論

通過(guò)KJ698煤礦智能供電控制系統(tǒng)實(shí)施，不僅對(duì)供電的安全隱患故障可以做到預(yù)警、排查，而且還可實(shí)現(xiàn)適時(shí)控制，做到縮小故障和停電范圍。提高了煤礦供電運(yùn)行管理水平，提高了煤礦供電的可靠性，為煤炭用戶創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

Application of KJ698 Coal Mine Intelligent Power Supply Control System

Wang Xiangjun

Abstract：The power supply control system in underground mine is updated to automation control system，the automation control system is diverse due to different technology way，taking KJ698 coal mine intelligent power supply control system applying to Yanzishan Mine of Datong coal mine joint stock limited company as an example，the main security problems of the power supply system in underground mine are analyzed from the perspective of technology management，the corresponding measures should be taken are presented under the current echnical level and technical standards，combining with the characteristics of KJ698 coal mine intelligent power supply control system，the key technology and development direction of the intelligent power supply control system implemented in coal mine are expounded.

Key words：KJ698；intelligent power supply；control system

中圖分類號(hào)TD611

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1000-4866（2016）03-0036-03

作者簡(jiǎn)介

王相君，男，1980年出生，同煤集團(tuán)機(jī)電管理處副總工程師，主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)工作，工程師。

收稿日期：2016-03-05