陶文龍

(上海大屯能源股份有限公司，江蘇 徐州 200120)

1 概 述

2020年2月，國家八部委《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》明確提出，到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，作為煤炭行業(yè)重要組成部分的選煤廠，也是當前煤炭行業(yè)智能化建設浪潮中的重點。2021年12月，國家能源局印發(fā)《智能化示范煤礦驗收管理辦法(試行)》[1-4]，對照其中智能化配電室的評分要求，姚橋選煤廠計劃實施智能供配電系統改造。

2 供配電系統存在問題

姚橋選煤廠現有原煤準備車間和主洗車間2個配電室，設備均比較陳舊，實現遠程分合閘比較困難；且配電室內未設置環(huán)境監(jiān)測系統和門禁系統，不滿足智能化的評分要求；選煤廠的停電制度還依靠原始的紙質單據填寫辦公，且需要人力遞交多張紙質單據，工作效率低；另一方面，現場噪聲大，采用對講機溝通消息精準性差，需反復確認。對于復雜情況，例如多臺設備同時檢修停電或多個關聯設備停電、試車送電等工作，無法得到準確及時高效地監(jiān)控。亟需對現有配電室進行升級改造，以滿足當前的國家驗收標準和現場管理需求。

3 智能供配系統設計方案

智能供配電系統主要采用了智能低壓柜，柜內配置了一二次融合的物聯網智能斷路器及智能傳感器，并協同配電室環(huán)境綜合監(jiān)測模塊、邊緣計算智能網關，從而整合為一套完整的智能配電系統[5-8]。智能供配電系統框圖如圖1所示。

圖1 智能供配電系統框

本次改造選取其中的原煤準備車間配電室作為試點，項目分兩期實施：一期實現停送電審批電子化、監(jiān)測配電室環(huán)境；二期更換智能低壓柜，實現遠程分合閘。

3.1 智能低壓配電柜

本次改造計劃將原煤準備車間配電室內的低壓柜全部更換成智能低壓配電柜(圖2)。智能配電柜使用一、二次融合的物聯網智能斷路器為核心部件，通過物聯網通信方式，實現低壓配電系統在云端的統一管理和監(jiān)控?？蓪崿F低壓開關柜的實時電量數據監(jiān)控、用電安全數據監(jiān)控、故障預警、故障保護、故障自檢和遠程運維等功能。

圖2 普通低壓柜抽屜與智能低壓柜抽屜區(qū)別

智能柜設計應用了物聯網通信技術，點對點數據加密技術、云計算、霧計算算法，將各種電氣參數、環(huán)境參數、設備監(jiān)控、視頻監(jiān)控等信息，整合到云平臺，實現如下3項功能。

(1)自動故障研判：系統通過采集到的各項傳感器參數，將模擬信息轉變?yōu)閿底中畔⒉⑼ㄟ^開關本體的智能芯片計算，自動分析故障類型，并驅動脫扣器保護或者報警，最終，將處理結果和故障時的各項數據推送給監(jiān)控平臺或者管理人員。

(2)電氣火災監(jiān)控：可監(jiān)控主進線開關以及分支開關的漏電電流和開關觸頭溫度，當發(fā)生電氣火災異常時，將故障報警推送到監(jiān)控平臺或者管理人員。

(3)智能運維：平臺可實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)，發(fā)生故障時，可將故障信息發(fā)送到平臺管理人員手機，搶修人員通過平臺的地圖定位功能，導航到故障發(fā)生地點，排除故障。

開關柜內采用DM5Z系列智能塑殼斷路器，DM5Z系列智能塑殼斷路器集成了計量電度表、無功補償控制器、數據傳輸設備、微機保護器、電氣火災探測等多種設備功能，并且內置4G工業(yè)級無線路由器。普通低壓柜抽屜與智能低壓柜抽屜的區(qū)別如圖2所示。具體實現功能如下。

(1)配置電磁脫扣器和電子脫扣器，當電子脫扣器失效時，電磁脫扣器仍可實現短路保護。

(2)不依靠輔助電源，在短路、漏電情況下，斷路器仍能可靠實現過載、短路短延時和短路瞬時保護功能；輔助電源由外部直流電源供電，其電壓輸入范圍為：DC12 V±10%。

(3)塑殼斷路器自取電源側的三相相電壓為主電源，主電源故障時，仍可維持正常工作至少30 s，確保數據上送完成和驅動脫扣器動作。

(4)塑殼斷路器內配置電流互感器，具備三相電壓、三相電流采集功能，并可計算有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電壓、電流。

(5)標準的通信接口，具備RS-485標準通信接口和單獨的維護口，具備使用手持機設置參數、查看數據等。支持4G或者Wifi6無線通信。

(6)斷路器具備分、合閘計數功能，故障跳閘計數功能，并能配合平臺，進行全斷路器全壽命周期管理。

(7)斷路器本體具備故障研判功能，并可將故障時的電壓、電流、溫度、開關量等數據和故障類型發(fā)送到配電管理平臺。

3.2 智能門禁系統

原煤準備車間低壓配電室共有2個大門。每扇大門配置門禁系統1套，共需2套。

當工作人員進入配電室時，通過智能終端身份識別進行人員信息比對，只有經過授權的人員才能打開配電室，同時對前端采集的身份信息進行記錄存儲。

具體功能如下：

(1)個人身份識別后，通過控制器確認方能打開門；

(2)可以靈活設定某個人對某個門的通行時間組合段；

(3)可提前設定節(jié)假日控制狀態(tài)；

(4)實時在線監(jiān)視所有人員的通行狀態(tài)，并自動存入計算機數據庫；

(5)自動記錄開門按鈕出入次數、時間及狀態(tài)；

(6)防反傳功能，防止人員尾隨；

(7)對于超時不關門或惡意破壞行為進行實時聲光報警并記錄報警信息；

(8)所有記錄自動存入數據庫，作為考勤的歷史數據；

(9)設置管理操作人員權限控制等級。

3.3 配電室環(huán)境檢測模塊

環(huán)境檢測模塊計劃在原煤準備車間配電室設置溫度、濕度、煙霧等傳感器，通過智能網關上傳至監(jiān)測平臺。

配電室環(huán)境監(jiān)控系統由終端測點來完成對環(huán)境要素的監(jiān)測，監(jiān)測要素包括溫度、濕度、煙霧、非法入侵等機房環(huán)境參數。智能網關對這些要素的數據進行匯總、轉換、傳輸、控制等工作，然后通過數據處理轉換后經由網絡向智能平臺傳輸數據，實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統計分析，并提供實時數據查看、歷史數據查詢、遠程控制現場設備及現場視頻監(jiān)控等任務，當溫度、濕度超過設定值時，自動開啟或關閉指定設備。

具體實現如下功能：

(1)具備配電房門狀態(tài)、溫濕度、煙霧報警狀態(tài)的實時監(jiān)測與顯示；

(2)具備門狀態(tài)與照明、風機的自動聯動功能(當打開房門時，照明燈與通風扇自動開啟，當房門關閉后，照明燈與通風扇延時自動關閉)；

(3)具備手動/自動控制切換功能(可通過切換按鈕，手動進行照明、風機設備的啟停控制)；

(4)具備數據轉發(fā)功能(通過RS485通信接口，支持Modbus標準通信規(guī)約)；

(5)具備電氣火災監(jiān)控功能(需實時監(jiān)測配電房煙霧狀態(tài)、溫濕度數值)；

(6)具備配電房環(huán)境視頻監(jiān)控功能。

配電室環(huán)境檢測模塊中的云配電邊緣計算融合網關(以下簡稱“智能網關”)是集智能通訊與邊緣計算為一體的網關控制設備。智能網關采用基于ARM 的嵌入式硬件平臺+Linux 操作系統的設計架構，實現本地數據采集、計算、三相負荷不平衡控制功能，并可將本地數據上傳云端或將云端數據轉發(fā)本地數據中心。它具有低功耗、小體積、高性價比等突出優(yōu)點，系統穩(wěn)定，具有高安全性和擴展性，是電力系統及其他工業(yè)自動化領域值得信賴的智能網關。環(huán)境監(jiān)測模塊系統如圖3所示。

智能網關通過網絡與管理平臺進行數據交互。將云端數據轉發(fā)給企業(yè)數據管理平臺，并采集智能設備的通信數據將其傳輸至云端，在云端進行數據顯示、分析、計算等，實現數據的互聯共享。

3.4 停送電審批電子化

為姚橋選煤廠開發(fā)一套停送電審批系統，實現審批流程電子化，該系統可以實現手機APP端操作，停送電管理具體步驟如下。

(1)停電申請。停電申請人通過手機APP填寫停電申請單。在申請停電時，需通過身份識別機制進行身份核查，待申請送電時再次進行身份識別核查，保證停送電申請人一致性，防止申請送電失誤造成生產或機電事故。

(2)調度審批。申請停電后，系統向調度員推送停電申請消息，提醒調度員及時審批。調度員可按系統、設備、單號等多種方式進行停電申請篩選及審批。

(3)電工停電。調度審批通過后，向電工推送停電任務提醒。電工可根據任務提醒進行遠程設備斷電操作。

(4)驗電。電工停電后，系統自動向停電申請人推送設備斷電通知，提醒申請人驗電檢修。申請人可在移動端進行驗電確認。驗電時可通過手機查看配電室設備控制開關運行狀態(tài)視頻監(jiān)控，進行二次確認。驗電后，系統自動對驗電設備增加電子鎖。

(5)檢修。停電申請人驗電完成后，系統自動向施工參與人推送開始檢修提醒，保證檢修工作及時開工，節(jié)約時間成本，提高人員效率。

(6)申請送電/試車。檢修完成后，停電申請人在移動端申請送電或試車。系統開始驗證停送電申請人是否一致，保障操作安全。申請送電或試車后，系統自動減少電子鎖數量。

(7)電工送電。系統根據電子鎖數量判斷送電合法性，當電子鎖數為0時，允許送電，系統自動向電工推送送電任務提醒。

送電確認時，需驗證電工身份，保證停送電記錄可靠性，同時，系統自動檢測設備PLC狀態(tài)，非帶電狀態(tài)不允許送電確認，防止電工誤操作帶來安全隱患。

(8)恢復生產。當設備的所有檢修工作都完成后，系統自動向調度員推送設備完工提醒，調度員結合生產任務設置設備集控/就地狀態(tài)并安排生產[9-10]。

4 智能供配電系統預期實施效果分析

智能供配電系統應用后，預期效果如下：

(1)各設備數據直接上傳到云平臺，在手機或者管理平臺就可查看相關數據，實現遙控、遙測、遙信、遙調功能；

(2)平臺可獨立統計每個開關的有功功率和有功電度，生成每類負荷的能耗報表和能源需量報表，支持自動生成日用電數據、月用電數據、季度用電數據、年用電數據等功能，并自動統計同比數據和環(huán)比數據，導出excel數據報表，方便用戶做能耗分析和電能需求申報；

(3)智能斷路器可實現遠程分合閘操作，極大的提高了選煤廠電氣檢修的工作效率，有效降低了電工的工作負荷；

(4)借助于系統的電能遠程計量統計功能，強化各車間的用電管理力度，規(guī)范日常生產中的用電行為，達到降低洗煤單位電耗的目的，經統計，噸煤電耗降低0.217 kW·h，依照姚橋選煤廠生產規(guī)模2.00 Mt /a、電價0.67 元/(kW·h)計算其降耗效益，每年節(jié)約電費29.08 萬元；

(5)采用智能配電柜后，新型斷路器集成了電壓、電流采集功能，且具備遠程Wifi6通信功能，不再需要增加電流互感器等元件及其復雜接線，同時也節(jié)省了遠程通信布線的問題，累計可節(jié)省硬件投資30余萬元。

5 結 語

智能供配電系統計劃在中煤大屯公司姚橋選煤廠分期實施，先期實現停送電審批電子化、配電室環(huán)境監(jiān)測，二期實現更換智能低壓柜和遠程分合閘，實施后將顯著提升配電系統操作的自動化水平，最終實現遠程手機和平臺的監(jiān)控監(jiān)測。極大地提高了姚橋選煤廠的工作效率，并帶來用電管理上的重大改變。