礦區變電站運行監測技術的研究與應用

李劍峰

兗礦集團設計研究院 山東兗州 273500

電力管理自動化是電力系統發展的一個重要組成部分。煤礦企業變電站安全運行不僅關系到煤礦的安全生產,而且關系到煤礦工人的生命安全。過去,人們面對變電所的突發事故缺少有效的檢測和管理手段,對事故原因進行分析缺乏科學性和實時性,不能及時解決變電所運行中存在的隱患。近幾年,兗州礦業(集團)公司針對礦井地面變電站、井下中央變電所、采區變電所在運行監測實踐中發現的一些問題進行認真分析和歸納,總結運行經驗教訓,從多個方面提出技術改造措施和方案,有效保障了地面和井下供電系統的安全、優質運行。

1 礦區分布式變電站微機監測管理系統

變電站微機監測管理系統能夠取代人工抄表、制表、統計、分析等工作,可以實時監測記錄電氣參數、電氣故障和各種保護報警信號,自動分析負荷狀況與事故狀況。山東科技大學和兗州礦業(集團)公司濟寧二號煤礦針對煤炭行業變電所的運行情況,研究出一種礦區分布式變電站微機監測管理系統,提高了變電站運行和管理的現代化水平,對電網安全運行有重要意義。

1.1 總體設計

(1) 分布式控制系統。這是基于計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示技術,通過通信網絡將分布在工業現場的控制站、檢測站、控制管理站、工程師站聯系起來,共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統。分布式微機網絡是基于微機技術與通信技術相互滲透而迅速發展起來的一門新技術,集中了當代計算機硬件、軟件和通信技術的發展成果,具有良好的可塑性。由于硬件結構簡單、操作使用方便、易于擴展和維修,用戶可以根據不同的需求來選擇系統。

(2) 監測管理系統。濟寧二號煤礦110 kV變電所系統龐大,采用雙回路電源,兩條110 kV線路接煤Ⅰ線和煤Ⅱ線,分別引自接莊220 kV變電所110 kV的兩段母線,兩條線路的總長度為6.5 km。變電所室外的110 kV線路采用雙母線聯絡和專用旁路母線,有兩路110 kV出線接濟寧三號煤礦,三臺12 500 kVA主變壓器承擔全礦的負荷。110 kV線路設有線路保護、平行線路保護、距離保護、母線差動保護等繼電保護,主變壓器設有過負荷保護、復合電壓電流保護、輕重瓦斯保護、縱差保護、零序方向保護等繼電保護。6 kV饋出線均采用兩段式保護。6 kV室設有43臺高壓柜,其中有6臺進線柜、4臺聯絡柜、1臺避雷器柜、32臺饋出線柜,母線采用小雙母線分段。這種分布式變電站微機監測管理系統具有以下功能:① 檢測110 kV雙回路進線與濟寧三號煤礦兩路出線的電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量,以及峰、平、谷時段的電量;② 檢測每臺主變壓器的電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、功率因數,以及峰、平、谷時段的電量;③ 檢測6 kV室各個分盤的電流、電壓、電量;④ 記錄模擬量越限報警及事件順序;⑤ 指示開關分合、指示事故跳閘性質、顯示模擬圖等。

1.2 主控站

變電站微機監測管理系統主控站是連接現場網絡與管理網絡的橋梁,也是整個監測系統的控制核心,其作用體現在以下四個方面:① 面向現場層解釋來自管理計算機的指令;② 對現場傳來的數據進行預處理和后備存儲、轉發;③ 監視和診斷現場網絡硬件的運行;④ 電源系統為現場分站提供后備電源支持。

1.3 遙測分站

變電站微機監測管理系統遙測分站設計為分布式安裝,遙測模塊用于電壓、電流互感器、模擬量和部分開關量的檢測,計算輸出三相電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、功率因數、溫度。開關量包括各種報警信號、刀閘位置、斷路器位置,能在1 ms內快速捕捉28路開關量信號。模塊具有液晶顯示、鍵盤指令輸入、參數設置、系統診斷、數據通信等功能。

1.4 系統軟件

遙測遙信分站軟件編程采用PLM程序開發語言,程序具有功能模塊化。

在管理系統軟件中,通信軟件包括初始化模塊、現場通信模塊、變電所及供電隊通信模塊。后臺管理軟件支持開發搶先式多線程操作,嚴格遵循軟件工程標準,應用面向對象的編程技術,基于組件設計,窗口操作,具有良好的人機界面,便于使用和維護[1-3]。

2 煤礦井下中央變電所微機監測系統

隨著計算機技術的飛速發展,地方變電所采用微機進行集中監測管理越來越普遍,但是由于受到井下環境的制約,煤礦井下變電所微機監測系統的應用尚處在起步階段。鑒于煤礦井下變電所在煤炭生產中的重要地位,兗州礦業(集團)公司東灘煤礦克服煤礦井下特殊環境的制約,研制出煤礦井下中央變電所微機監測系統,較好地解決了煤礦井下中央變電所長期存在的問題,使突發性事故的處理時間大為縮短,提高了礦井供電的安全性和可靠性。應用實踐表明,此項成果設計合理、運行可靠,具有良好的推廣應用前景。

2.1 東灘煤礦井下變電所存在的問題

東灘煤礦是設計年產4 Mt的特大型礦井,供電電源來自羅廠200 kV區域變電所,經過礦井35 kV變電所降壓至6 kV中轉分八路下井,進入井下中央變電所。井下中央變電所是井下供電的樞紐,擔負著全礦井下采煤、掘進、機械、運輸、通風等系統的供電任務,但是與之配套的井下中央變電所信號、保護裝置并不完善。

(1) 繼電保護無信號顯示。井下中央變電所近50臺高壓開關柜設有過流和速斷保護,但是沒有信號顯示功能,后級故障出現開關跳閘時,運行人員分不清是何種保護動作,給判斷事故性質、尋找故障點、縮短采區供電中斷時間、防止人為盲目送電擴大事故、縮短故障處理時間等造成很大困難。

(2) 高壓開關柜無運行狀態顯示,井下中央變電所的高壓開關柜開關分合狀態僅憑面板指示燈和刀閘手把位置來判定。井下中央變電所峒室長近50 m,現場光線不足,值班人員從頭至尾巡視一遍既費時又不方便。一臺開關跳閘時,值班人員需要逐臺巡查才能判斷是哪臺開關動作,有時甚至出現將跳閘開關與備用開關搞混的情況,人為增加井下供電的不安全隱患。

(3) 井下中央變電所運行信息無法及時傳達至工區和礦調度室。井下中央變電所長期以來僅靠一部生產電話同上下級聯系,一旦井下停電,往往出現電話占線,上下級變電所及各級用電單位信息不通,延誤送電和事故處理時間,給供電調度快速組織搶修和事故處理造成很大困難。

2.2 微機監測系統結構

東灘煤礦井下中央變電所微機監測系統主要由開關量輸入裝置、工業控制計算機和光纖通信網絡組成,以工業控制計算機為核心,實時監測井下中央變電所各個高壓開關柜的工作狀態,并且在計算機屏幕上進行動態顯示,利用光纖通信網絡將信息傳送至礦中心調度室和供電工區調度室,以便隨時掌握中央變電所的工作狀態。現場開關量在進入微機監測系統前實行光電隔離,以提高系統的抗干擾能力。

這一系統可以對所有高壓柜的各個開關與隔離開關的過流、速斷保護狀態進行集中監測管理,顯示主控線圖,定義時間,存貯,打印。在突發事故發生時,可以立即顯示故障的開關回路和故障類型,并且記錄事故發生的性質與時間,使判定故障類型、處理故障的時間大為縮短。運行時,能夠將全部信息通過光纜實時傳送至供電工區調度室和礦中心調度室,對調度人員正確迅速調度指揮處理故障、快速送電、倒換系統運行方式、確保采區供電起到重要作用。

2.3 微機監測系統主要功能

(1) 監測功能。分別監測真空開關和隔離開關的分合狀態,實時監測繼電保護的動作性質。

(2) 顯示功能。顯示系統的主接線圖,并且以紅綠信號顯示開關、刀閘的過流及速斷狀態。在速斷或過流保護動作時,顯示事故性質,并且記錄事故發生的時間,以便事后分析。

(3) 聯網功能。通過光纖通信納入礦安全調度多媒體網絡,不但能夠在井下中央變電所直接監測,而且可以在礦中心調度室和供電工區調度室的微機上同步接收來自井下中央變電所的監測信號,顯示井下中央變電所所發生的事情[4-6]。

3 基于嵌入式技術的煤礦井下變電所計量監測管理系統

兗州礦業(集團)公司濟寧二號煤礦供電系統包含一個地面110 kV變電站、一個井下中央變電所、五個采區變電所和多個臨時配電點。整個供電系統的電量計量手段不夠健全,煤礦電量統計和分析管理全部依靠人工輸入與計算,手段滯后煩瑣,難以實現用電的精細化管理。為了實現對煤礦井下各種變電所電量參數的遠程實時監測,以及全礦主要設備和生產用電量數據的遠程集中抄表與自動統計,便于管理人員及時掌握煤礦的用電消耗情況,濟寧二號煤礦和山東科技大學合作,針對煤礦井下供電系統電量計量統計手段落后的問題,研發了煤礦井下變電所計量監測管理系統。這一系統采用工業以太網和現場總線相結合的網絡結構,由地面計量監測主站、井下變電所計量監測分站和計量監測終端組成,利用主站多機備用、工業以太環形網、嵌入式觸摸屏工控機和嵌入式組態軟件等技術來提高可靠性和易用性。

3.1 系統功能

(1) 能夠準確采集變電所各條供電線路的實時三相電壓、三相電流、分相有功功率、無功功率、功率因數和總用電量等參數。供電參數集中顯示、存儲和查詢,各供電線路工作參數實現變電所本地和地面監視中心集中監視。

(2) 具有越限報警功能,當監測的運行參數超過設定限值時,提供變電所本地和遠方集中監視的報警功能。

(3) 根據本地用電計量計費統計要求,設置相應的用電峰、谷、平時段,并進行相關時段用電量的存儲、統計。根據企業生產需要設計統計策略,提供不同要求的用電量統計報表和分析,根據能耗分析,調整月、季和年度能耗計劃,制訂煤礦能耗平衡表。

(4) 具有完善的軟硬件擴展能力,當井下變電所容量或變電所開關線路調整后,通過調整相關的通信接口和軟件功能模塊,可以實現監視系統容量的調整。

(5) 當供電線路的微機綜保設備具有通信功能后,系統通過豐富的通信擴展接口,將微機綜保設備接入系統,通過調整軟件功能模塊,實現線路的“四遙”功能,使系統向供電自動監控系統轉變。

3.2 網絡結構

(1) 地面計量監測管理主站。由兩臺工業控制計算機、以太網交換機、打印機、不間斷電源和計量監測管理軟件組成,設置在礦供電管理部門。工業控制計算機通過以太網交換機接入礦井安全工業以太環網,接收各個井下變電所計量監測分站發送來的監測數據,并進行顯示、存儲和統計管理。

(2) 工業以太環網。這是系統地面計量監測管理主站和各個變電所計量監測分站通信的紐帶。

(3) 各個井下變電所計量監測分站。設置各個變電所開關設備的工作狀態和用電量數據的集中采集、顯示和通信服務器,通過現場通信總線與變電所各個高壓開關、低壓饋電開關中的智能電量計量監測終端通信,讀取各開關相關電量參數進行綜合處理,在現場集中顯示,并通過工業以太環網遠傳至地面計量監測管理中心,同時能夠接收地面計量監測管理中心發出的參數調整指令。

(4) 各條供電線路的計量監測終端安裝在各條供電線路中,通過電壓互感器和電流互感器接入供電線路,采集各條線路的三相電壓、電流信號,經過高精度運算處理,得到線路的有功功率、無功功率、功率因數、頻率和用電量數據,并通過RS 485總線與計量監測分站通信,可以根據峰、谷、平及尖峰時段的設置,統計并記錄各個時段的用電數據。為滿足功能要求,在系統中采用了智能多功能電能表。

3.3 主站設計

系統主站的主要任務是通過工業以太環網與井下變電所計量監測分站通信,進行數據交換和處理、存儲,并且通過監視畫面和數據報表對供電系統的運行參數進行集中監測和用電計量管理。主站由兩臺工業控制計算機、不間斷電源、打印機和網絡交換機等組成。主站操作系統選用Windows,數據庫管理系統選用SQL Server,計量監測管理軟件選用通用工控組態軟件。主站計量監測管理軟件設計包括人機接口界面、數據處理與用電量管理,以及數據通信三個方面。系統監控軟件在電量計量管理方面功能強大,可以根據要求設置供電計量的峰、谷、平及尖峰時間段,并且可以通過網絡自動將時段設置發送至各個變電所監測分站和各條供電線路的智能電量監測終端。根據煤礦供電計量統計管理的要求,可以提供不同供電線路、生產單位和大型用電設備的分時段用電量統計報表。針對各種不同工作制式的生產設備,統計其運行規律,并基于峰、谷、平時段的設置,提出合理的運行時間規劃,降低用電成本。根據對礦井及各生產單位的能耗進行分析,調整月、季和年度能耗計劃,制訂煤礦能耗平衡表。

3.4 計量監測分站設計

計量監測分站是這一系統的骨干運行節點,一方面循環采集各條供電線路智能電量計量監測終端的實時數據,經過處理就地顯示和存儲,并按照電力系統遠動傳輸規約要求將數據打包轉換為基于傳輸控制協議與網際協議的網絡傳輸格式,通過工業以太環網傳遞給主站;另一方面可以接收主站發出的遙調指令,對各個計量監測終端進行參數設置。系統選用MCGS公司TPC1162Hi高性能一體化嵌入式觸摸屏工控機,這一工控機是采用Cortex-A8嵌入式低功耗中央處理器,主頻高達600 MHz的高性能嵌入式觸摸屏工業計算機[10],具體特點如下:① 具有高亮度液晶顯示屏、四線電阻式觸摸屏,壽命長;② 內置256 MB DDR內存、2 GB SD卡存儲器;③ 外部接口豐富,包括兩個RS 232、一個RS 232/485、一個RS 485、一個RJ 45網絡接口和一個USB 2.0接口,可以擴展控制器局域網總線通信接口,具有強大的通信擴展能力;④ 工作環境條件和抗干擾性達到工業Ⅲ級標準,性能穩定;⑤ 內置嵌入版MCGS通用工控組態軟件,支持U盤備份恢復。

嵌入版MCGS通用工控組態軟件基于嵌入式實時多任務操作系統,系統容量小、速度快、穩定性高、通信方便,內置串行通信、以太網通信和網絡瀏覽與遠程診斷功能,可以方便實現各種設備的數據交換、遠程采集,提供各種常用硬件設備的驅動程序,便于構建完整的嵌入式設備。

計量監測分站由一體化嵌入式觸摸屏工控機、輔助電源、RS 485通信總線和安裝于各開關線路的電量計量監測終端組成。通過RS 485總線接口連接各開關線路的智能電量計量監測終端,通過RJ 45接口連接礦井工業以太環網,嵌入版MCGS監控組態軟件采集各條開關線路的實時電量數據,通過觸摸屏現場顯示、存儲,同時通過工業以太環網以電力系統遠動傳輸規約傳遞給主站,接收主站發出的遙調指令,對各個計量監測終端進行參數設置。

基于嵌入式工業計算機、嵌入式組態軟件和工業以太網的煤礦井下變電所供電計量監測管理系統,著眼于供電系統的集中計量監測和動態管理,網絡結構簡單,系統運行穩定可靠,顯著提高了煤礦供電系統的運行監測和計量管理水平,降低了系統維護工作量,為煤礦用電管理和成本考核提供了有效的工具和手段。供電計量監測管理系統投入實際運行后,取得了滿意的效果[7-9]。

4 煤礦供電安全監測與管理系統

兗州礦業(集團)公司鮑店煤礦是年產4 Mt原煤的特大型現代化礦井,但是其供電系統的運行狀態仍停留在依靠報表逐級匯報方式。隨著計算機技術和電子工業的迅猛發展,以微處理器為核心的微機控制系統已經逐漸深入煤礦電力領域。供電系統管理的計算機化不僅可以提高供電系統的質量及運行效率,而且可以規范供電管理,提高勞動效率。為此,鮑店煤礦應用AutoCAD和網絡技術對分散的礦井供電系統進行改造,實現對井下采區變電所電網狀態及絕緣進行監測。鮑店煤礦在地面建立了機電管理網,將地面35 kV微機監測納入礦級Windows網絡,實現全礦井上下變電所的微機監測和管理,并對井下在線監測進行研究試驗。

4.1 系統組成

鮑店煤礦供電安全監測與管理系統是集礦井供電系統、計算機輔助設計(CAD)、供電設備管理及供電系統運行參數監測、供電系統運行電量監測為一體的供電監測與管理系統,包括地面35 kV變電所供電監測子系統、供電系統CAD及供配電設備管理子系統、井下低壓電網安全監測子系統三個組成部分,由微機智能多功能串卡、調制解調器通過電話線組網。

(1) 地面35 kV變電所供電監測子系統。主要由電流、電壓、有功功率、無功功率傳感器,以及各種信號采集板、工控計算機與電力監測軟件組成。

(2) 供電系統CAD及供配電設備管理子系統。鮑店煤礦機電科建立高壓設備材料庫,包括名稱、型號、技術參數、原理圖、外形照片、接線方式、庫存數量、在修數量、優先使用等級。鮑店煤礦電管與電纜組建立低壓設備材料庫,包括名稱、型號、技術參數、原理圖、外形照片、接線方式、庫存數量、在修數量、優先使用等級。兗州礦業(集團)公司機電處建立供電系統結構運行方式庫,包括接線方式名稱、結構圖、故障預想和相應對策,以及各種運行分析信息數據接口。微機通過RS 232進行遠程串行通信,速率為1 200 bite/s～14.4 kbite/s。利用原有調制解調器自帶的查錯和數據壓縮功能,文件傳輸采用XModem協議,進行循環冗余校驗,充分利用Windows多任務和事件驅動的特點,使單機能夠同時多串口通信。通信程序在后臺運行,同時支持音頻和脈沖撥號方式。

(3) 井下低壓電網安全監測子系統。這是一個兩級分布式微機監測系統,主要由井下低壓電網監測分站、地面微機主站和通信網組成。通過地面微機主站與礦機電網連接,設有通信擴展接口。分站設在井下中央變電所,由帶檢漏繼電器的轉接盒、本安電源、本安分站三個部分組成。從開關及帶檢漏繼電器的轉接盒內采集電氣參數、絕緣數據,進行處理后通過RS 232通信口,經過光端機、光纜傳送至地面微機主站。地面微機主站通過RS 232通信口、光端機與井下分站聯絡,收集由分站傳來的信息,并且進行處理。

鑒于電網故障70%以上系漏電故障,進行電網分支絕緣在線監測是為了預知電網各個支路的絕緣狀況。系統采用附加低頻電源法進行在線監測,利用維恩電橋正弦波振蕩器產生12.5 Hz低頻信號,經過功率放大以后再由1∶5隔離變壓器輸出。輸出的低頻信號經過三相電抗器入網,由電網對地絕緣阻抗入地,與隔直電容器和限流電阻構成回路。各個分支電網的低頻信號由弱信號、高靈敏度互感器取得,經過電流電壓信號轉換后,通過帶通濾波器濾除工頻干擾及直流部分。在系統軟件部分增加數字濾波環節,進一步濾除電網的工頻信號干擾。考慮到采樣的精確性和各個分支的一致性,并且為防止信號越出模數轉換器的轉換范圍,在各個分支電網直接接地的情況下,由運算放大器將低頻信號最大值統一調整為某個值。為了簡化硬件電路設計,直接對交流信號進行采樣,選擇適當的交流算法求出信號的幅值。針對弱信號、高靈敏度互感器的非線性特征,進行了非線性校正,以求出信號的實際幅值和相位值。

4.2 系統功能

(1) 地面35 kV變電所供電監測子系統。負責現場信號的采集、顯示、存儲、打印,并通過計算機網絡將實時監測的供電數據傳送至計算機網絡各個終端。這一子系統對35 kV變電所的32路有功、無功電量及電流進行采集、顯示、計算、存儲,顯示32路功率因數;對每天峰、谷時間段電量和耗電量,以及每月峰、谷、平時間段電量和耗電量進行統計、存儲、顯示;對35 kV變電所Ⅰ段、Ⅱ段電壓進行采集、存儲、顯示;對35 kV變電所線路圖、設備技術參數、日報表、操作票進行制作、預覽、打印;對峰、谷、平時間段進行選擇,變送器比參數任意可調。

(2) 供電系統CAD及供配電設備管理子系統。綜合CAD、計算機圖形學、可視化技術,采用系統集成與開放數據庫互聯的方式,完成供電系統可視化設計,使電力系統對象和隱形關系得到顯示。元件的電氣屬性與視覺表現形式結合在一起,使供配電CAD部分與設備管理部分具有良好的接口。

供電CAD子系統分為采區低壓供電系統CAD、高壓供電系統CAD兩個部分。采區低壓供電系統CAD的功能包括繪制供電系統圖,輸出、編制電氣元件的連接關系,設定電氣參數,自動選擇供電系統中變壓器、饋電開關、檢漏繼電器、電纜等元件,繼電保護整定計算,供電系統預運行分析等。高壓供電系統CAD功能包括人機對話修改供電系統圖,輸出參數,供電系統負荷電流、短路電流、繼電保護整定計算,供電系統開關設備分斷能力校驗等。與低壓供電系統不同,高壓供電系統的各個變電所位置相對穩定,供電系統網絡相對固定。

供配電設備管理子系統分為元件分類表、元件表、元件屬性表、設備臺賬表等,是數據庫管理系統下的多表數據庫系統。管理人員可以通過數據庫隨時了解設備的運行情況。

(3) 井下低壓電網安全監測子系統。負責井下低壓電網絕緣安全參數及電網運行電量參數的實時監測、存儲,通過地面微機實現實時顯示,并且可以通過計算機網絡將井下分站監測的數據傳送至計算機網絡的任何終端進行實時顯示、打印。這一子系統主要功能如下:① 監測井下低壓電網的電壓;② 監測井下低壓電網各個分支線路的絕緣參數、電流、有功功率、無功功率及耗電量;③ 在地面微機主站實現井下漏電、過流、欠壓、過壓報警;④ 地面微機主站與地面計算機網絡連接,將井下監測分站的數據實時傳送至計算機網絡用戶,并且可以顯示、打印。

4.3 系統運行情況

經過運行,鮑店煤礦供電安全監測與管理系統的運行情況良好,監測數據準確、可靠。鮑店煤礦35 kV變電所完成全部電量監測,能夠顯示負荷曲

線、功率因數曲線,并能生成操作票和報表。供電系統CAD可視化技術的應用,進一步提高了供電設計的自動化程度,使供電管理更加規范。這一系統采用附加低頻電源法測量電網的絕緣參數,成功實現對井下低壓電網分支線路的絕緣參數在線監測,并且將檢測量傳至地面,為管理、指揮人員快速處理供電故障提供準確、可靠的依據。

實踐表明,這一系統可以調整電網的峰谷值,減少供電故障,達到增產增收的目的。此項成果使供電系統的運行狀態,以及設備的完好情況、儲備情況、在修情況通過供電管理網絡實現資源共享,有助于供電質量、運行效率的提高[10-11]。