井下變電所無人化智能供電系統研究

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦 山西 030052）

引言

隨著煤炭企業市場競爭愈發激烈，降低原煤成本、實現降本增效已成為決定煤炭企業是否能夠長遠發展的關鍵，目前自動化技術在井下的應用已經成為煤礦實現科技減人，降低原煤成本，達到降本提效目標的重要手段。井下變電所是煤礦井下供電系統的主要構成部分，具有大功率載荷多、分布廣泛等特點，設備運行環境也比較惡劣，存在多種影響變電所穩定運行的因素。目前，煤礦正在進行現代化變革，井下智能化、信息化發展對井下設備有了更高的要求，井下有越來越多更大功率的設備投入以及先進控制技術的應用，井下變電所逐步向無人化值守發展，由此對礦井井下的供電系統有了更高的要求。井下傳統的供電系統存在經常大面積停電的問題，嚴重影響了煤礦正常生產，通過改造井下變電所設備及入井電纜，建成井下變電所無人值守智能供電系統，形成數字化、信息化、智能化的遠程控制系統，通過早發現、早診斷、早處理供電系統故障，從而進一步提升礦井安全生產保障能力，同時使礦井科技減人工作落到實處，實現礦井“機械化換人，自動化減人”目標，提高企業經營效益。

1.供電系統概況

某礦地面建有4座35kV變電站，其中安家溝變電站、風峪溝變電站、北石崖變電站擔負著井下用電。井下建有中四區變電所、中六區變電所、南五區變電所、南六區變電所、中部擴區變電所、1021變電所、北大巷中央變電所，供井下全部用電負荷。

2.供電系統現狀

由于井下供電系統存在線路多、線路短、拓撲結構復雜、多級變電所級聯等情況，且同一電壓等級從地面到井下有較多級，兩級之間線路短使傳統的三段式電流保護無法起到保護作用，井下經常發生電網短路越級跳閘問題，此外漏電保護無選擇性，容易造成井下大面積停電。隔爆高壓開關不具備失壓延時功能，在供電系統出現短暫性失壓的情況下會造成隔爆高壓開關因失壓群跳導致大面積停電。供電系統存在：短路越級、漏電誤動拒動、失壓群跳等問題導致大面積停電，影響煤礦正常生產時間，給安全生產帶來一定的影響。

3.原因分析

（1）井下供電系統未實行自動化控制改造，對整個井下供電系統的管理、監控、操作不協調，容易因小故障導致停電事故，并且井下存在線路短、分級多的特點，電力作業對保護的延時要求較高，導致保護整定不能準確的切除故障，線路越級跳閘的情況經常發生。排查故障時間長，人為影響因素較大，工作效率低，降低了井下供電系統的可靠性；

（2）無法實現精確的接地選線。雖然礦井根據實際情況在變電所內配置有接地選線的設備，但是存在選線并不準確的情況，無法定位到準確的接地區段，嚴重影響了整條線路的供電；其次，現代化礦井對機械化、智能化的程度要求極高，井下用電負荷也越來越大，使得單相接地時接地電流較大，為了控制接地電流過大，通常在地面變電站增加消弧線圈補償設備以控制電流，電流變小后導致無法使用傳統的選線設備；

（3）煤礦井下供電系統各項標準由煤礦生產部門統一制定標準，無法應用地面變電所的研究成果，導致井下供電系統落后于地面，加之井下環境復雜，設備運行故障率較高，安全供電性差。此外礦井供電標準較為滯后，導致各個設備廠家通訊保護無法兼容，由此造成煤礦井下保護設備壽命短，通用性差；

（4）在數字化礦山建設的過程中，在每個變電站設置了通訊分站，由通訊分站將站內信息采集并上傳至地面調度中心，從而實現地面“三遙”功能。該解決方案雖然在一定程度上減少了井下停電故障率，但由于各變電所分站綜保設備采用了各式各樣的通訊接口，性能差別較大，導致各系統之間通訊效率比較低、效果依然不是很理想；

（5）供電系統的自動化多應用于生產調度平臺，由于專業化要求高，使得一般的生產調度平臺僅僅使用遙測、遙信等監測功能，而地面遙控功能及定值管理、故障分析、設備維護、電量分析等無法發揮實際功能，甚至在建設規劃階段就被忽略；

（6）對于影響煤礦運行的越級跳閘問題，部分煤礦采用優化一次系統架構的方式來削弱越級跳閘對礦井供電的影響，但此方案的投入很大，也不具備該方案實施的基本條件；在二次控制系統領域中有節點閉鎖、通訊閉鎖、電流速斷延時等多種方案，但都無法發揮真正的作用；

（7）井下傳統的6/10kV供電系統任然存在選擇性漏電的問題，該問題沒有得到解決。

4.改造方案

采用KJ698煤礦無人值守智能供電監控系統，敷設光纜組建獨立環網作為系統通訊的主要通道。在地面建設電力系統監控中心，對井下所有變電所實行全天無間斷監控。將變電所低壓設備接入通訊線路，對高壓配電裝置進行升級改造，安裝斷路器隔離本體小車自動推進退出裝置，在高壓配電裝置內部配置攝像模塊，將視頻信號穿腔引出，并加設視頻傳輸系統，將變電所所有配電裝置的內部視頻信號傳輸到地面電力監控中心，做到操作可視化。同時，電動隔離系統的控制部分與每臺配電裝置的保護進行集成，保護與監控分站進行通訊，監控分站通過光纜將訊息傳送至地面電力監控中心，地面電力監控中心能實時反映配電裝置斷路器及隔離的分合狀態，通過遠程操控與控制，真正實現井下變電所無人值守。

5.實現目標

(1)無人值守

改造后通過遠程監控技術的應用實現遠程診斷井下變電所高低壓設備故障，可以及時發現故障苗頭，及早處理隱患問題，最終形成井下供電系統地面可視、可查、可操作的智能化監控操作系統，實現井下變電所無人值守和地面遠程監控，確保井下供電系統穩定運行。

(2)智能化

無人化智能供電系統通過礦千兆環網將礦所有變電所供電網絡形成一個整體，通過智能拓撲分析和自動著色、操作的互聯閉鎖、設備自檢測、定值的合理性校驗、參數的自動化配置、智能綜合預警等高級智能化功能，監測供電系統狀態，自動協調工作，及時處理系統產生的各種問題。

(3)可視化

無人化智能供電系統提高了對礦井所有供電設備和系統的監測，形成監測網絡，擴大了監視范圍，實現設備和系統運行實時監控監測和可視化，同時通過網絡系統和地面服務器實現遠程診斷和操作，是實現井下變電所無人值守的前提和技術保證。可視化主要表現在：①系統運行情況的可視化。在已有的監測電壓、電流、功率以及開關位置上增加電動小車遙控、電力系統的諧波、電能質量、電度計量、負荷沖擊記錄、變電所溫度、變電所感煙狀態傳感器等，實時監測系統異常情況，當系統運行出現異常時可及時掌握系統情況；②一次設備運行狀態的可視化。主要包括分合閘動作時間、累積分斷容量等，建立運行異常預警機制；③二次設備與網絡設備狀態的可視化。包括系統保護裝置的自檢狀況、網絡的負荷率和通訊狀態以及交換機的運行情況等；④系統故障可視化。系統發生故障時，可將發生故障的時間、類型、故障值、錄波波形等實時記錄，檢修人員可以調取完整的數據和記錄，便于檢修人員有針對性的及時解除故障；⑤強化設備的遠程操作。在地面的電力系統監控室即能實現遠程遙控井下開關、保護功能投退、調閱和修改定值、調整參數配置等功能。

(4)防越級跳閘

系統采用“先定位后跳閘”策略實現短路故障的防越級和系統操作防越級，避免無故跳閘、越級跳閘的嚴重事故發生。通訊異常時，系統具有自動拓撲識別功能，能通過系統自身判斷供電運行方式，自動識別各間隔的保護關聯關系，自動構建有效網絡內的防越級系統，確保防越級功能的有效性。

(5)精確定位

采用智能監控系統可對供電故障點進行精準定位，徹底解決接地、漏電選線不準，造成停送電時間過長，影響安全生產的問題。

(6)失壓延時保護

智能供電系統通過開關失壓延時保護，可以避免因電網波動導致礦井變電站失電的現狀，降低了井下大面積停電事故的概率，KJ698無人化智能系統使用后，礦井的大面積停電事故減少約85%。

6.總結

目前，井下變電所無人值守改造已進入試運行階段。該系統的應用，實現了地面對井下變電所“遙測、遙信、遙控、遙調”的功能。通過通訊信號傳輸，地面電力系統監控室值班人員即可實時監測并全面掌握井下供電系統狀態和運行情況，發生故障后也可迅速找出原因并排除故障，實現井下供電系統故障地面可視化和遠程操作解決故障問題。該系統目前運行效果良好，提高了發現和排除故障的效率，減少了大面積停電對生產產生的影響，大大提升了井下供電系統的安全保障能力。無人化智能供電系統實現了井下變電所無人值守，減少了井下作業人員，達到了減人增效的目標，符合現代化煤礦發展趨勢，具有較高的應用價值和經濟社會效益。