曹家灘煤礦智能供電綜合管控系統的設計與應用

張鋁鎵

(陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西省榆林市，719001)

煤礦智能化是煤炭行業高質量發展的核心技術支撐和必由之路[1]。曹家灘煤礦位于國家大型煤炭基地陜北榆神礦區一期規劃區，生產規模1 500萬t/a，服務年限72 a。該煤礦現有110 kV變電站1座，地面配電室/變電所10座，井下變電所3座，箱式變電站8座。

曹家灘煤礦對地面所有變/配電室以及井下變電所在原有基礎上進行了升級和綜合管控，通過“互聯網+電力調控”，本著新思路、新技術、新裝備理念，對曹家灘煤礦智能供電綜合管控系統進行設計與應用。

1 智能供電綜合管控系統設計原則

(1)因地制宜，多措并舉。結合曹家灘煤礦供電系統的實際情況，充分利用現有智能電網調度控制系統、變電站自動化系統等技術資源，采用新建和改造相結合的方式，實現“調控一體化”。

(2)強化基礎，注重實用。加強基礎自動化建設和管理，變電站應具備綜合自動化、支持遠程瀏覽功能，調度主站具備通過遠方終端、圖形網關等方式遠程查看變電站綜合自動化系統運行數據的能力；調度主站應具備集中監視與控制功能，并支持其他調度機構、技術支持中心、檢修公司等通過遠程瀏覽方式巡視變電站工況；同時能夠存儲和管理遠程采集到的電量數據，并根據電網模型進行分析和匯總。

(3)數據優化，告警直傳。充分利用變電站設備模型數據的完整性和冗余性，就地對實時數據、告警信息、設備狀態進行優化處理，并將處理結果傳送至調控中心；能夠將調度指揮和電網分析所需、三相合相以及經優化精簡的遙測和遙信數據傳送給主站，并將設備監控所需的三相分相告警信息實時傳送至主站系統；能夠同時滿足電網調度和設備監控的需求，實現實時數據、實時畫面、實時功能的“源端維護、全網共享”，減少全系統的總體維護工作量。

(4)遠程瀏覽，調控安全。變電站監控信息，特別是變電站設備分相告警信息，經分類優化后直接接入調度控制系統，統一整合后提供給調度監控值班人員。當出現設備告警后，調度監控人員可通過遠程圖形終端直接瀏覽變電站內完整的圖形和實時數據。所有遠方控制指令都應采取身份認證等安全措施，變電站監控系統應能夠安全接收并正確執行調度控制指令。

(5)高度集成，安全可靠。電能量計量系統需通過基礎平臺獲取統一的電網模型參數，能夠與實時監控模塊進行信息交互獲取測量的遙信數據，處理旁路替代與故障告警分析，準確、及時地反映出電網中上下網關口的電能量活動情況。能夠為電力市場、營銷管理等系統提供可靠的數據支撐，保證結算、考核、線損管理、平衡分析、盈虧分析等業務的開展。

2 智能供電綜合管控系統整體架構設計

智能供電綜合管控系統是將曹家灘煤礦地面所有變/配電室、箱式變壓器以及井下變電所的電力信息集成至全礦統一的電力監控系統，搭建一體完整的防越級跳閘系統，增加地面變/配電所及變電站監測監控系統、能源管理系統、門禁管理系統，安裝繼電保護云平臺，以此實現全礦井的智能供電一體化監控。

智能供電綜合管控系統采用分層分布式光纖環網結構，此結構分為過程層、間隔層、調控層。變電所高低壓開關設備、配電站變壓器、礦用隔爆型移動變電站及其控制器為過程層。變電所各間隔的微機綜合保護裝置為間隔層，變電所的交換機及井下隔爆防越級信息交互交換機彼此相連組成光纖通信網，通信管理機及礦用隔爆電力監控分站通過光纖網將各變電所的四遙(遙測、遙信、遙控、遙調)信息傳至本地監控系統，并統一接入礦調控系統。過程層和間隔層構成站端層，現場總線、控制信號線構成了過程層與間隔層的網絡，以太網、光纖網、交換機構成了間隔層與調控層的網絡。通信管理機、礦用隔爆兼本安型電力監控分站、變電站電力監控系統為子站層，調度中心智能綜合管控系統為主站層，子站層和主站層構成調控層。礦山智能供電綜合管控系統架構如圖1所示。

圖1 智能供電綜合管控系統架構

3 智能供電綜合管控系統功能設計

3.1 智能防越級跳閘功能設計

曹家灘煤礦智能防越級跳閘功能采用分布式區域保護原理[2-3]，即為各級保護建立信號聯系，當任何一級保護在檢測到短路故障時，迅速發出閉鎖信號，閉鎖其上一級保護，以將故障鎖定在最小跳閘范圍內[4-5]。

當斷路器失靈時，上級保護可快速動作，母線故障可實現快速跳閘。區域保護適用于分支較多的配電網，解決保護電流定值無法滿足選擇性、電流保護時限級差無法配合等問題。分布式區域保護原理如圖2所示。

3.2 變電站監測監控功能設計

在各個變/配電所及變電站增加監測監控功能，實現可視化監測監控，變電站監測監控功能由能源管理模塊、智能巡檢機器人以及后臺軟件等部分組成。

3.2.1 能源管理模塊

地面及井下變/配電所增加電度表等相關設備，搭建能源管理模塊。該模塊具有電量統計功能，高壓保護器計量精度不低于0.5 s級，實現電量遠程自動抄錄和尖、峰、平、谷分時計量以及最大需量的抄錄[6-7]，可提供各單位、各設備任一時間段的用電情況，并自動生成班報、日報、月報、年報等多種形式報表。能源管理模塊界面如圖3所示。

圖3 能源管理模塊界面

3.2.2 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人的巡檢方式可以依靠巡檢點和指定路線進行[8-9]。當設備發生報警后，監測監控攝像頭本體可直接到達對應的指定設備，攝像可360°自由旋轉，對監測設備進行自動對焦，儀表讀數和指示燈狀態可清晰顯示。搭配拾音器進行聲音采集，通過配置對講機可實現語音交互，主控室的人員可通過語音指示智能巡檢機器人附近人員工作，且系統具備強大的擴展功能，可接入相關智能管控系統和泛在物聯網[10]，在完成相關網絡安全建設后，支持遠方Web訪問，遠方專家可直接同步現場音視頻及數據，與現場聯合開展故障分析診斷，實現智力資源共享。地面變電所智能巡檢機器人工作場景如圖4所示，井下變電所智能巡檢機器人工作場景如圖5所示。

圖4 地面變電所智能巡檢機器人工作場景

圖5 井下變電所智能巡檢機器人工作場景

3.2.3 后臺軟件

后臺軟件功能包括集控特色功能和國網標準化后臺功能2個部分，并分別在集控Web服務端和標準化Web服務端實現。集控Web服務端和標準化Web服務端均與后臺軟件交互(ICE接口)且均使用1套數據庫(此數據庫與站內數據庫保持一致)。集控Web服務端使用默認操作系統展示集控多站的概覽狀況及統計信息。同時，可通過選擇單個變電站進入標準化Web服務端展現國網標準化后臺界面，以完成標準化后臺功能交互。本監測監控系統通過利用此后臺軟件以及采用B/S架構，實現了對攝像頭監控、巡檢任務規劃執行以及巡檢數據和站內監控數據實時上傳等有效管理。后臺軟件界面如圖6所示。

圖6 后臺軟件界面

3.3 供電系統故障診斷及預警功能設計

針對供電系統故障診斷及智能預警問題，采用特殊數據采集和數據分析技術，建設礦井電力系統故障診斷及預警系統。

智能供電管控平臺提供故障的各方面分析依據及預警菜單，具有供電系統故障診斷和預警功能[11-15]。故障診斷流程如圖7所示，智能預警流程如圖8所示。

圖7 故障診斷流程

3.4 繼電保護云平臺

繼電保護云平臺具有智能繪圖、選型及計算功能，一是能夠通過“繪圖工具箱”的圖塊自動生成供電系統圖；二是能使用“選型”模塊對設備、電纜、變壓器、高低壓開關進行自動設置及計算；三是能在供電系統圖上自動計算及標注電纜編號、型號、開關編號、型號、整定值、末端二相短路電流及靈敏系數，以表格的形式自動生成各臺開關的編號、型號、整定值和末端二相短路電流和靈敏系數，以及各條電纜編號、型號、所帶負荷、長時載流量及電壓損失百分數等。繼電保護平臺界面如圖9所示。

圖9 繼電保護平臺界面

4 應用效果

2022年4月，智能供電綜合管控系統開始試運行，現以運行的8個變電站為例，分別從人員和成本等方面進行年效益分析。

在傳統運維模式下，每個變電站為單獨值班，每天3班，每班2人，則每個變電站需要6人，8個變電站共需要48人，此外還需配15人進行機電搶修，總人數為63人。其中，人均工資按照8 000元/月計算，搶修費用按照80萬元/a計算，則運維成本為685萬元/a。

在智能供電綜合管控運維模式下，可將8個變電站分為2個區，由調度統一調控，每區3班，每班2人，則2個區需要12人，此外還需配1人進行運維調控，6人進行機電搶修，總人數為19人。其中，人均工資按照9 000元/月計算，搶修費用按照50萬元/a計算，則運維成本為255萬元/a。

對比2種運維模式，發現調控運維模式可減少人員44人，年節省人力達70%；節約成本430萬元，年節省成本62.7%。由此可見，智能供電綜合管控可以大大提高服務效率、降低運維成本。同時，該系統可對存在安全隱患的設備提前預警和處理，具有多角度、多平臺監控和管理的智能運維模式，大大提高了供電的安全可靠性。此外，該系統實現的智慧能源數字化、精細化管理可配合制定中長期能源發展規劃，進行企業大數據挖掘，實現信息共享、資源共享，并與智慧城市建設接軌，建設節約型社會。

5 結語

智能供電綜合管控系統的搭建與應用，減少了技術人員現場運維成本和電力場所運維人數，實現了礦井所有變電所的無人值守目標，提高了電力系統整體的穩定性，減少了大面積越級跳閘造成的停電次數。該系統提供了可靠的故障分析依據，減少了判斷故障發生時所需的時間，保障了電力系統穩定運行和電力相關涉及的技術人員安全。同時，該系統集中了電力調度能力，設備遠程操作直接降低了現場操作的危險，并且各獨立單元都具有閉鎖功能，減少了人員主觀誤操作的可能性，增加了對能源消耗方面的數據分析手段。