煤礦一體化智能電力調度系統建設及應用

摘要：傳統的煤礦智能供電系統依托于礦井工業環網進行數據傳輸，延時高、穩定性差。隨著煤礦智能化建設高速發展，智能供電系統的重要性日益凸顯，本文介紹了基于PCS-9000平臺開發的煤礦一體化智能電力調度系統建設及應用情況，項目建設中通過升級改造，形成了下南、北翼專用雙環網結構，實現了礦井井上、下一體化電力監控、井上、下保護裝置集中統一授時、主變電所的熱成像溫度監視等功能。項目應用于兗礦能源濟寧二號煤礦，取得顯著效果。

關鍵詞：煤礦;電力調度;智能化

兗礦能源濟寧二號煤礦通過自主施工升級改造，更換主要變電所微機保護測控柜及智能高壓柜，更換統一型號高防開關保護裝置，統一低防開關及照明綜合保護裝置通信協議，敷設供電監控專用光纜3萬米，搭建了PCS-9000電力調度平臺，建成基于PCS-9000的井上下一體化電力調度系統和防越級跳閘系統。井下采用南、北翼專用雙環網結構，110kV變電所、中央變電所采用AB雙網結構供電專網，實現了一體化電力監控、裝置集中統一授時、主變電所的熱成像溫度監視等功能。系統建成后運行穩定，智能化建設效果顯著。

一、系統硬件

在建設系統時，為高壓開關統一更換了PCS系列保護器和帶有通信功能的電能表，每個變電所增加1臺監控分站，重要采區變電所額外增加了1臺防爆UPS，另外還增設了溫度傳感器、煙霧傳感器等環境監測設備。

（一）綜合保護裝置

井下采區變電所高防開關全部采用PCS-9639綜合保護裝置，該適用于煤礦井下6kV/10kV電壓等級高壓防爆開關的保護裝置。裝置通過常規電磁式互感器采集模擬量。支持IEC61850、IEC60870-5-103、Modbus RTU、Modbus TCP等通信規約。

中置式開關柜使用的PCS-9611線路保護裝置適用于110kV以下電壓等級的非直接接地系統或小電阻接地系統中的線路保護及測控，用于井下中央變電所和地面變電所高壓開關柜。裝置通過常規電磁式互感器采集模擬量，支持IEC61850規約。

保護裝置保護具備防越級速斷保護、三段過流保護、兩段負序過流保護、接地保護、過負荷保護、電壓保護、2路非電量保護、電纜絕緣監視保護、故障錄波等功能。

（二）電力監控分站

采區變電所使用防爆型電力監控分站，主要元器件包括一臺RCS-9786通信裝置，1-3臺PCS-9882以太網交換機，1臺NR3311電源轉換模塊，1個DCH141鎳氫電池組。中央變電所使用礦用一般型監控分站，主要元器件包括1臺RCS-9786通信裝置，四臺PCS-9882以太網交換機，2臺220VAC/24VDC電源。

PCS-9882系列工業以太網交換機有多種型號，配置有數量不同的百兆、千兆光口，可根據實際需要選配。光口相應配置支持熱插拔百兆或千兆的SFP光模塊，鑒于智能化供電系統數據量大的特點，系統全部選用千兆光口和千兆光模塊。RCS-9786通信管理機即規約轉換器，功能是將通過Modbus RTU等通訊規約傳來的信息進行轉換，并將該信息通過以太網或串口的方式送給控制中心，同時接收控制中心的指令，并迅速傳遞給智能設備。

防爆分站內的電池容量為10000mAh，外部電源失電后可以保證監控分站2h的不間斷供電，另可以根據需要選用額外的防爆UPS電源。采區變電所高防開關控制電源和合閘電源取自本體PT，分站由電池保證不間斷供電，變電所高壓進線來電，即可遠程恢復供電。中央變電所采用“直流屏+逆變電源”的方式為監控分站供電，高壓開關柜的控制電源和合閘電源由直流屏供電，可實現遠程恢復供電。系統建設后，井下變電所無人狀態，也可從地面逐級恢復井下各變電所供電。防爆電力監控分站，如圖1所示。

（三）總控裝置及集中授時系統

系統采用PCS-9799總控裝置用于數據采集、規約轉換、遠程通信以及GPS時鐘同步。對下通過網絡或串口方式接入全站測控單元、保護裝置以及智能電子設備，對上通過模擬通道、數字通道或網絡向集控站傳送，同時接收集控站的遙控、遙調命令向變電站內設備傳遞。

PCS-9799M的運行既可作為常規遠動裝置獨立于后臺監控系統，也可直接將數據傳遞后臺。

系統使用NR1145網絡授時插件，該插件支持外部GPS、北斗授時，可以根據實際需要選擇授時模塊雙重配置（雙GPS或GPS、北斗各配置一個）。NR1205A是建立在UAPC平臺上設計的標準RS-485差分擴展輸出插件，該插件有七路串口輸出，分兩組（COM1-COM4和COM5-COM7），用于對時擴展裝置，提供脈沖和IRIG_B對時信號擴展輸出。

二、專用網絡搭建

（一）所內網絡

高防開關保護器PCS-9639通過網線連接至監控分站內PCS-9882交換機，如圖2所示。

低防開關、電能表、煙霧傳感器、溫度傳感器等具有Modbus通信功能的設備通過RS485通信線接入RCS-9786通信管理機，經過協議轉換，網線接入PCS-9882交換機。同一分站內PCS-9882交換機之間通過網線連接后，通過光纖與其他分站之間進行通信。

（二）系統環網

變電所之間架設專用供電通信光纜。井下采區采用南、北翼雙環網結構，以北翼環網為例，從中央變電所同時向北翼敷設2根6芯光纜，一根至四采變電所，一根至北翼二采2#變電所后返回至四采變電所；110kV變電所、中央變電所采用AB雙網結構，每臺設備出2根網線，至不同的交換機，一用一備；中央變電所交換機與地面110kV交換機之間采用主、從兩根光纜進行通信。

通過專用網絡搭建，降低網絡中斷可能性，提高了供電網絡的可靠性。降低網絡延遲，提高信息和命令傳輸的時效性，實現了供電通信網絡與礦工業環網之間的物理隔離，保證供電監控系統的獨立性、可靠性、安全性。系統網絡配置如圖3所示。

三、智能巡檢系統

（一）室內智能巡檢機器人

主要變電所配備一臺循環充電式智能巡檢機器人，通過預定軌道、設置巡檢點等設置，對高壓室51臺開關柜1746個巡視點進行全方位精細化監測，包括開關狀態、運行狀態、工作指示燈、各轉換開關位置、保護裝置狀態、溫度、濕度、噪聲等，通過圖像視覺分析，在后臺形成監測結果。

（二）智能測溫系統

主變電所室外采用3臺雙光譜紅外熱成像儀對室外110kV級設備進行自動測溫巡檢，實時對室外設備進行巡檢、紅外監測，及時發現設備異常及發熱部位。下井8根高壓電纜中間接頭安設有源無線溫度傳感器，通過集中顯示監測裝置傳輸至監控后臺顯示。能夠實時監測電纜接頭溫度變化，超過預警值自動報警，并生成溫度曲線，根據曲線變化預判電纜接頭缺陷。

高壓開關柜布置無線感應式溫度傳感器，進線及聯絡采用6點測溫，饋線采用9點測溫。實時對高壓柜內斷路器上下觸頭母排連接、負荷電纜壓接處進行溫度監測。實現超溫報警，及時研判由于接觸不良等原因造成的過熱故障。智能巡檢系統如圖4所示。

四、系統功能

（一）“四遙”功能

通過系統搭建實現了井下一體化的電力調度及監控，系統將PCS-9700變電所監控系統同步組態，實現主變電所精確監控，井下變電所集中調度功能，具備運行數據監測量、電量集中抄表、定值召喚修改、位置狀態監視、開關遠程分合功能。

遠程分合系統增加了系統摘掛牌功能，當前對象為設備前景時，可以進行掛牌，對牌進行編輯，實現添加編號、人工注釋、有效計時、實際功能編輯等功能。

系統還可以對所有故障進行錄波查看分析，雙擊本地已存在的波形，可打開波形分析工具，顯示對應波形的詳細信息。具備本地檢索召喚列表召喚波形、波形分析、本地檢索等實用功能，便于技術人員通過錄波分析系統故障、查找防范缺陷。

系統還具備軟件五防功能，開關手車分合以及接地刀分合存在內部邏輯，為五防功能提供了雙重保險。系統還提供了PCS-PC5定值快速查看修改工具，便于技術人員快速準確核對、修正系統的全部定值。此外，系統具備良好的擴展性，SCADA系統可以擴充圖形編輯，在負荷變更、開關增減時快速編輯，符合現場需求。

（二）防越級功能

很多大型煤礦供電系統目前普遍采用多級串供模式，存在雙回串供的形式，保護配置多為單一的過流保護，一方面過流保護時間級差難以配合，整定困難，越級跳閘問題嚴重，保護的選擇性與速動性的矛盾始終無法解決；另一方面具體表現在無法快速切除變電所環網母線故障且保護靈敏性不足。采用數字化變電站GOOSE網絡通信技術，在傳統保護配置方案的基礎上，增加GOOSE防越級跳閘速斷保護功能，參與防越級跳閘邏輯閉鎖的所有保護裝置連接到站控層GOOSE網絡中，裝置間利用該GOOSE網絡進行聯跳閉鎖信息交互，保護測控裝置支持圖形化組態和插件可配置功能。本系統建設中通過一體化的供電監控網絡建設，實現采區變電所→中央變電所→110kV變電所的GOOSE防越級跳閘功能。

五、結論

兗礦能源濟寧二號煤礦通過自主施工升級改造，搭建了PCS-9000電力調度平臺，建成基于PCS-9000的電力調度系統。其中，顯著特征是井下獨立雙環專用供電網絡的建設和基于61850規約的一體化電力監控功能的實現，解決了傳動電力監控系統依托礦區工業環網所帶的一系列網絡問題，系統兼容性好、穩定性強，各煤礦可推廣應用。

參考文獻：

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作者簡介：史凱（1986），男，山東省濟寧市人，碩士，工程師，研究方向為礦井機電系統自動控制及智能化系統。