煤矿井下采区变电站综合自动化设计方案.pdf

第 2期 2 0 0 5年 4月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No． 2 、Dr ．20 0 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 5 0 2 0 0 6 7 0 3 煤矿井下采区变电站综合自动化设计方案 佥 毡 r 淮北矿 业集团朱仙庄煤矿 ， 安徽 淮北2 3 5 0 0 0 摘 要 传统 的煤矿 井下采 区变电站存 在着一些 问题 ， 无 法满足 煤矿 电力 系统安 全 、 稳 定和经济 、 优 化运行 的要 求。文章在 阐明煤矿 井下采 区变电站综合 自动化 系统优越 性的基 础上 ， 利 用计算机 监 测和 自动控 制技 术设 计 了一套综合 自动 化装置 ， 实现 井下采 区变电站 的保护 、 测控一体化 。 关键词 煤矿 ；变电站 ；自动化 ；方案 中图分类号 T D 6 1 1 ． 2 文献标识 码 B 0引言 煤矿供 电网络 自动化控 制 系统 ， 目前 主要 应用 于煤矿井上变 电站 的微机保护 、 微机管理检测 方面 ， 特别是无 人值 班 监测 监 控 系统 也 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 而煤 矿井下 由于供 电网络结 构复杂 ， 且 受环境 、 收稿 日期 2 0 0 4 1 2 ～2 8 时 ， 一个微动开关 断开控制 回路断 电 ， 同时前 门才能 打开 ， 保证开关 的安全性 能 。 3 真空磁 力启 动 器 的母 线 ， 取 消常 规选 用 带 绝缘 套管软母线 ， 全部 采用 经过 特 殊绝缘 处 理 的母 线板 ， 经受得住 1 0 0 0 0 V 的耐压试验 。主 腔结构 简 单紧凑 、 便 于维 修 。 4 所有 的真空接 触器 、 隔离换 向开关 ， 全部 采 用插接式 ， 便 于维修 、 安装 。 5 控 制芯板设 计为折叠分 层式 。除真空 接触 器 、 隔离换 向开关之 外 ， 将所 有 的控 制 、 保护 元 件安 装于控制芯板 。控制 芯板沿着折页方 向可以方便地 整体抽 出 ， 便 于井 下 维修 安 装 ， 既符 合“ GB 3 8 3 6 ． 1 4爆 炸性气体环境用 电气设 备” 标 准 ， 又 提高 了隔 爆外壳 的空 间利用率 ， 同时又 满 足 了电气 系统 的正 常运行要求 。 6 在电源接 线 腔 门盖 正面 有 电源 电压 显示 ， 在主腔门盖正面有各 回路的正常工作、 工作 电流及 故障状态指示 灯显 示 ， 方便 了故障处理 。 3 现场应 用 B QZ l 一4 0 0 ／ 4 ． 5 ． 6矿 用 隔爆 兼 本质 安 全 型 组 地质 条件等 因素 的制 约 ， 影 响供 电系统 运 行 的不确 定 因素也较多 ， 因此 。 对井下供 电系统实施监控 困难 较 大 ， 但要求 也十分迫切 。 1 煤矿 井下采 区变 电站存在 的 问题 煤矿井下采 区变 电站 的服务 对象为采煤 、 掘进 、 运输 、 排 水等重要环 节 ， 供 电负荷 种类 繁 多 ， 区域 分 布广 。负荷工作 场所 地 质条 件复 杂 ， 而且 存 在着 瓦 合式真空磁 力启动器于 2 0 0 0年 1 O月开始在 开滦范 各庄矿业公 司等单 位 的高产 高效 综 采工 作面 试用 。 煤矿井 下 使 用 证 明 ， 该 真空 磁 力 启 动 器 上 采 用 的 4 0 0 A真空接 触 器 、 4 5 0 A 隔 离换 向开 关 的 性能 是 可靠 的 ； 采用 的各种 保护插件 ， 整定方便 、 动作准确 。 在 整个煤矿 井 下使 用 期 间 未 出现 过 影 响 生 产 的 问 题 。 目前 ， 已推 广使 用该 真空磁 力启动器 5 O多台。 4改进建议 B QZ 1 ～4 0 0 ／ 4 ． 5 ． 6矿 用 隔爆 兼 本 质 安 全 型组 合式 真空磁力启 动器 尚存 在不 足之 处 ， 建议 作 如下 改 进 1 生产厂家要加 强外协 、 外 购件筛选 、 检验 ， 以确保批量 生 产 时 的整 机 产 品质 量 ； 2 应 将 4 5 O A隔离换 向开关 更换成 6 3 0 A或 8 0 0 A隔离换 向开 关 ， 实现 隔离换 向开关 与真空接触器 的匹 配 ； 3 应 加 强真空接触器插 接 结构 的检 测 ， 避 免 大负 载时 烧 坏插 接装置 ； 4 RC阻容 吸收装置 的安 装位置 应 选适当位置 ， 便于维修安装 ； 5 电子综合保护应开 发选用数字智能 型综合保护 ； 6 应设 有通 信接 口 ， 实现低压供 电网络 的监控监测 ； 7 接触 器 、 数字智 能型综合保护等 整体 向模块 化发展 。 维普资讯 6 8 工 矿 自动 化 2 0 0 5年 4月 斯 、 煤尘 、 水等有 害介质 ， 事 故发 生率 高 ， 故 障排查 、 停送 电周期长 ， 影 响 了采 区的安 全 生产 。供 电部 门 每天用于值班和线路维护的工作人员较多 ， 降低了 劳动生产率 。一般 来说 ， 传统 的井 下采 区变 电站存 在着如下缺点 1 安全性 、 可靠性不能满足要求。传统 的井 下采 区变电站 大多数 采用 常规 的设 备 ， 尤 其 是二 次 设备 中的继电保护 和 自动装 置 、 远 动装 置等 采用 电 磁型或 晶体管式 ， 结构 复杂 ， 可靠 性不 高 ， 本 身 又没 有故障 自诊断 的能力 。 2 不适应煤 矿电力 系统快 速计算 和实 时控制 的要求 。传统 的井下 变电站不能满 足向调 度 中心及 时提供运行 参数 的要 求 ； 一 次系统的运行工 况 ， 由于 运动功能 不全 ， 一些遥测 、 遥信无 法实时送到调度 中 心 ； 而且 参数采集 不齐 ， 不 准确 ， 井下 变 电站本 身 又 缺乏 自动控 制和遥控手段 ， 因此无法进行 实时控制 ， 不利 于煤 矿电力 系统 的安 全稳 定运行 。 3 工作量大 ， 设备可靠性差 ， 不利 于提高 运行 管 理水平和 自动化 水平 。常规的保护装置 和 自动装 置 易受工作环境温 度影 响 ， 其 整定 值必 须定 期停 电 校验 ， 工作量 大 ， 也无法 实现远方修改保护 或 自动装 置的定值 。 由于 传统 的采 区变 电站存在 以上 一些 问题 ， 无 法满足煤矿 电力 系统安全 、 稳定 和经济 、 优化运行 的 要求 。解决这些 问题 的 出路是采用先 进技 术装备井 下采 区变 电站。对于 老式 的井 下采 区变 电站 ， 逐 步 进行改造 ， 实现无人值班 和调度 自动化 。 2 煤矿井下 采区变电站综合 自动化 的优越性 煤 矿井 下变 电站综 合 自动化 ， 即利用 多 台微 型 计算机 和大规模 集成 电路 组 成 的 自动 化 系统 ， 代 替 常规 的测量 和监视仪表 、 常规控制 电路 与信号系统 ， 用微机保 护代替常 规 的继 电保护 ， 改 变常规 的继 电 保护单元不能与外界通 信的缺陷 。该 系统可 以采集 到比较齐全 的数据 和 信息 ， 利用 计 算 机的 高速 计算 能力和逻辑判断功 能 ， 可 方便 地监 视 和控 制变 电站 内各种设 备 的运行 和操作 。 煤 矿井下采 区变 电站实现综合 自动化的优越性 主要表现在 以下几 方面 1 提 高井 下 采 区变 电站 的安 全 、 可靠 运 行 水 平 。采区变 电站综 合 自动 化 系统 中的 各个 子 系统 ， 绝大多数是 由微机 组 成 的 ， 它 们 多数 具有 故 障诊 断 功能。除了微机保护能迅速发现被保护对象的故障 并切除故障 外 ， 有 的 自动装 置 兼有 监视 其控 制对 象 工 作是否正常 的功能 ， 发 现 其工作 不 正常 可及时发 出告警信息 。更 为重 要 的是 ， 微 机保 护装 置 和微 机 型 自动装置具 有故 障 自诊 断 功能 ， 这是 当今 综合 自 动化 系统较之 常规 自动装 置 的突 出的特点 。 这 使得 采用综合 自动化 系统 的变 电站～ 、 二次 设备 的可靠 性大大提高 。 2 提高煤矿井 下电力 系统 的管 理水平 。采 区 变 电站实行 自动 化后 ， 监 视 、 测 量 、 记 录等 工作 都 由 计算 机 自动进行 ， 既提高 了测量的精度 ， 又避 免了人 为的主观干预 ， 运行 人员 只要 通过 观 看 C RT屏 幕 ． 对采 区变 电站 主要设 备 和各输 、 配 电线路 的运行 工 况和运行参数便 一 目了然 。综 合 自动化 系统具 有与 上级调度通信 功能 ， 可将 检 测 到 的数 据 及时 送住 调 度 中心 ， 使调度员 能及 时 掌握 各采 区变 电站 的运行 情况 ， 也能对它 进行 必要 的调节 与控 制 ， 且 各种操作 都有事 件顺 序记 录可供 查 阅 ． 大大 提高 了运 行 管理 水平 。 3 减少维护 工作 量 ， 减 少 值班 人员 ， 实 现减人 增效 。由于综合 自动 化系 统 中 ， 各个 子 系统有 故 障 自诊 断功能 ， 系统 内部有故 障时能 自检 出故 障部 位 ， 缩 短 了检修时 间。微机保护 和 自动装置的定值 又可 在线读 出检查 ， 可节约 定期核对定值 的时间 。而 且， 下位机 、 工控机 和监测 主机三级 网络 整定保护定值 ， 使定值修 改灵活 方便 。监控 系统 的抄 表 、 记 录 自动 化 ， 使值 班员可不 必定 时抄 表 、 记 录 ， 可 实现 少人 值 班 。如果 配置了与 上级 调度 的通 信功 能 ， 能 实现 遥 测 、 遥信 、 遥控 、 遥调 ， 则 完 全可实 现无 人值班 ， 达到 减人增效 的 目的。 3 煤矿 井下采 区变 电站综 合 自动化 系统设 计方案 3 ． 1 系统 的功能要 求 根据项 目的需 要 和井 下的工 作环 境 ， 该 系统应 具有 如下功能 1 四遥 功 能 遥 信 采 集 并 向 远 方 发送 状 态 量 ； 遥测 采集并 向远 方发 送数字量 、 模拟量 ； 遥控 接 收并执行 远方调度控 制命令 ； 遥调 整定 电压变 比 、 电流 变 比、 额定 电流 、 额 定 电压 、 短路 参数 、 过 载 参 数 、 过 流延时参 数 、 过 电压参 数 、 绝 缘 阻值上 下 限 参数 。其 中， 遥调要 达 到实 现井 下现 场 、 采 区变 电 站和井上监控 主机的三级整 定 。 2 越线 告警 包 括电压越线 告警 、 电流越线 告 警 、 绝缘 阻值越线 告警 、 漏 电监测 报警 、 断路 器跳 闸 报警 、 温度报警等 。 3 开关 内温度测量功能 。 维普资讯 2 0 0 5年第 2期 金 竹广 煤矿 井下采 区变 电站综合 自动化设 计方案 6 9 4 井下采 区内温 度 、 瓦斯 、 一氧化 碳 的测 量功 能 。 5 故 障记忆 功能 。 6 通信功 能 。 3 ． 2 系统 设 计 结构 为了实现上述功能的要求 ， 设计的监测监控系 统应 采 用 现 场 总 线 控 制 技 术 F i e t d b u s C o n t r o l S y s t e m 。P C S是 二 十世 纪 9 0年 代 以后 迅 速 发 展 起来 的新 一代控制技术 。现场总线是一种连 接智能 现场自动化设备及其控制系统的双 向传输、 多分支 结构 的数字 通信协议 。一个 现场总线 系统 可以看成 是 一个 由数字通信设 备和监测监控设备组成 的分布 式系统 。实际上 ， 现场总线就是 一个智能化设备 ， 这 个 网络上 的每一个节 点就是一个智能化设 备 。 现场 总线技 术是 计算 机技术 、 控 制技 术 和通信 技术从工 艺层 发展 到工艺 设备 现 场 的技术结 果 ， 与 传统 的 集 散 控 制 系 统 DC S Di s t r i b u t e d Co n t r o l S y s t e m 相 比， F C S系统有如下优点 1 全 数字化通信 。传统 的集 散控制 系统 DC S 是“ 半数字” 系统 ， 集散 控制 系统 的许 多 1 ， 0 板接 收 或送 出 4 ～2 O mA 模拟信 号 而现 场总 线 控制 系统 F C S是一个“ 纯数字 ” 系统 ， 信 号传输 已实现 全数 字 化 ， 它不仅提 高了信号 的可靠性 、 准确 性 ， 而 且实 现 了检错 、 纠错功能 。这 样 ， 就无需 用户采用抗 干扰 和 提高精 度的措 施 ， 降低 了成本 。 2 可互操作性 和互 用性 。可互操作 性是 指实 现互 连设 备间 、 系统 间的信息传送 和沟通 ， 而可互用 性则 意味着对不 同生产厂 家的性 能类似 的设 备可进 行互换 。 3 完全 的分散性 。DCS是一个“ 半分散式” 系 统 ， 采用一个 或多个“ 控制单 元” 对多 回路进行控制 ， 其控制部分分散 到一些 控制 板 上 ， 每个 控制 板上 又 有多个 回路 ； 现场总线则采用 的是 完全分散体 系 ， 它 的控 制单位全部分 散 到现场 ， 控 制 回路 由现 场设 备 实现 ， 在现 场总线 中又 同时允许 在控 制 室 中用数 字 通信的方式进行操作 与调整 。 4 开放性 。现 场总 线是 开 放互 连 网络 ， 用户 可 以将其与 自己的网 络相连 ， 方便 地共 享 网络 数据 库 。 5 一对 N 结 构 。现场 多 台智能 仪 表 可 以用 一 对传统线连接起 来 ， 双 向传输 多个信号 ， 这种结构 组 建简单 ， 费用低 ， 维 护容易 。 3 ． 3 系统组成 监控 系统 主要 由以下三部 分组 成 1 面 向现 场 设 备 的 间 隔 层 测控 、 保 护 “ 一 体 化” 智能装置 又称智能测控单元 。该装置采用统 一 模块 ， 放置于 高 、 低压 开关 防爆 腔 内 。 形 成就地 微 机保护 和 S CADA 数据采 集 和监控 为一 体 的前 智能测控单 元 。测控 单 元之 问采 用 RS一．1 8 5总 线 连接 。 2 井下监 控智能通信接 口 又称 工控机 。智 能通 信接 口通过 网络信 息通道 收集 各前置智能洲控 单 元的上传信息 ， 并下达控制 、 调整 命 令。它 负责把 所有与它相连 的测控单元 的工 作状 态 E传到监控 主 机 。同时 ， 它 又负 责采集 井下 采 区的温 度 、 瓦斯 、 氧化碳 ， 并实现液 晶显 示和 键盘 整定 保 护定 值 的功 能 。井下监控 智能 接 口放 置 于采 区变 电站 内 。 智 能 接 口装 置与 智能 测控 单元 之 间采 用 RS一4 8 5的通 信方式 。 3 监 控主机 。监控 主机 的任 务是 对整 个 井下 采 区变电站的信息 进行 存储 和 处理 ， 并通过 先进 友 好 的人机 界面实现 所有 变 区变 电站 的监 控 及管 理 。 监控 主 机 与 智 能 通 信 接 口之 间 采 用 高 可 靠 性 的 C AN现场 总线通 信方式 。 该方 案利用计算机监 测和 自动控 制技术 发出 一 套适用于煤矿井下采 区变电站高 、 低压配电设备 的综 合 自动化装置 ， 实现井下 采区 变电站 的保 护 、 测 控 一体化 ， 实现井 下采 区变电站的无人 值守 ． 避 免 r 人在 现场的操作参 与 ， 对 于提 高井 下 供 电系统 的 靠性 和运行经济指 标 ， 促 进采 区供 电系统 的管 理现 代 化 ， 有着 重要的意义 。 参考文献 [ 1 ] 黄益庄． 变电站综合 自动化技 术[ MJ 社 ， 2 0 0 0 。 [ 2 ] 阳宪惠． 现场总线技术及其应用 [ M- 出版 社 ， 1 9 9 8 ． 3 ] 鹿玲杰． 现场总线技 术的研究与应用 院学报 ， 1 9 9 9 ， 3 ． 『 { 】 国 电 力 出版 [ 4 ] 郑文波． 现场 总线 技 术综 述 [ J ] ．饥械 与 电 子． 1 r 4 ． [ 5 ] 郭谋发． R S 一4 8 5网络的设计及其 1 业监控 系统 t { 的应用[ J ] ． 福州大学学报， 1 9 9 9 ． 1 ． 维普资讯