煤矿井下变电所无人值守控制系统的研究.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 随着科技水平的不断提升，井下各类综采机械设 备的自动化和智能化水平不断提升，在综采作业过程 中对供电系统电流供应稳定性的要求也不断提高。作 为煤矿井下供电系统的核心，井下变电所对于煤矿的 供电安全和稳定具有决定性作用。由于井下高尘、高 湿的恶劣环境以及受各类用电设备电磁干扰、用电设 备频繁启动的影响，井下变电所在实际工作过程中极 易损坏，给井下的供电安全埋下较大的安全隐患[1]。为 了确保井下的供电安全，各煤炭生产企业均在井下设 置了专门的维修班长，变电所 24 h 有人值守，用于处 理紧急异常。但在长期工作中发现，有人值守严重依 赖于人员的责任心和技术水平，发生故障后也需要人 工逐级排查，不仅很难做到前期预防而且处理故障速 度较慢。为了进一步提升煤矿井下自动化和智能化水 平，保证供电系统的供电安全，本文提出了一种煤矿 井下变电所无人值守控制系统。该系统能够实现对变 电所工作状态的自动监控，出现异常及时报警并锁定 故障源，还能够进行远程故障排除，不仅实现了井下 变电所的无人值守，还极大地提升了井下变电所的供 电安全性，具有极大的应用推广价值。 1井下变电所无人值守控制系统 根据煤矿井下变电所的实际工作需求和监控要求， 本文所提出的煤矿井下变电所无人值守控制系统的整 体结构如图 1 所示[2]。 收稿日期2020-03-26 作者简介牛俊平，1988年生，男，山西岚县人，2016年毕业于太 原理工大学电气工程及其自动化专业，工程师。 煤矿井下变电所无人值守控制系统的研究 牛俊平 （ 山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，山西 岚县 033500 ） 摘要 煤矿井下变电所主要用于将供电系统的电压转换为不同的等级，满足煤矿井下各类用电设备的用电需求，是 煤矿井下供电系统的核心，其运行时的安全性和稳定性直接关系到煤矿井下综采作业的安全。随着煤矿井下各类用电设 备数量和精密性的不断提升，对供电稳定性提出了更高的要求。为了确保井下变电所供电的稳定性，多数煤炭生产企业 均在井下设置专门的维修班长，实现对井下变电站的 24 h 值守。为了进一步提升煤矿井下的自动化程度，实现减员增 效，提出了一种新的煤矿井下变电所无人值守控制系统，以 CAN 数据总线为控制系统核心，实现对变电所运行状态的无 人监控和调节，极大地提升了井下供电系统的供电安全。 关键词 变电所；无人值守；自动控制；数据总线 中图分类号 TD611.2文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0131-02 Research on Unattended Control System of Underground Substation in the Coal Mine NIU Junping Lanxian Zhengli Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coking Coal Group, Lanxian 033500, Shanxi, China AbstractThe underground substation of the coal mine is mainly used to convert the voltage of power supply system into different levels to meet the power demand of various kinds of electrical equipment in the coal mine. It is the core of power supply system in coal mine. The safety and stability of its operation are directly related to the safety of fully mechanized coal mining operation. With the continuous improvement of the number and precision of various kinds of electrical equipment in the coal mine, higher requirements are put forward for the stability of power supply. In order to ensure the stability of underground substation power supply, most coal production enterprises set up special maintenance team leader in the underground to realize the 24-hour duty of underground substation. In order to further improve the automation degree of the coal mine and realize staff reduction and efficiency increase, this paper proposed a new unattended control system of underground substation in the coal mine, which takes CAN data bus as the control system core to realize the unmanned monitoring and regulation of substation operation state, greatly improving the power supply safety of underground power supply system. Key words substation; unattended operation; automatic control; data bus （总第 179 期） 技术研究 PSC.PSC型综合保护器。 图 1煤矿井下变电所无人值守控制系统整体结构 井下环网交换机井下环网交换机 井下环网交换机 井下环网交换机 井下环网交换机 地面环网交换机 UPS不间断电源计算机打印机 地面 井下 CPU模块 矿用隔爆兼本 安型计算机 KJD127 矿用隔爆兼本 安型显示屏 PJ127 矿用隔爆兼 本安型直流 稳压电源 KDB127/18B 通讯 模块 1 通讯 模块 2 通讯 模块 3 通讯 模块 4 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 综 保 PSC 131 2020 年第 8 期2020 年 8 月 由图 1 可知，该井下变电所无人值守监控系统主 要包括地面监控模块、井下数据传输系统和井下运行 状态信号监控模块。地面监控模块是该无人值守控制 系统的终端，变电所运行状态信号的监测数据均以一 定的形式显示在监控中心的显示屏上，当出现异常时， 系统会自动报警，并启动调整。监控中心内的控制人员 可以远程监控和调整井下变电所的运行情况，出现异常 时也可以通过控制终端实现对井下故障的远程排查。 井下数据传输系统是用于传输各类监测信号的系 统，数据传输系统要求具有较强的抗电磁干扰性，在 确保井下高电磁干扰环境内数据传输的准确性方向， 要求数据传输系统具有极高的数据传输速度，满足对 各类视频监控信息的快速传输需求。同时，该数据传 输系统还具备多线程并行处理技术，确保井下数据传 输和井上控制信号传输的双向安全性，使地面下达的 控制指令的反馈时间小于 1.1 s，报警故障反馈时间小 于 0.9 s，确保对井下变电站调节的及时性[3]。 井下运行状态信号监控模块，主要由各类综保模 块和通讯模块构成，每一个井下变电所处均设置 1 个 通讯模块和 2 个综保模块，综保模块又包含了各类综 保装置和视频监控，电流、电压监控设备用于对变电 站工作时的状态进行不间断监控，同时执行井上控制 人员所下达的控制指令。在进行无人值守控制时，系 统进入到预设的无人监控模式，各监控单元将监测的 数据传输到所对应的通信模块内，在通信模块内完成 数据交换和分析，然后将分类数据传输到 CPU 控制中 心内，由逻辑判断程序对变电站内各个监控数据运行 的稳定性进行分析，并通过数据传输系统将分析结果 传输到地面控制中心，以图表的形式将各个监控模块 的运行状态表示出来。当井下变电所出现故障时，系统 会自动报警并标示故障原因，有助于快速解决异常。 2无人值守控制系统保护单元 变电所工作时，各种机械设备启动时的电流冲击 会对变电所各控制模块的控制精确性和稳定性产生较 大的影响，因此，为了确保该变电所监控系统的工作 稳定性，特设置了智能测控保护单元，用于缓冲不稳 定电流对变电所监控准确性和工作稳定性的影响。该 智能测控保护单元的整体结构如图 2 所示[4]。 图 2智能测控保护单元结构示意图 该智能测控保护单元为了确保对系统保护的精度 和及时性，测量部分采用了模拟量输入双通道设计； 测控部分采用了具有极高测控精度的电流和电压互感 模块，其对电流和电压的监控精度可达 0.01 级[5]；微机 保护部分则采用了专用的电压电流互感器，以满足对 微机保护的快速性要求。 3井下变电所无人值守控制系统的应用 井下变电所无人值守控制系统已在多个煤矿应用， 与原有的人工巡查模式相比，该无人值守控制系统能 够自动监控变电所运行过程中电压、电流信号的变化 情况，监测结果能够直观显示在监控中心的大屏幕上， 便于监控人员巡查。其应用效果主要体现在以下 3 个 方面a 实现了真正意义上的井下无人值守，原先每 个变电所需要配备三四名专业变电工才能满足对变电 站稳定运行的监控需求。该系统投入运营后，每个矿 只需要在井下总共配备三四人的应急小组即可确保井 下的供电安全，人员精简可达 20 人以上。b 故障定位 和处理速度提升。该自动控制系统能够根据变电所的 实际运行情况，对异常数据进行监控和分析，出现故 障后能够自动定位故障原因，将故障原因和处理方案 显示在监控终端上，同时能够自动启动故障排除程序， 排除部分故障。该系统投入运营后，将故障定位时间 缩短了 80以上，极大地提升了无人值守变电所的工 作可靠性。c 矿井供电系统自动化程度提升。该系统 投入运行后将各类供电数据清晰、直观地显示在监控 中心的显示屏幕上，只需 1 名值班人员即可全面掌握 全矿供电系统的运行状态。新的管理运行模式使井下 变电所的日常工作进一步简单化、流程化和信息化， 为建设数字化矿山迈出了坚实的一步。煤矿井下变电 所无人值守控制终端如图 3 所示。 图 3煤矿井下变电所无人值守控制终端 4结语 针对煤矿井下变电所采用人工巡查控制存在的效 率低下、故障处理周期长，无法满足越来越高的供电 稳定性和安全性需求的现状，提出了一种煤矿井下变 电所无人值守控制系统。该系统能够通过对变电所运 行状态信号的监测，自动判断运行情况，当故障发生 时，能够自动提示故障原因，提出处理方案，极大地 提升了变电站工作的自动化和智能化程度，实现了无 人值守。该系统投入运营后将故障定位时间缩短了 80以上，极大地提升了无人值守变电所的工作可靠 性，具有较大的应用推广价值。 光电隔离开关 量输出模块 光电隔离开关 量输入模块 模拟量采集 模块 电源模块时钟模块 数字信号处理器 TMS32OF2812 液晶显示 模块 人机接口 模块 CAN总线通信 模块 （两路） （下转 183 页） 132 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （上接 132 页） 参考文献 ［1］ 王其军， 杨奉忠.煤矿变电站综合自动化系统的实现 ［J］ .煤矿 自动化， 20014 22-24. ［2］ 郭银景， 康景利， 唐富华， 等.VOIP 技术在无人值班变电所远 动通信中的应用 ［J］ .电力系统自动化， 2004， 261 82-84援 ［3］ 刘忠菁.基于 CAN 总线的电力线路监测系统的设计 ［D］ .郑州 郑州大学， 2005. ［4］ 陈尔奎， 牛慧晖， 苏明.基于 CAN 总线的变电站预警终端的研 究与开发 ［J］ .山东科技大学学报自然科学版， 2008， 273 58-62援 ［5］ 李长录， 杜鸿.矿井监控系统现场总线技术 ［J］ .煤矿安全， 20039 28-30. （ 责任编辑白洁 ） 并网后，高温高压蒸汽进入汽轮机做功，随着温度较 低的超高压缸、高压缸排汽量的增多，一次低再、二 次低再入口汽温分别降低了 27 ℃和 32 ℃，两者共同 导致 SCR 入口烟气温度下降了 15 ℃。 通过以上冷态启动过程参数分析可知，在机组并 网前，SCR 入口烟气温度与 SCR 投入要求温度相差仅 为 19 ℃，此时高加并未投入运行，且机组并网后可通 过提高高旁、中旁阀后蒸汽温度提高一次冷再、二次冷 再入口汽温，因此通过运行调整优化提高 SCR 入口烟 气温度，确保并网后能立即投入 SCR 运行是有可能的。 3提高 SCR 入口烟气温度的策略 3.1提高给水温度 a 除氧器水温。锅炉上水前提前投入除氧器加热， 控制除氧器水温在 100耀110 ℃之间，锅炉上水时提高 除氧器水温至 120耀130 ℃之间。 b 低压加热器投运。低压加热器在机组冲转暖机 时汽侧投运。 c 锅炉升温升压过程中，控制 BCP （ 炉水循环泵 ） 加大流量，尽量减少 361 阀外排水量。监控好储水罐水 位，调节储水罐水位稳定，避免储水罐水位大幅波动造 成水冷壁大量进冷水、外排水量增大现象发生。锅炉湿 态运行时，尽量增大炉水循环泵出力，减少锅炉上水 量，从而保证机组并网前省煤器入口给水温度保持在 240 ℃以上。 d 当高旁阀开度大于 20，一次再热冷段压力达 到 0.6 MPa 时，开启一抽至 1高加逆止门，缓慢开启 一抽至 1高加电动门，投入 1高加运行。当中旁阀开 度大于 20，二次再热冷段压力达到 0.3 MPa 时，开 启三抽至 3高加逆止门，缓慢开启三抽至 3高加电动 门，投入 3高加运行。机组并网后尽快投入 2、4高 加运行，尽量提高给水温度。 e 在保证水冷壁最低给水流量的前提下，尽量增 大 BCP 循环流量，提高锅炉上水温度[3]。 3.2提高送风温度 a 锅炉风烟系统启动后及时投运二级低省蒸汽辅 助加热器，使空气预热器入口风温在 65 ℃以上，尽量 提高二次风温；b 锅炉点火后，保持空气预热器连续 吹灰，提高一、二次风温。 3.3提高炉膛出口烟温 a 锅炉升温升压过程中，在保证燃烧稳定的前提 下适当增大喷燃器摆角，以尽量提高烟温。 b 在壁温不超限的前提下，适当增加锅炉燃料， 增加锅炉热负荷。启动过程中逐步开大高、中、低压旁 路调节阀维持汽温汽压稳定，保持高旁开度 40以上。 c 机组冲转和并网后，立即增加给煤量，提高高 旁、中旁阀后蒸汽温度至 350 ℃以上，提高一次冷再、 二次冷再入口蒸汽汽温，从而提高炉膛出口温度。 d 提前做好第二台磨煤机启动准备，在机组并网 后，立即启动第二台制粉系统，提高带负荷速率，尽 快满足脱硝投运的烟温条件。 4试验结果 采取以上调整措施后，冷态启动相关参数如表 2 所示。从表 2 中可以看出，在机组并网前，SCR 入口烟 气温度即达到了 302 ℃，实现了预期目标。 表 2启机阶段 SCR 入口烟温与其相关参数汇总表 （二） 5结语 该发电公司在未进行任何设备改造的情况下根据 自身设备特点优化运行调整手段，顺利实现了超超临 界二次再热机组在冷态启动过程中并网前将 SCR 入口 烟气温度提高至 300 ℃以上，满足了脱硝投入条件。 参考文献 ［1］ 马建华， 杨轶文， 曹军， 等.1 000 MW 机组启动期间 NOx控制 方法探讨与应用 ［J］ .电力与能源， 2016， 376 762-766. ［2］ 孙伟鹏， 陈韶华， 江永， 等.基于零改造的全负荷脱硝投入应用 实践 ［J］ .环保技术， 2018， 323 184-187. ［3］ 王如良， 戴成峰， 陈黎勇， 等.1 000 MW 机组锅炉启动阶段提 高脱硝烟温的方法 ［J］ .浙江电力， 2016， 358 46-49. （ 责任编辑刘晓芳 ） 启机阶段 脱硝 系统 入口 烟温/益 煤量/ t h-1 给水温 度/益 给水 流量/ t h-1 一次 低再 入口 汽温/益 二次 低再 入口 汽温/益 高旁 阀开 度/ 中旁 阀开 度/ 冲转前300682421 3073343724287 3 000 r/min暖机302922381 3203293673982 机组并网302932381 3803303633778 150 MW初负荷2971412361 3833523711230 250 MW负荷3021552421 51936638500 马记 超超临界二次再热机组冷态启动尽快投运脱硝策略与应用 183