煤矿变电站自动化控制系统的探讨

煤矿变电站自动化控制系统的探讨

摘要:针对煤矿变电站设备老化严重、操作不当等问题,对变电站自动化系统建设的必要性和主要组成进行了详细的阐述。麦捷矿根据企业实际情况,对变电站电力负荷和干线电流进行了计算,最终选取了适宜的设备配置,实现了全矿变电站的自动化控制。

关键词:煤矿变电站;优化改造;自动化系统

1概述

变电站是煤矿企业重要的供电设施,变电站及其设备的稳定运行是矿区安全生产的重要保障。但由于煤矿工作环境恶劣,变电站在实际使用中会由于设备老化、维护不及时、操作人员管理不当等原因而存在很多安全问题[1]。当变电站发生故障出现时,不仅会降低煤矿的生产效率,还会导致煤矿事故的发生。因此为了有效提高煤矿供电的稳定性,需要对煤矿变电站自动化系统进行提升和改进[2]。麦捷煤矿针对企业井下环境和工作需求,对变电站自动化的控制系统进行了优化提升,并选取了适合本企业的设施设备,取得了良好的使用效果。

2变电站自动化的重要性

2.1配电站自动化的必要性

煤矿传统的变电站对电气设备的使用主要存在以下三点不足[3-4]:①电气系统结构复杂、设备老化,通常不具备自我报错、故障修复的功能,稳定性不足,安全问题较多;②常规设备独立操控难以做到全矿井的覆盖,监控数据分析不全面,实时监控系统落后,对煤矿变电站的工作效率和安全运行产生制约影响;③煤矿电气系统设备繁多,并且容易受环境的影响,导致对系统运维工作量的增大,在缺乏统筹管理的情况下,很容易出现操作混乱的现象。

2.2变电站自动化控制系统的组成

煤矿变电站的自动化系统主要由数控系统、调度设备、操控单元、现场总线等构成,主要组成单位又有不同的子组件,所有部分协同工作,从而完成对变电系线缆方面:变电站工作线缆通常使用安全性较高的新型CAN总线集成,不仅可以实现不同结构的资源共享,还利于布线空间的释放。由于其无需人工直接管理,可以一定程度上减少企业人力物力的投入。显示方面:调度装置安设有全屏显示设备,可以对机电系统跳闸、预警、运行情况进行集中的显示与提示。操作系统便捷易掌握,操作人员可以通过标配的外界设备对系统进行控制。保护系统方面:保护系统由保护、遥感等装置组成,负责对系统运行状态进行实时监控。不同装置间独立运行,可以从多维度系统进行防护,有效地提高了系统的稳定性。煤矿配电站自动化系统的通信方面主要分为载波通信、电话线或者光纤通讯、现场总线和RS485、无线通讯系统等。根据实际情况,由于单一的通讯系统难以满足煤矿使用,通常变电站采用的是电话线通讯和光纤通讯混合使用的方式。

2.3综合自动化系统总体方案设计

在对煤矿自动化系统进行方案设计时,应充分考虑到原有的一次设备与二次设备的优化与升级[5]。一次设备主要包括电压电流互感器、隔离开关、断路器以及变压器等元件,变电站在进行自动化操控、数据传递时会通过电缆进行工作,需要考虑在此工况下费用的支出。随着自动化系统的成熟应用,可以在智能断路器以及智能光电式的互感器中搭配专用的数字接口,对促进数字化信息的传输有一定帮助;针对二次设备,需要采用专配的安全装置对自动化设备进行测控并加以保护。变电站自动化系统的设计核心在于对监控数据的采集和开关的合理控制。远程控制系统是本系统的核心大脑,为保证所设计的综合自动化系统可以对现场信息进行及时采集与智能处理,需要加强并升级电气设备的远程操控功能。另外,当系统出现故障或存在隐患时,自动化变电系统需第一时间报警,对各部位开关合理闭合,同时配合后台进行数据的记录与保存。

3麦捷矿的实际应用

山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司位于山西省寿阳县,生产能力达到150×104t/a。近年,麦捷矿完成了35kV变电站升级改造的二期工程,并在2021年投入使用。

3.1自动化系统技术条件

在对煤矿自动化系统进行升级时,设备周围环境24h内的平均温度不可超过35°C,即使在极限温度下,装置也不可出现可逆的变化,待温度恢复后,装置应保证正常工作。抗干扰能力需满足IEC-255-22-4标准,绝缘强度符合Q/SD178-88规定标准。

3.2变电站综合自动化系统

麦捷矿变电站结构采用分层分布式综合自动化系统,间隔层在横向按站内一次设备分布式的配置。站内通讯采用网络技术,各功能单元之间采用局域网,通讯管理机能够与直流系统、站用系统、电度表、微机五防、后台机等外部设备通讯,并留有两个以上备用接口。整个系统具有自诊断和自恢复功能。主站至少具备2路与地调端的通讯接口,接口方式各有两种,即网络方式和数字方式,可通过调度数据网与调度通讯,也可直接通过通讯设备与调度通讯。通讯速率1200~9600波特,支持同步和异步方式。主通道采用IEC60870-5-104规约,备用通道采用DL451-91-CDT部颁规约。变电站自动化操作系统及实时数据库应满足运行要求和应用软件功能。数据显示方面可以支持接线图、曲线、棒图、饼图、表格等形式的直出,并对数据可以自动存储,保留半年有效期。

3.3变电站的容量校验

在对煤矿变电站进行改造升级之前,需要对变电站容量,即电力负荷进行核算,根据公式(1)所示:S=∑pn∙Krcosφ(1)式中:S——所计算的电力负荷总的视在功率,kVA;∑Pn——参加计算的所有用电设备额定功率之和(计算为1165kW),kW;cosφ——该组设备的加权平均功率因数(取0.7);Kr——所需系数,计算公式见公式(2):Kr=0.4+0.6ps∑pn(2)式中:Kr——所需系数;pS——最大电动机的功率,kW。以麦捷矿150506综采工作面1#移动变电站为例,计算需用系数Kr:Kr=0.4+0.6×(500/1165)=0.78;将Kr=0.78,cosφ=0.70,∑Pn=1165,代入公式得S=983.85kVA。根据计算结果选择一台KBSGZY-1600移动变电站,负荷率为81%,满足要求。

3.4高压防爆开关的选择验算

在对煤矿变电站进行升级时,除了需要对变电站电力负荷进行校验,还需要对干线电缆的电流进行计算,根据公式(3)计算:In=∑S3×Ue(3)式中:In——干线电缆的长期工作电流;Ue——电网额定电压,10kV。同样以麦捷矿150506综采工作面1#移动变电站为例,对此变电站的高压防爆开关为例进行验算:∑S=1298.01+755.92+44.40=2098.33(kVA);代入公式(3)得:In=121.15A。因此,对变电站防爆开关的选型如表1所示。

4煤矿变电站自动化技术的发展方向及建议

随着智慧矿山建设速度的加快,科技的发展为矿山机电的智能设备以及数字化技术带来了显著的提升。而在未来矿山电气设备的发展中,开关智能闭合、电子式互感器和数字化操控将成为发展的重点领域。开关智能闭合方面,国外方面已取得一定进展,日本企业和瑞士企业相继研究推出了MITS系统和PASS组合开关电器,在矿山机电的应用取得了一定效果。我国在此方面的研究尚处于起步阶段,江苏某企业自主研发设计了数字化互感器已经在矿山领域投入使用目前仍处于逐步完善之中。电子式互感器方面,具有重量轻便、绝缘简单、CT动态范围宽、PT无谐振现象、无磁饱和、重量轻及CT二次输入等多种优势。可以有效快速地对调合闸传递信号并实施命令。由于光缆被取代,原变电站内连接一次设备及装置的空间进一步释放。数字化操控为实现高速的无缝通信连接,普遍采用IEC61850的通信协议,该协议将有利于实现全站装置间的联闭锁逻辑,系统具有安全性高、效率快等优势,最高传输速度可达100Mbps。

5结语

综上所述,本文通过对现代化煤矿变电站自动化控制系统重要性的介绍,根据麦捷矿的实际条件,成功对变电站系统的设备进行了配套升级。随着自动化变电站技术的不断发展与改进,其在我国煤矿企业的应用前景将十分广泛。

作者:曹立悦 单位:山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司