矿区变电站运行监测技术的研究与应用

李剑峰

兖矿集团设计研究院 山东兖州 273500

电力管理自动化是电力系统发展的一个重要组成部分。煤矿企业变电站安全运行不仅关系到煤矿的安全生产,而且关系到煤矿工人的生命安全。过去,人们面对变电所的突发事故缺少有效的检测和管理手段,对事故原因进行分析缺乏科学性和实时性,不能及时解决变电所运行中存在的隐患。近几年,兖州矿业(集团)公司针对矿井地面变电站、井下中央变电所、采区变电所在运行监测实践中发现的一些问题进行认真分析和归纳,总结运行经验教训,从多个方面提出技术改造措施和方案,有效保障了地面和井下供电系统的安全、优质运行。

1 矿区分布式变电站微机监测管理系统

变电站微机监测管理系统能够取代人工抄表、制表、统计、分析等工作,可以实时监测记录电气参数、电气故障和各种保护报警信号,自动分析负荷状况与事故状况。山东科技大学和兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿针对煤炭行业变电所的运行情况,研究出一种矿区分布式变电站微机监测管理系统,提高了变电站运行和管理的现代化水平,对电网安全运行有重要意义。

1.1 总体设计

(1) 分布式控制系统。这是基于计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术,通过通信网络将分布在工业现场的控制站、检测站、控制管理站、工程师站联系起来,共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。分布式微机网络是基于微机技术与通信技术相互渗透而迅速发展起来的一门新技术,集中了当代计算机硬件、软件和通信技术的发展成果,具有良好的可塑性。由于硬件结构简单、操作使用方便、易于扩展和维修,用户可以根据不同的需求来选择系统。

(2) 监测管理系统。济宁二号煤矿110 kV变电所系统庞大,采用双回路电源,两条110 kV线路接煤Ⅰ线和煤Ⅱ线,分别引自接庄220 kV变电所110 kV的两段母线,两条线路的总长度为6.5 km。变电所室外的110 kV线路采用双母线联络和专用旁路母线,有两路110 kV出线接济宁三号煤矿,三台12 500 kVA主变压器承担全矿的负荷。110 kV线路设有线路保护、平行线路保护、距离保护、母线差动保护等继电保护,主变压器设有过负荷保护、复合电压电流保护、轻重瓦斯保护、纵差保护、零序方向保护等继电保护。6 kV馈出线均采用两段式保护。6 kV室设有43台高压柜,其中有6台进线柜、4台联络柜、1台避雷器柜、32台馈出线柜,母线采用小双母线分段。这种分布式变电站微机监测管理系统具有以下功能:① 检测110 kV双回路进线与济宁三号煤矿两路出线的电流、电压、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量,以及峰、平、谷时段的电量;② 检测每台主变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、功率因数,以及峰、平、谷时段的电量;③ 检测6 kV室各个分盘的电流、电压、电量;④ 记录模拟量越限报警及事件顺序;⑤ 指示开关分合、指示事故跳闸性质、显示模拟图等。

1.2 主控站

变电站微机监测管理系统主控站是连接现场网络与管理网络的桥梁,也是整个监测系统的控制核心,其作用体现在以下四个方面:① 面向现场层解释来自管理计算机的指令;② 对现场传来的数据进行预处理和后备存储、转发;③ 监视和诊断现场网络硬件的运行;④ 电源系统为现场分站提供后备电源支持。

1.3 遥测分站

变电站微机监测管理系统遥测分站设计为分布式安装,遥测模块用于电压、电流互感器、模拟量和部分开关量的检测,计算输出三相电压和电流的有效值、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、功率因数、温度。开关量包括各种报警信号、刀闸位置、断路器位置,能在1 ms内快速捕捉28路开关量信号。模块具有液晶显示、键盘指令输入、参数设置、系统诊断、数据通信等功能。

1.4 系统软件

遥测遥信分站软件编程采用PLM程序开发语言,程序具有功能模块化。

在管理系统软件中,通信软件包括初始化模块、现场通信模块、变电所及供电队通信模块。后台管理软件支持开发抢先式多线程操作,严格遵循软件工程标准,应用面向对象的编程技术,基于组件设计,窗口操作,具有良好的人机界面,便于使用和维护[1-3]。

2 煤矿井下中央变电所微机监测系统

随着计算机技术的飞速发展,地方变电所采用微机进行集中监测管理越来越普遍,但是由于受到井下环境的制约,煤矿井下变电所微机监测系统的应用尚处在起步阶段。鉴于煤矿井下变电所在煤炭生产中的重要地位,兖州矿业(集团)公司东滩煤矿克服煤矿井下特殊环境的制约,研制出煤矿井下中央变电所微机监测系统,较好地解决了煤矿井下中央变电所长期存在的问题,使突发性事故的处理时间大为缩短,提高了矿井供电的安全性和可靠性。应用实践表明,此项成果设计合理、运行可靠,具有良好的推广应用前景。

2.1 东滩煤矿井下变电所存在的问题

东滩煤矿是设计年产4 Mt的特大型矿井,供电电源来自罗厂200 kV区域变电所,经过矿井35 kV变电所降压至6 kV中转分八路下井,进入井下中央变电所。井下中央变电所是井下供电的枢纽,担负着全矿井下采煤、掘进、机械、运输、通风等系统的供电任务,但是与之配套的井下中央变电所信号、保护装置并不完善。

(1) 继电保护无信号显示。井下中央变电所近50台高压开关柜设有过流和速断保护,但是没有信号显示功能,后级故障出现开关跳闸时,运行人员分不清是何种保护动作,给判断事故性质、寻找故障点、缩短采区供电中断时间、防止人为盲目送电扩大事故、缩短故障处理时间等造成很大困难。

(2) 高压开关柜无运行状态显示,井下中央变电所的高压开关柜开关分合状态仅凭面板指示灯和刀闸手把位置来判定。井下中央变电所峒室长近50 m,现场光线不足,值班人员从头至尾巡视一遍既费时又不方便。一台开关跳闸时,值班人员需要逐台巡查才能判断是哪台开关动作,有时甚至出现将跳闸开关与备用开关搞混的情况,人为增加井下供电的不安全隐患。

(3) 井下中央变电所运行信息无法及时传达至工区和矿调度室。井下中央变电所长期以来仅靠一部生产电话同上下级联系,一旦井下停电,往往出现电话占线,上下级变电所及各级用电单位信息不通,延误送电和事故处理时间,给供电调度快速组织抢修和事故处理造成很大困难。

2.2 微机监测系统结构

东滩煤矿井下中央变电所微机监测系统主要由开关量输入装置、工业控制计算机和光纤通信网络组成,以工业控制计算机为核心,实时监测井下中央变电所各个高压开关柜的工作状态,并且在计算机屏幕上进行动态显示,利用光纤通信网络将信息传送至矿中心调度室和供电工区调度室,以便随时掌握中央变电所的工作状态。现场开关量在进入微机监测系统前实行光电隔离,以提高系统的抗干扰能力。

这一系统可以对所有高压柜的各个开关与隔离开关的过流、速断保护状态进行集中监测管理,显示主控线图,定义时间,存贮,打印。在突发事故发生时,可以立即显示故障的开关回路和故障类型,并且记录事故发生的性质与时间,使判定故障类型、处理故障的时间大为缩短。运行时,能够将全部信息通过光缆实时传送至供电工区调度室和矿中心调度室,对调度人员正确迅速调度指挥处理故障、快速送电、倒换系统运行方式、确保采区供电起到重要作用。

2.3 微机监测系统主要功能

(1) 监测功能。分别监测真空开关和隔离开关的分合状态,实时监测继电保护的动作性质。

(2) 显示功能。显示系统的主接线图,并且以红绿信号显示开关、刀闸的过流及速断状态。在速断或过流保护动作时,显示事故性质,并且记录事故发生的时间,以便事后分析。

(3) 联网功能。通过光纤通信纳入矿安全调度多媒体网络,不但能够在井下中央变电所直接监测,而且可以在矿中心调度室和供电工区调度室的微机上同步接收来自井下中央变电所的监测信号,显示井下中央变电所所发生的事情[4-6]。

3 基于嵌入式技术的煤矿井下变电所计量监测管理系统

兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿供电系统包含一个地面110 kV变电站、一个井下中央变电所、五个采区变电所和多个临时配电点。整个供电系统的电量计量手段不够健全,煤矿电量统计和分析管理全部依靠人工输入与计算,手段滞后烦琐,难以实现用电的精细化管理。为了实现对煤矿井下各种变电所电量参数的远程实时监测,以及全矿主要设备和生产用电量数据的远程集中抄表与自动统计,便于管理人员及时掌握煤矿的用电消耗情况,济宁二号煤矿和山东科技大学合作,针对煤矿井下供电系统电量计量统计手段落后的问题,研发了煤矿井下变电所计量监测管理系统。这一系统采用工业以太网和现场总线相结合的网络结构,由地面计量监测主站、井下变电所计量监测分站和计量监测终端组成,利用主站多机备用、工业以太环形网、嵌入式触摸屏工控机和嵌入式组态软件等技术来提高可靠性和易用性。

3.1 系统功能

(1) 能够准确采集变电所各条供电线路的实时三相电压、三相电流、分相有功功率、无功功率、功率因数和总用电量等参数。供电参数集中显示、存储和查询,各供电线路工作参数实现变电所本地和地面监视中心集中监视。

(2) 具有越限报警功能,当监测的运行参数超过设定限值时,提供变电所本地和远方集中监视的报警功能。

(3) 根据本地用电计量计费统计要求,设置相应的用电峰、谷、平时段,并进行相关时段用电量的存储、统计。根据企业生产需要设计统计策略,提供不同要求的用电量统计报表和分析,根据能耗分析,调整月、季和年度能耗计划,制订煤矿能耗平衡表。

(4) 具有完善的软硬件扩展能力,当井下变电所容量或变电所开关线路调整后,通过调整相关的通信接口和软件功能模块,可以实现监视系统容量的调整。

(5) 当供电线路的微机综保设备具有通信功能后,系统通过丰富的通信扩展接口,将微机综保设备接入系统,通过调整软件功能模块,实现线路的“四遥”功能,使系统向供电自动监控系统转变。

3.2 网络结构

(1) 地面计量监测管理主站。由两台工业控制计算机、以太网交换机、打印机、不间断电源和计量监测管理软件组成,设置在矿供电管理部门。工业控制计算机通过以太网交换机接入矿井安全工业以太环网,接收各个井下变电所计量监测分站发送来的监测数据,并进行显示、存储和统计管理。

(2) 工业以太环网。这是系统地面计量监测管理主站和各个变电所计量监测分站通信的纽带。

(3) 各个井下变电所计量监测分站。设置各个变电所开关设备的工作状态和用电量数据的集中采集、显示和通信服务器,通过现场通信总线与变电所各个高压开关、低压馈电开关中的智能电量计量监测终端通信,读取各开关相关电量参数进行综合处理,在现场集中显示,并通过工业以太环网远传至地面计量监测管理中心,同时能够接收地面计量监测管理中心发出的参数调整指令。

(4) 各条供电线路的计量监测终端安装在各条供电线路中,通过电压互感器和电流互感器接入供电线路,采集各条线路的三相电压、电流信号,经过高精度运算处理,得到线路的有功功率、无功功率、功率因数、频率和用电量数据,并通过RS 485总线与计量监测分站通信,可以根据峰、谷、平及尖峰时段的设置,统计并记录各个时段的用电数据。为满足功能要求,在系统中采用了智能多功能电能表。

3.3 主站设计

系统主站的主要任务是通过工业以太环网与井下变电所计量监测分站通信,进行数据交换和处理、存储,并且通过监视画面和数据报表对供电系统的运行参数进行集中监测和用电计量管理。主站由两台工业控制计算机、不间断电源、打印机和网络交换机等组成。主站操作系统选用Windows,数据库管理系统选用SQL Server,计量监测管理软件选用通用工控组态软件。主站计量监测管理软件设计包括人机接口界面、数据处理与用电量管理,以及数据通信三个方面。系统监控软件在电量计量管理方面功能强大,可以根据要求设置供电计量的峰、谷、平及尖峰时间段,并且可以通过网络自动将时段设置发送至各个变电所监测分站和各条供电线路的智能电量监测终端。根据煤矿供电计量统计管理的要求,可以提供不同供电线路、生产单位和大型用电设备的分时段用电量统计报表。针对各种不同工作制式的生产设备,统计其运行规律,并基于峰、谷、平时段的设置,提出合理的运行时间规划,降低用电成本。根据对矿井及各生产单位的能耗进行分析,调整月、季和年度能耗计划,制订煤矿能耗平衡表。

3.4 计量监测分站设计

计量监测分站是这一系统的骨干运行节点,一方面循环采集各条供电线路智能电量计量监测终端的实时数据,经过处理就地显示和存储,并按照电力系统远动传输规约要求将数据打包转换为基于传输控制协议与网际协议的网络传输格式,通过工业以太环网传递给主站;另一方面可以接收主站发出的遥调指令,对各个计量监测终端进行参数设置。系统选用MCGS公司TPC1162Hi高性能一体化嵌入式触摸屏工控机,这一工控机是采用Cortex-A8嵌入式低功耗中央处理器,主频高达600 MHz的高性能嵌入式触摸屏工业计算机[10],具体特点如下:① 具有高亮度液晶显示屏、四线电阻式触摸屏,寿命长;② 内置256 MB DDR内存、2 GB SD卡存储器;③ 外部接口丰富,包括两个RS 232、一个RS 232/485、一个RS 485、一个RJ 45网络接口和一个USB 2.0接口,可以扩展控制器局域网总线通信接口,具有强大的通信扩展能力;④ 工作环境条件和抗干扰性达到工业Ⅲ级标准,性能稳定;⑤ 内置嵌入版MCGS通用工控组态软件,支持U盘备份恢复。

嵌入版MCGS通用工控组态软件基于嵌入式实时多任务操作系统,系统容量小、速度快、稳定性高、通信方便,内置串行通信、以太网通信和网络浏览与远程诊断功能,可以方便实现各种设备的数据交换、远程采集,提供各种常用硬件设备的驱动程序,便于构建完整的嵌入式设备。

计量监测分站由一体化嵌入式触摸屏工控机、辅助电源、RS 485通信总线和安装于各开关线路的电量计量监测终端组成。通过RS 485总线接口连接各开关线路的智能电量计量监测终端,通过RJ 45接口连接矿井工业以太环网,嵌入版MCGS监控组态软件采集各条开关线路的实时电量数据,通过触摸屏现场显示、存储,同时通过工业以太环网以电力系统远动传输规约传递给主站,接收主站发出的遥调指令,对各个计量监测终端进行参数设置。

基于嵌入式工业计算机、嵌入式组态软件和工业以太网的煤矿井下变电所供电计量监测管理系统,着眼于供电系统的集中计量监测和动态管理,网络结构简单,系统运行稳定可靠,显著提高了煤矿供电系统的运行监测和计量管理水平,降低了系统维护工作量,为煤矿用电管理和成本考核提供了有效的工具和手段。供电计量监测管理系统投入实际运行后,取得了满意的效果[7-9]。

4 煤矿供电安全监测与管理系统

兖州矿业(集团)公司鲍店煤矿是年产4 Mt原煤的特大型现代化矿井,但是其供电系统的运行状态仍停留在依靠报表逐级汇报方式。随着计算机技术和电子工业的迅猛发展,以微处理器为核心的微机控制系统已经逐渐深入煤矿电力领域。供电系统管理的计算机化不仅可以提高供电系统的质量及运行效率,而且可以规范供电管理,提高劳动效率。为此,鲍店煤矿应用AutoCAD和网络技术对分散的矿井供电系统进行改造,实现对井下采区变电所电网状态及绝缘进行监测。鲍店煤矿在地面建立了机电管理网,将地面35 kV微机监测纳入矿级Windows网络,实现全矿井上下变电所的微机监测和管理,并对井下在线监测进行研究试验。

4.1 系统组成

鲍店煤矿供电安全监测与管理系统是集矿井供电系统、计算机辅助设计(CAD)、供电设备管理及供电系统运行参数监测、供电系统运行电量监测为一体的供电监测与管理系统,包括地面35 kV变电所供电监测子系统、供电系统CAD及供配电设备管理子系统、井下低压电网安全监测子系统三个组成部分,由微机智能多功能串卡、调制解调器通过电话线组网。

(1) 地面35 kV变电所供电监测子系统。主要由电流、电压、有功功率、无功功率传感器,以及各种信号采集板、工控计算机与电力监测软件组成。

(2) 供电系统CAD及供配电设备管理子系统。鲍店煤矿机电科建立高压设备材料库,包括名称、型号、技术参数、原理图、外形照片、接线方式、库存数量、在修数量、优先使用等级。鲍店煤矿电管与电缆组建立低压设备材料库,包括名称、型号、技术参数、原理图、外形照片、接线方式、库存数量、在修数量、优先使用等级。兖州矿业(集团)公司机电处建立供电系统结构运行方式库,包括接线方式名称、结构图、故障预想和相应对策,以及各种运行分析信息数据接口。微机通过RS 232进行远程串行通信,速率为1 200 bite/s～14.4 kbite/s。利用原有调制解调器自带的查错和数据压缩功能,文件传输采用XModem协议,进行循环冗余校验,充分利用Windows多任务和事件驱动的特点,使单机能够同时多串口通信。通信程序在后台运行,同时支持音频和脉冲拨号方式。

(3) 井下低压电网安全监测子系统。这是一个两级分布式微机监测系统,主要由井下低压电网监测分站、地面微机主站和通信网组成。通过地面微机主站与矿机电网连接,设有通信扩展接口。分站设在井下中央变电所,由带检漏继电器的转接盒、本安电源、本安分站三个部分组成。从开关及带检漏继电器的转接盒内采集电气参数、绝缘数据,进行处理后通过RS 232通信口,经过光端机、光缆传送至地面微机主站。地面微机主站通过RS 232通信口、光端机与井下分站联络,收集由分站传来的信息,并且进行处理。

鉴于电网故障70%以上系漏电故障,进行电网分支绝缘在线监测是为了预知电网各个支路的绝缘状况。系统采用附加低频电源法进行在线监测,利用维恩电桥正弦波振荡器产生12.5 Hz低频信号,经过功率放大以后再由1∶5隔离变压器输出。输出的低频信号经过三相电抗器入网,由电网对地绝缘阻抗入地,与隔直电容器和限流电阻构成回路。各个分支电网的低频信号由弱信号、高灵敏度互感器取得,经过电流电压信号转换后,通过带通滤波器滤除工频干扰及直流部分。在系统软件部分增加数字滤波环节,进一步滤除电网的工频信号干扰。考虑到采样的精确性和各个分支的一致性,并且为防止信号越出模数转换器的转换范围,在各个分支电网直接接地的情况下,由运算放大器将低频信号最大值统一调整为某个值。为了简化硬件电路设计,直接对交流信号进行采样,选择适当的交流算法求出信号的幅值。针对弱信号、高灵敏度互感器的非线性特征,进行了非线性校正,以求出信号的实际幅值和相位值。

4.2 系统功能

(1) 地面35 kV变电所供电监测子系统。负责现场信号的采集、显示、存储、打印,并通过计算机网络将实时监测的供电数据传送至计算机网络各个终端。这一子系统对35 kV变电所的32路有功、无功电量及电流进行采集、显示、计算、存储,显示32路功率因数;对每天峰、谷时间段电量和耗电量,以及每月峰、谷、平时间段电量和耗电量进行统计、存储、显示;对35 kV变电所Ⅰ段、Ⅱ段电压进行采集、存储、显示;对35 kV变电所线路图、设备技术参数、日报表、操作票进行制作、预览、打印;对峰、谷、平时间段进行选择,变送器比参数任意可调。

(2) 供电系统CAD及供配电设备管理子系统。综合CAD、计算机图形学、可视化技术,采用系统集成与开放数据库互联的方式,完成供电系统可视化设计,使电力系统对象和隐形关系得到显示。元件的电气属性与视觉表现形式结合在一起,使供配电CAD部分与设备管理部分具有良好的接口。

供电CAD子系统分为采区低压供电系统CAD、高压供电系统CAD两个部分。采区低压供电系统CAD的功能包括绘制供电系统图,输出、编制电气元件的连接关系,设定电气参数,自动选择供电系统中变压器、馈电开关、检漏继电器、电缆等元件,继电保护整定计算,供电系统预运行分析等。高压供电系统CAD功能包括人机对话修改供电系统图,输出参数,供电系统负荷电流、短路电流、继电保护整定计算,供电系统开关设备分断能力校验等。与低压供电系统不同,高压供电系统的各个变电所位置相对稳定,供电系统网络相对固定。

供配电设备管理子系统分为元件分类表、元件表、元件属性表、设备台账表等,是数据库管理系统下的多表数据库系统。管理人员可以通过数据库随时了解设备的运行情况。

(3) 井下低压电网安全监测子系统。负责井下低压电网绝缘安全参数及电网运行电量参数的实时监测、存储,通过地面微机实现实时显示,并且可以通过计算机网络将井下分站监测的数据传送至计算机网络的任何终端进行实时显示、打印。这一子系统主要功能如下:① 监测井下低压电网的电压;② 监测井下低压电网各个分支线路的绝缘参数、电流、有功功率、无功功率及耗电量;③ 在地面微机主站实现井下漏电、过流、欠压、过压报警;④ 地面微机主站与地面计算机网络连接,将井下监测分站的数据实时传送至计算机网络用户,并且可以显示、打印。

4.3 系统运行情况

经过运行,鲍店煤矿供电安全监测与管理系统的运行情况良好,监测数据准确、可靠。鲍店煤矿35 kV变电所完成全部电量监测,能够显示负荷曲

线、功率因数曲线,并能生成操作票和报表。供电系统CAD可视化技术的应用,进一步提高了供电设计的自动化程度,使供电管理更加规范。这一系统采用附加低频电源法测量电网的绝缘参数,成功实现对井下低压电网分支线路的绝缘参数在线监测,并且将检测量传至地面,为管理、指挥人员快速处理供电故障提供准确、可靠的依据。

实践表明,这一系统可以调整电网的峰谷值,减少供电故障,达到增产增收的目的。此项成果使供电系统的运行状态,以及设备的完好情况、储备情况、在修情况通过供电管理网络实现资源共享,有助于供电质量、运行效率的提高[10-11]。