井下变电所无人化智能供电系统研究

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿 山西 030052）

引言

随着煤炭企业市场竞争愈发激烈，降低原煤成本、实现降本增效已成为决定煤炭企业是否能够长远发展的关键，目前自动化技术在井下的应用已经成为煤矿实现科技减人，降低原煤成本，达到降本提效目标的重要手段。井下变电所是煤矿井下供电系统的主要构成部分，具有大功率载荷多、分布广泛等特点，设备运行环境也比较恶劣，存在多种影响变电所稳定运行的因素。目前，煤矿正在进行现代化变革，井下智能化、信息化发展对井下设备有了更高的要求，井下有越来越多更大功率的设备投入以及先进控制技术的应用，井下变电所逐步向无人化值守发展，由此对矿井井下的供电系统有了更高的要求。井下传统的供电系统存在经常大面积停电的问题，严重影响了煤矿正常生产，通过改造井下变电所设备及入井电缆，建成井下变电所无人值守智能供电系统，形成数字化、信息化、智能化的远程控制系统，通过早发现、早诊断、早处理供电系统故障，从而进一步提升矿井安全生产保障能力，同时使矿井科技减人工作落到实处，实现矿井“机械化换人，自动化减人”目标，提高企业经营效益。

1.供电系统概况

某矿地面建有4座35kV变电站，其中安家沟变电站、风峪沟变电站、北石崖变电站担负着井下用电。井下建有中四区变电所、中六区变电所、南五区变电所、南六区变电所、中部扩区变电所、1021变电所、北大巷中央变电所，供井下全部用电负荷。

2.供电系统现状

由于井下供电系统存在线路多、线路短、拓扑结构复杂、多级变电所级联等情况，且同一电压等级从地面到井下有较多级，两级之间线路短使传统的三段式电流保护无法起到保护作用，井下经常发生电网短路越级跳闸问题，此外漏电保护无选择性，容易造成井下大面积停电。隔爆高压开关不具备失压延时功能，在供电系统出现短暂性失压的情况下会造成隔爆高压开关因失压群跳导致大面积停电。供电系统存在：短路越级、漏电误动拒动、失压群跳等问题导致大面积停电，影响煤矿正常生产时间，给安全生产带来一定的影响。

3.原因分析

（1）井下供电系统未实行自动化控制改造，对整个井下供电系统的管理、监控、操作不协调，容易因小故障导致停电事故，并且井下存在线路短、分级多的特点，电力作业对保护的延时要求较高，导致保护整定不能准确的切除故障，线路越级跳闸的情况经常发生。排查故障时间长，人为影响因素较大，工作效率低，降低了井下供电系统的可靠性；

（2）无法实现精确的接地选线。虽然矿井根据实际情况在变电所内配置有接地选线的设备，但是存在选线并不准确的情况，无法定位到准确的接地区段，严重影响了整条线路的供电；其次，现代化矿井对机械化、智能化的程度要求极高，井下用电负荷也越来越大，使得单相接地时接地电流较大，为了控制接地电流过大，通常在地面变电站增加消弧线圈补偿设备以控制电流，电流变小后导致无法使用传统的选线设备；

（3）煤矿井下供电系统各项标准由煤矿生产部门统一制定标准，无法应用地面变电所的研究成果，导致井下供电系统落后于地面，加之井下环境复杂，设备运行故障率较高，安全供电性差。此外矿井供电标准较为滞后，导致各个设备厂家通讯保护无法兼容，由此造成煤矿井下保护设备寿命短，通用性差；

（4）在数字化矿山建设的过程中，在每个变电站设置了通讯分站，由通讯分站将站内信息采集并上传至地面调度中心，从而实现地面“三遥”功能。该解决方案虽然在一定程度上减少了井下停电故障率，但由于各变电所分站综保设备采用了各式各样的通讯接口，性能差别较大，导致各系统之间通讯效率比较低、效果依然不是很理想；

（5）供电系统的自动化多应用于生产调度平台，由于专业化要求高，使得一般的生产调度平台仅仅使用遥测、遥信等监测功能，而地面遥控功能及定值管理、故障分析、设备维护、电量分析等无法发挥实际功能，甚至在建设规划阶段就被忽略；

（6）对于影响煤矿运行的越级跳闸问题，部分煤矿采用优化一次系统架构的方式来削弱越级跳闸对矿井供电的影响，但此方案的投入很大，也不具备该方案实施的基本条件；在二次控制系统领域中有节点闭锁、通讯闭锁、电流速断延时等多种方案，但都无法发挥真正的作用；

（7）井下传统的6/10kV供电系统任然存在选择性漏电的问题，该问题没有得到解决。

4.改造方案

采用KJ698煤矿无人值守智能供电监控系统，敷设光缆组建独立环网作为系统通讯的主要通道。在地面建设电力系统监控中心，对井下所有变电所实行全天无间断监控。将变电所低压设备接入通讯线路，对高压配电装置进行升级改造，安装断路器隔离本体小车自动推进退出装置，在高压配电装置内部配置摄像模块，将视频信号穿腔引出，并加设视频传输系统，将变电所所有配电装置的内部视频信号传输到地面电力监控中心，做到操作可视化。同时，电动隔离系统的控制部分与每台配电装置的保护进行集成，保护与监控分站进行通讯，监控分站通过光缆将讯息传送至地面电力监控中心，地面电力监控中心能实时反映配电装置断路器及隔离的分合状态，通过远程操控与控制，真正实现井下变电所无人值守。

5.实现目标

(1)无人值守

改造后通过远程监控技术的应用实现远程诊断井下变电所高低压设备故障，可以及时发现故障苗头，及早处理隐患问题，最终形成井下供电系统地面可视、可查、可操作的智能化监控操作系统，实现井下变电所无人值守和地面远程监控，确保井下供电系统稳定运行。

(2)智能化

无人化智能供电系统通过矿千兆环网将矿所有变电所供电网络形成一个整体，通过智能拓扑分析和自动着色、操作的互联闭锁、设备自检测、定值的合理性校验、参数的自动化配置、智能综合预警等高级智能化功能，监测供电系统状态，自动协调工作，及时处理系统产生的各种问题。

(3)可视化

无人化智能供电系统提高了对矿井所有供电设备和系统的监测，形成监测网络，扩大了监视范围，实现设备和系统运行实时监控监测和可视化，同时通过网络系统和地面服务器实现远程诊断和操作，是实现井下变电所无人值守的前提和技术保证。可视化主要表现在：①系统运行情况的可视化。在已有的监测电压、电流、功率以及开关位置上增加电动小车遥控、电力系统的谐波、电能质量、电度计量、负荷冲击记录、变电所温度、变电所感烟状态传感器等，实时监测系统异常情况，当系统运行出现异常时可及时掌握系统情况；②一次设备运行状态的可视化。主要包括分合闸动作时间、累积分断容量等，建立运行异常预警机制；③二次设备与网络设备状态的可视化。包括系统保护装置的自检状况、网络的负荷率和通讯状态以及交换机的运行情况等；④系统故障可视化。系统发生故障时，可将发生故障的时间、类型、故障值、录波波形等实时记录，检修人员可以调取完整的数据和记录，便于检修人员有针对性的及时解除故障；⑤强化设备的远程操作。在地面的电力系统监控室即能实现远程遥控井下开关、保护功能投退、调阅和修改定值、调整参数配置等功能。

(4)防越级跳闸

系统采用“先定位后跳闸”策略实现短路故障的防越级和系统操作防越级，避免无故跳闸、越级跳闸的严重事故发生。通讯异常时，系统具有自动拓扑识别功能，能通过系统自身判断供电运行方式，自动识别各间隔的保护关联关系，自动构建有效网络内的防越级系统，确保防越级功能的有效性。

(5)精确定位

采用智能监控系统可对供电故障点进行精准定位，彻底解决接地、漏电选线不准，造成停送电时间过长，影响安全生产的问题。

(6)失压延时保护

智能供电系统通过开关失压延时保护，可以避免因电网波动导致矿井变电站失电的现状，降低了井下大面积停电事故的概率，KJ698无人化智能系统使用后，矿井的大面积停电事故减少约85%。

6.总结

目前，井下变电所无人值守改造已进入试运行阶段。该系统的应用，实现了地面对井下变电所“遥测、遥信、遥控、遥调”的功能。通过通讯信号传输，地面电力系统监控室值班人员即可实时监测并全面掌握井下供电系统状态和运行情况，发生故障后也可迅速找出原因并排除故障，实现井下供电系统故障地面可视化和远程操作解决故障问题。该系统目前运行效果良好，提高了发现和排除故障的效率，减少了大面积停电对生产产生的影响，大大提升了井下供电系统的安全保障能力。无人化智能供电系统实现了井下变电所无人值守，减少了井下作业人员，达到了减人增效的目标，符合现代化煤矿发展趋势，具有较高的应用价值和经济社会效益。