曹家滩煤矿智能供电综合管控系统的设计与应用

张铝镓

(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西省榆林市，719001)

煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的核心技术支撑和必由之路[1]。曹家滩煤矿位于国家大型煤炭基地陕北榆神矿区一期规划区，生产规模1 500万t/a，服务年限72 a。该煤矿现有110 kV变电站1座，地面配电室/变电所10座，井下变电所3座，箱式变电站8座。

曹家滩煤矿对地面所有变/配电室以及井下变电所在原有基础上进行了升级和综合管控，通过“互联网+电力调控”，本着新思路、新技术、新装备理念，对曹家滩煤矿智能供电综合管控系统进行设计与应用。

1 智能供电综合管控系统设计原则

(1)因地制宜，多措并举。结合曹家滩煤矿供电系统的实际情况，充分利用现有智能电网调度控制系统、变电站自动化系统等技术资源，采用新建和改造相结合的方式，实现“调控一体化”。

(2)强化基础，注重实用。加强基础自动化建设和管理，变电站应具备综合自动化、支持远程浏览功能，调度主站具备通过远方终端、图形网关等方式远程查看变电站综合自动化系统运行数据的能力；调度主站应具备集中监视与控制功能，并支持其他调度机构、技术支持中心、检修公司等通过远程浏览方式巡视变电站工况；同时能够存储和管理远程采集到的电量数据，并根据电网模型进行分析和汇总。

(3)数据优化，告警直传。充分利用变电站设备模型数据的完整性和冗余性，就地对实时数据、告警信息、设备状态进行优化处理，并将处理结果传送至调控中心；能够将调度指挥和电网分析所需、三相合相以及经优化精简的遥测和遥信数据传送给主站，并将设备监控所需的三相分相告警信息实时传送至主站系统；能够同时满足电网调度和设备监控的需求，实现实时数据、实时画面、实时功能的“源端维护、全网共享”，减少全系统的总体维护工作量。

(4)远程浏览，调控安全。变电站监控信息，特别是变电站设备分相告警信息，经分类优化后直接接入调度控制系统，统一整合后提供给调度监控值班人员。当出现设备告警后，调度监控人员可通过远程图形终端直接浏览变电站内完整的图形和实时数据。所有远方控制指令都应采取身份认证等安全措施，变电站监控系统应能够安全接收并正确执行调度控制指令。

(5)高度集成，安全可靠。电能量计量系统需通过基础平台获取统一的电网模型参数，能够与实时监控模块进行信息交互获取测量的遥信数据，处理旁路替代与故障告警分析，准确、及时地反映出电网中上下网关口的电能量活动情况。能够为电力市场、营销管理等系统提供可靠的数据支撑，保证结算、考核、线损管理、平衡分析、盈亏分析等业务的开展。

2 智能供电综合管控系统整体架构设计

智能供电综合管控系统是将曹家滩煤矿地面所有变/配电室、箱式变压器以及井下变电所的电力信息集成至全矿统一的电力监控系统，搭建一体完整的防越级跳闸系统，增加地面变/配电所及变电站监测监控系统、能源管理系统、门禁管理系统，安装继电保护云平台，以此实现全矿井的智能供电一体化监控。

智能供电综合管控系统采用分层分布式光纤环网结构，此结构分为过程层、间隔层、调控层。变电所高低压开关设备、配电站变压器、矿用隔爆型移动变电站及其控制器为过程层。变电所各间隔的微机综合保护装置为间隔层，变电所的交换机及井下隔爆防越级信息交互交换机彼此相连组成光纤通信网，通信管理机及矿用隔爆电力监控分站通过光纤网将各变电所的四遥(遥测、遥信、遥控、遥调)信息传至本地监控系统，并统一接入矿调控系统。过程层和间隔层构成站端层，现场总线、控制信号线构成了过程层与间隔层的网络，以太网、光纤网、交换机构成了间隔层与调控层的网络。通信管理机、矿用隔爆兼本安型电力监控分站、变电站电力监控系统为子站层，调度中心智能综合管控系统为主站层，子站层和主站层构成调控层。矿山智能供电综合管控系统架构如图1所示。

图1 智能供电综合管控系统架构

3 智能供电综合管控系统功能设计

3.1 智能防越级跳闸功能设计

曹家滩煤矿智能防越级跳闸功能采用分布式区域保护原理[2-3]，即为各级保护建立信号联系，当任何一级保护在检测到短路故障时，迅速发出闭锁信号，闭锁其上一级保护，以将故障锁定在最小跳闸范围内[4-5]。

当断路器失灵时，上级保护可快速动作，母线故障可实现快速跳闸。区域保护适用于分支较多的配电网，解决保护电流定值无法满足选择性、电流保护时限级差无法配合等问题。分布式区域保护原理如图2所示。

3.2 变电站监测监控功能设计

在各个变/配电所及变电站增加监测监控功能，实现可视化监测监控，变电站监测监控功能由能源管理模块、智能巡检机器人以及后台软件等部分组成。

3.2.1 能源管理模块

地面及井下变/配电所增加电度表等相关设备，搭建能源管理模块。该模块具有电量统计功能，高压保护器计量精度不低于0.5 s级，实现电量远程自动抄录和尖、峰、平、谷分时计量以及最大需量的抄录[6-7]，可提供各单位、各设备任一时间段的用电情况，并自动生成班报、日报、月报、年报等多种形式报表。能源管理模块界面如图3所示。

图3 能源管理模块界面

3.2.2 智能巡检机器人

智能巡检机器人的巡检方式可以依靠巡检点和指定路线进行[8-9]。当设备发生报警后，监测监控摄像头本体可直接到达对应的指定设备，摄像可360°自由旋转，对监测设备进行自动对焦，仪表读数和指示灯状态可清晰显示。搭配拾音器进行声音采集，通过配置对讲机可实现语音交互，主控室的人员可通过语音指示智能巡检机器人附近人员工作，且系统具备强大的扩展功能，可接入相关智能管控系统和泛在物联网[10]，在完成相关网络安全建设后，支持远方Web访问，远方专家可直接同步现场音视频及数据，与现场联合开展故障分析诊断，实现智力资源共享。地面变电所智能巡检机器人工作场景如图4所示，井下变电所智能巡检机器人工作场景如图5所示。

图4 地面变电所智能巡检机器人工作场景

图5 井下变电所智能巡检机器人工作场景

3.2.3 后台软件

后台软件功能包括集控特色功能和国网标准化后台功能2个部分，并分别在集控Web服务端和标准化Web服务端实现。集控Web服务端和标准化Web服务端均与后台软件交互(ICE接口)且均使用1套数据库(此数据库与站内数据库保持一致)。集控Web服务端使用默认操作系统展示集控多站的概览状况及统计信息。同时，可通过选择单个变电站进入标准化Web服务端展现国网标准化后台界面，以完成标准化后台功能交互。本监测监控系统通过利用此后台软件以及采用B/S架构，实现了对摄像头监控、巡检任务规划执行以及巡检数据和站内监控数据实时上传等有效管理。后台软件界面如图6所示。

图6 后台软件界面

3.3 供电系统故障诊断及预警功能设计

针对供电系统故障诊断及智能预警问题，采用特殊数据采集和数据分析技术，建设矿井电力系统故障诊断及预警系统。

智能供电管控平台提供故障的各方面分析依据及预警菜单，具有供电系统故障诊断和预警功能[11-15]。故障诊断流程如图7所示，智能预警流程如图8所示。

图7 故障诊断流程

3.4 继电保护云平台

继电保护云平台具有智能绘图、选型及计算功能，一是能够通过“绘图工具箱”的图块自动生成供电系统图；二是能使用“选型”模块对设备、电缆、变压器、高低压开关进行自动设置及计算；三是能在供电系统图上自动计算及标注电缆编号、型号、开关编号、型号、整定值、末端二相短路电流及灵敏系数，以表格的形式自动生成各台开关的编号、型号、整定值和末端二相短路电流和灵敏系数，以及各条电缆编号、型号、所带负荷、长时载流量及电压损失百分数等。继电保护平台界面如图9所示。

图9 继电保护平台界面

4 应用效果

2022年4月，智能供电综合管控系统开始试运行，现以运行的8个变电站为例，分别从人员和成本等方面进行年效益分析。

在传统运维模式下，每个变电站为单独值班，每天3班，每班2人，则每个变电站需要6人，8个变电站共需要48人，此外还需配15人进行机电抢修，总人数为63人。其中，人均工资按照8 000元/月计算，抢修费用按照80万元/a计算，则运维成本为685万元/a。

在智能供电综合管控运维模式下，可将8个变电站分为2个区，由调度统一调控，每区3班，每班2人，则2个区需要12人，此外还需配1人进行运维调控，6人进行机电抢修，总人数为19人。其中，人均工资按照9 000元/月计算，抢修费用按照50万元/a计算，则运维成本为255万元/a。

对比2种运维模式，发现调控运维模式可减少人员44人，年节省人力达70%；节约成本430万元，年节省成本62.7%。由此可见，智能供电综合管控可以大大提高服务效率、降低运维成本。同时，该系统可对存在安全隐患的设备提前预警和处理，具有多角度、多平台监控和管理的智能运维模式，大大提高了供电的安全可靠性。此外，该系统实现的智慧能源数字化、精细化管理可配合制定中长期能源发展规划，进行企业大数据挖掘，实现信息共享、资源共享，并与智慧城市建设接轨，建设节约型社会。

5 结语

智能供电综合管控系统的搭建与应用，减少了技术人员现场运维成本和电力场所运维人数，实现了矿井所有变电所的无人值守目标，提高了电力系统整体的稳定性，减少了大面积越级跳闸造成的停电次数。该系统提供了可靠的故障分析依据，减少了判断故障发生时所需的时间，保障了电力系统稳定运行和电力相关涉及的技术人员安全。同时，该系统集中了电力调度能力，设备远程操作直接降低了现场操作的危险，并且各独立单元都具有闭锁功能，减少了人员主观误操作的可能性，增加了对能源消耗方面的数据分析手段。