洗选煤厂供配电管控一体化系统设计与实践

■ 中煤电气有限公司 徐华云

0 前言

随着煤炭行业选煤工艺的不断进步、洗选煤设备向大型化发展，对其供配电智能控制水平的需求也在日益提升。

以计算机控制为基础的检测技术、网络技术、数据库技术和图形界面技术应用于传统的供配电，为洗选设备供配电管控一体化系统创造了条件。

本文就洗选煤厂供配电管控一体化系统的设计与实践进行了总结，以期为促进相关的技术进步提供参考。

1 概述

所谓洗选煤厂供配电系统管控一体化系统（以下简称系统）指的是将电气、计算机、通信和自动控制技术有机整合为一体，用其对洗选煤厂内各种类型的供配电设备进行可靠的管理和控制。

系统采用开放的现场总线技术，建立起一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的、集过程控制与监视和计算机调度管理于一体，并且具备良好开放性的监控系统，以完成对整个供配电过程的监测与自动控制。它可以满足“四遥”功能，实现“现场无人值守，总站少人值班”的目标。它的主要作用是:

1）作为电网的总开关、分开关，能够远程监测供配电运行状态及控制开关设备开闭。

2）实时检测用电回路可能出现的漏电、短路、欠压、过压、断相和三相不平衡等故障。在故障发生时，能即时记录故障状态并切断电路，保护人或设备。

3）系统上位机实时显示系统的运行状态，当系统发生故障时及时显示故障位置并报警。

4）提供完整的供配电管理功能，包括事件管理、告警管理、趋势曲线图、数据存档与历史数据管理、操作员管理、报表与打印等。

2 系统相关的国内外现状

国外供配电管控一体化系统产品已经非常普遍，主要有德国西门子公司的Sivacon 配电系统、法国施耐德公司的DIGIPACT 电气设备管理系统、ABB 公司的INSUM 系统等。高低压成套开关设备的技术水平也比较高，发展较快。但低压成套开关设备的电压等级以380V为主，很少采用660V电压等级，如ABB公司的MNS低压开关设备，Schneider公司的Prisma、Biokset低压开关设备等。

在国内，供配电后台监控系统产品也较为普遍，但还达不到供配电管控一体化的技术水平。国内许多用户尤其是重要用户，高低压断路器、控制模块等主要元气件一直是采用进口产品。虽然与几十年前相比，近年来国产的成套开关设备在性能和可靠性上都有了很大进步，但仍然存在一些问题。主要体现在，产品的保护功能普遍不全面，且虽然实现了使用单片机等微控制器的控制，但由于这些控制器本身抗干扰能力差，在恶劣的环境中运行很容易造成保护功能的误动作或器件本身的损坏。

3 技术路线与设计内容

总体设计目标是使系统发挥PLC可靠性好、抗干扰性强、逻辑性强等优点，实现现场设备就地手动控制、计算机控制系统远程手动控制、计算机控制系统远程自动控制三种控制方式，建立一套先进、可靠、高效、安全、集过程控制、监视和计算机调度管理于一体并且具备良好开放性的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制，提高配电站的自动化水平，满足了“四遥”功能，实现了“现场无人值守，总站少人值班”的目标。

系统设计要达到安全可靠、反应速度快、成本低、抗干扰能力强等整体要求。具体系统设计在配电单元、控制核心和监控平台三个方面展开。

配电单元按照数字化要求设计，在完成并达到传统的功能基础上，设计数据信息传输功能，即将配电的各种元件进行数字化升级，满足数据采集的需求。

控制核心采用PLC控制器，并根据整个系统需求设计专用的模块。即电力参数采集模块和CPU数据传输模块。控制核心完成供配电设备的监控功能和保护功能。

监控平台为一软件，按照系统的要求，将数据进行处理和显示。监控软件平台要完成对整个系统的数据收集、处理、显示、监视功能，并实现对供配电系统的远程控制。

对供配电系统来说，安全性和可靠性是第一位的。采用PLC可编程序控制器和电力参数采集模块构成的数字化供配电设计方案能体现更经济，更安全，也更方便操作和管理的目标。

在整体设计上，主要设计内容有：

1）将一次电路和二次电路分开，减少强电对弱电的干扰，提高电磁兼容（EMC）性能；

2）实现多种开关之间的互锁，形成逻辑合理的电气关系；

3）使电气参数的设置更加方便快捷，可以完全可以由上位机实现；

4）将系统中的PLC通过TCP/IP网络实现与上位机通信，要实现监控及信息收集、处理查询、统计、分析、曲线打印、报表等功能；

5）实现供配电系统远程监控与管理；

6）人机界面友好，方便操作。

4 系统的组成与功能

系统由660 V电压等级中煤电气-SDK低压成套开关设备、基于LM3317和LM3108K的 PLC控制器、电力SCADA监控平台三部分组成。

660V电压等级中煤电气-SDK低压成套开关设备采用KF（KB）型材，结构强度高，防护等级最高可以达到IP54。抽出式功能单元在三个位置（连接、试验、抽出）时均可不降低防护等级。水平母线夹采用增强玻璃纤维聚脂(PBT)材料制成，母线排列紧密，降低温升的效果明显。

基于LM3317和LM3108K的 PLC控制器可进行供配电数据分析和储存，可以实现供配电系统的自动控制与保护。根据系统功能要求，PLC控制器具有保护功能CPU模块LM3108K和电力参数采集模块LM3317。LM3108K模块具有过压、欠压、过载、短路、漏电、三相不平衡保护等功能，同时具有漏电、过载和短路试验功能。LM3317电力参数采集模块具有三相交流电的电参数采集功能，电参数包括：相电压，相电流，功率因数，各相有功功率，总无功功率，总有功电能等。PLC控制器有很强通讯扩展能力，可采用PLC标准通讯模块实现网络化要求。

电力SCADA监控平台实现了数据的采集、人机界面监视、数据管理、网络通讯功能，实时监视、记录系统运行状态等功能，能通过PLC控制器对供配电中的电器元件进行远程控制，实现“四遥”功能，并提供完整的供配电管理功能，包括事件管理、告警管理、趋势曲线图、数据存档与历史数据管理、操作员管理、报表与打印等。

5 系统的主要技术指标

1）660 V电压等级中煤电气-SDK低压成套开关设备的主要技术指标

额定工作电压: Ue=660 V，额定绝缘电压: Ui=1000 V，电气间隙：≥14 mm，爬电距离：≥16 mm；

主母线（水平母线）的额定电流、额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流：3200 A、65 kA/1s、143 kA；

配电母线（垂直母线）的额定电流、额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流：1350 A、40 kA/1s、84 kA ；

主开关的分断能力：65 kA，外壳防护等级：IP40～IP54。

2）电力参数采集模块LM3317的主要技术指标

电流测量范围：0～8 A(有效值)，线性测量范围：0.1 A～6 A，采集精度：误差小于0.02 A，分辨率：不低于0.01 A(线性范围内)，电压测量范围：0～7.5 V(有效值)，线性测量范围：0～5 V(有效值)，采集精度：误差小于0.02 V(线性范围内)，分辨率：不低于0.01 V，过流保护响应时间：<20 ms，最大开关电流：2 A。

3）CPU保护模块LM3108K的主要技术指标

输入电压：24VDC，交流信号输入：9，三相电压:0～14VAC,精度2%，三相电流： 0～14VAC,精度2%，零序电压：0～40VAC,精度2%，零序电流： 0～290uA AC,精度2%，DI通道数：10，D0通道数：8，标准AI通道数：3，0～10VDC电压信号输出，精度2%，标准AO通道数：1，0～10VDC，电压信号输出，精度2%。

4）电力SCADA监控平台的主要功能

监控平台主要由驱动程序模块、数据采集模块、人机界面、数据库、网络通讯模块和报表模块组成。具有动态可视化控制、数据的采集和管理、过程监控报警、报表功能、基于网络数据的上传和相应控制的功能。系统中PLC通过TCP/IP网络实现与上位机通信。

6 系统的主要优势

系统的主要优势表现在：

1）减员增效。系统的建设实现了洗选煤厂供配电的自动化监控，减少了系统管理人员，提高了管理的效率和水平。

2）电能管理水平明显提高。系统能够记录日、周、月、年负荷，精确计算各科室各班组电力消耗（电费）与用电需量。可根据用电指标的考核实现优化负荷分配，以达到降低能耗的目的。

3）提高了设备运行的可靠性。系统可协助合理安排检修计划，降低成本；对隐患提前预警，防止事故发生，保证生产正常运行；出现故障后，保护及时动作，同时给出故障报警并记录故障性质。

4）提高了工作效率。免除日常抄表工作和报表计算；减小维护人员工作量及劳动强度；各种资料、数据、报表实现电子信息化。

5）提高了调度水平。实现各电力参数，状态信息实时显示，实现远程控制，实现远程整定各种保护参数。

6）节能效果显著。系统实现了洗选煤厂供配电系统的自动化，对各子系统实现了集中控制、管理、故障诊断、程序控制、科学调度，充分提高了设备的运行效率，避免设备的无效运转，降低电力损耗，实现了节能节电。

提高安全经济效益水平。安全经济效益是指通过安全投资实现的安全条件，在生产和生活过程中保障技术、环境及人员的能力和功能，并提高其潜能，为社会经济发展所带来的利益。安全的经济效益主要体现为间接经济效益，它更多的是预防，改善了工人的工作条件。系统的实施不仅带来生产效率的提高，同时还带来生产安全水平的大幅提升。

目前，系统已经在唐山某矿洗选煤厂工程项目得到应用，系统运行稳定，用户反应良好。