煤矿一体化智能电力调度系统建设及应用

摘要：传统的煤矿智能供电系统依托于矿井工业环网进行数据传输，延时高、稳定性差。随着煤矿智能化建设高速发展，智能供电系统的重要性日益凸显，本文介绍了基于PCS-9000平台开发的煤矿一体化智能电力调度系统建设及应用情况，项目建设中通过升级改造，形成了下南、北翼专用双环网结构，实现了矿井井上、下一体化电力监控、井上、下保护装置集中统一授时、主变电所的热成像温度监视等功能。项目应用于兖矿能源济宁二号煤矿，取得显著效果。

关键词：煤矿;电力调度;智能化

兖矿能源济宁二号煤矿通过自主施工升级改造，更换主要变电所微机保护测控柜及智能高压柜，更换统一型号高防开关保护装置，统一低防开关及照明综合保护装置通信协议，敷设供电监控专用光缆3万米，搭建了PCS-9000电力调度平台，建成基于PCS-9000的井上下一体化电力调度系统和防越级跳闸系统。井下采用南、北翼专用双环网结构，110kV变电所、中央变电所采用AB双网结构供电专网，实现了一体化电力监控、装置集中统一授时、主变电所的热成像温度监视等功能。系统建成后运行稳定，智能化建设效果显著。

一、系统硬件

在建设系统时，为高压开关统一更换了PCS系列保护器和带有通信功能的电能表，每个变电所增加1台监控分站，重要采区变电所额外增加了1台防爆UPS，另外还增设了温度传感器、烟雾传感器等环境监测设备。

（一）综合保护装置

井下采区变电所高防开关全部采用PCS-9639综合保护装置，该适用于煤矿井下6kV/10kV电压等级高压防爆开关的保护装置。装置通过常规电磁式互感器采集模拟量。支持IEC61850、IEC60870-5-103、Modbus RTU、Modbus TCP等通信规约。

中置式开关柜使用的PCS-9611线路保护装置适用于110kV以下电压等级的非直接接地系统或小电阻接地系统中的线路保护及测控，用于井下中央变电所和地面变电所高压开关柜。装置通过常规电磁式互感器采集模拟量，支持IEC61850规约。

保护装置保护具备防越级速断保护、三段过流保护、两段负序过流保护、接地保护、过负荷保护、电压保护、2路非电量保护、电缆绝缘监视保护、故障录波等功能。

（二）电力监控分站

采区变电所使用防爆型电力监控分站，主要元器件包括一台RCS-9786通信装置，1-3台PCS-9882以太网交换机，1台NR3311电源转换模块，1个DCH141镍氢电池组。中央变电所使用矿用一般型监控分站，主要元器件包括1台RCS-9786通信装置，四台PCS-9882以太网交換机，2台220VAC/24VDC电源。

PCS-9882系列工业以太网交换机有多种型号，配置有数量不同的百兆、千兆光口，可根据实际需要选配。光口相应配置支持热插拔百兆或千兆的SFP光模块，鉴于智能化供电系统数据量大的特点，系统全部选用千兆光口和千兆光模块。RCS-9786通信管理机即规约转换器，功能是将通过Modbus RTU等通讯规约传来的信息进行转换，并将该信息通过以太网或串口的方式送给控制中心，同时接收控制中心的指令，并迅速传递给智能设备。

防爆分站内的电池容量为10000mAh，外部电源失电后可以保证监控分站2h的不间断供电，另可以根据需要选用额外的防爆UPS电源。采区变电所高防开关控制电源和合闸电源取自本体PT，分站由电池保证不间断供电，变电所高压进线来电，即可远程恢复供电。中央变电所采用“直流屏+逆变电源”的方式为监控分站供电，高压开关柜的控制电源和合闸电源由直流屏供电，可实现远程恢复供电。系统建设后，井下变电所无人状态，也可从地面逐级恢复井下各变电所供电。防爆电力监控分站，如图1所示。

（三）总控装置及集中授时系统

系统采用PCS-9799总控装置用于数据采集、规约转换、远程通信以及GPS时钟同步。对下通过网络或串口方式接入全站测控单元、保护装置以及智能电子设备，对上通过模拟通道、数字通道或网络向集控站传送，同时接收集控站的遥控、遥调命令向变电站内设备传递。

PCS-9799M的运行既可作为常规远动装置独立于后台监控系统，也可直接将数据传递后台。

系统使用NR1145网络授时插件，该插件支持外部GPS、北斗授时，可以根据实际需要选择授时模块双重配置（双GPS或GPS、北斗各配置一个）。NR1205A是建立在UAPC平台上设计的标准RS-485差分扩展输出插件，该插件有七路串口输出，分两组（COM1-COM4和COM5-COM7），用于对时扩展装置，提供脉冲和IRIG_B对时信号扩展输出。

二、专用网络搭建

（一）所内网络

高防开关保护器PCS-9639通过网线连接至监控分站内PCS-9882交换机，如图2所示。

低防开关、电能表、烟雾传感器、温度传感器等具有Modbus通信功能的设备通过RS485通信线接入RCS-9786通信管理机，经过协议转换，网线接入PCS-9882交换机。同一分站内PCS-9882交换机之间通过网线连接后，通过光纤与其他分站之间进行通信。

（二）系统环网

变电所之间架设专用供电通信光缆。井下采区采用南、北翼双环网结构，以北翼环网为例，从中央变电所同时向北翼敷设2根6芯光缆，一根至四采变电所，一根至北翼二采2#变电所后返回至四采变电所；110kV变电所、中央变电所采用AB双网结构，每台设备出2根网线，至不同的交换机，一用一备；中央变电所交换机与地面110kV交换机之间采用主、从两根光缆进行通信。

通过专用网络搭建，降低网络中断可能性，提高了供电网络的可靠性。降低网络延迟，提高信息和命令传输的时效性，实现了供电通信网络与矿工业环网之间的物理隔离，保证供电监控系统的独立性、可靠性、安全性。系统网络配置如图3所示。

三、智能巡检系统

（一）室内智能巡检机器人

主要变电所配备一台循环充电式智能巡检机器人，通过预定轨道、设置巡检点等设置，对高压室51台开关柜1746个巡视点进行全方位精细化监测，包括开关状态、运行状态、工作指示灯、各转换开关位置、保护装置状态、温度、湿度、噪声等，通过图像视觉分析，在后台形成监测结果。

（二）智能测温系统

主变电所室外采用3台双光谱红外热成像仪对室外110kV级设备进行自动测温巡检，实时对室外设备进行巡检、红外监测，及时发现设备异常及发热部位。下井8根高压电缆中间接头安设有源无线温度传感器，通过集中显示监测装置传输至监控后台显示。能够实时监测电缆接头温度变化，超过预警值自动报警，并生成温度曲线，根据曲线变化预判电缆接头缺陷。

高压开关柜布置无线感应式温度传感器，进线及联络采用6点测温，馈线采用9点测温。实时对高压柜内断路器上下触头母排连接、负荷电缆压接处进行温度监测。实现超温报警，及时研判由于接触不良等原因造成的过热故障。智能巡检系统如图4所示。

四、系统功能

（一）“四遥”功能

通过系统搭建实现了井下一体化的电力调度及监控，系统将PCS-9700变电所监控系统同步组态，实现主变电所精确监控，井下变电所集中调度功能，具备运行数据监测量、电量集中抄表、定值召唤修改、位置状态监视、开关远程分合功能。

远程分合系统增加了系统摘挂牌功能，当前对象为设备前景时，可以进行挂牌，对牌进行编辑，实现添加编号、人工注释、有效计时、实际功能编辑等功能。

系统还可以对所有故障进行录波查看分析，双击本地已存在的波形，可打开波形分析工具，显示对应波形的详细信息。具备本地检索召唤列表召喚波形、波形分析、本地检索等实用功能，便于技术人员通过录波分析系统故障、查找防范缺陷。

系统还具备软件五防功能，开关手车分合以及接地刀分合存在内部逻辑，为五防功能提供了双重保险。系统还提供了PCS-PC5定值快速查看修改工具，便于技术人员快速准确核对、修正系统的全部定值。此外，系统具备良好的扩展性，SCADA系统可以扩充图形编辑，在负荷变更、开关增减时快速编辑，符合现场需求。

（二）防越级功能

很多大型煤矿供电系统目前普遍采用多级串供模式，存在双回串供的形式，保护配置多为单一的过流保护，一方面过流保护时间级差难以配合，整定困难，越级跳闸问题严重，保护的选择性与速动性的矛盾始终无法解决；另一方面具体表现在无法快速切除变电所环网母线故障且保护灵敏性不足。采用数字化变电站GOOSE网络通信技术，在传统保护配置方案的基础上，增加GOOSE防越级跳闸速断保护功能，参与防越级跳闸逻辑闭锁的所有保护装置连接到站控层GOOSE网络中，装置间利用该GOOSE网络进行联跳闭锁信息交互，保护测控装置支持图形化组态和插件可配置功能。本系统建设中通过一体化的供电监控网络建设，实现采区变电所→中央变电所→110kV变电所的GOOSE防越级跳闸功能。

五、结论

兖矿能源济宁二号煤矿通过自主施工升级改造，搭建了PCS-9000电力调度平台，建成基于PCS-9000的电力调度系统。其中，显著特征是井下独立双环专用供电网络的建设和基于61850规约的一体化电力监控功能的实现，解决了传动电力监控系统依托矿区工业环网所带的一系列网络问题，系统兼容性好、稳定性强，各煤矿可推广应用。

参考文献：

[1]王海涛.电网调度自动化系统在煤矿电网中的应用[J].中国西部科技，2011（23）：28-29.

[2]吴文传、张伯明.电力系统调度自动化[M].清华大学出版社，2011.

[3]杨家全、冯勇.电力监控系统网络安全运维技术与实践[M].西南交通大学出版社，2020.

作者简介：史凯（1986），男，山东省济宁市人，硕士，工程师，研究方向为矿井机电系统自动控制及智能化系统。