毛小學(xué) 李曉亮 武偉偉
(1.山西能源產(chǎn)業(yè)集團有限責(zé)任公司,山西 太原 030032 ;2.山西藍焰煤層氣集團有限公司,山西 晉城 048200;3.河南費曼電力技術(shù)有限公司,河南 鄭州 450000)
長期以來發(fā)生的煤礦安全事故,給煤礦帶來了嚴(yán)重的安全隱患。如何降低煤炭行業(yè)的風(fēng)險,確保煤礦工人的人身安全一直是社會重點關(guān)注的問題,電力監(jiān)控系統(tǒng)已成為確保煤礦生產(chǎn)安全的重要組成部分,自動化電力監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用有效地提升了煤礦生產(chǎn)的安全性。盡管煤礦生產(chǎn)過程中逐步實現(xiàn)了機械化、現(xiàn)代化和自動化,現(xiàn)代信息技術(shù)作為新時代的發(fā)展趨勢和必然選擇助力于煤礦行業(yè)的發(fā)展。為了更好地將電力自動化技術(shù)應(yīng)用于煤礦行業(yè)中,就需要首先了解電力自動化。
1.1.1 高性能價格比,功能全面
系統(tǒng)的最低層采用網(wǎng)絡(luò)型智能電表,完全滿足電力系統(tǒng)管理、保護、監(jiān)視和電能質(zhì)量監(jiān)視的所有要求,集成了國內(nèi)外最新的電力轉(zhuǎn)換和配電自動化技術(shù),可在供電和配電的整個過程中實現(xiàn)遠程信號、遠程控制和遠程查看功能。
1.1.2 科學(xué)管理,降低成本
該系統(tǒng)以少量或無人值守的方式設(shè)計,提高管理的連續(xù)性和自動化程度,同時最大程度地釋放勞動力并改善人們的生活質(zhì)量,降低了管理成本,為合理分配、節(jié)能和環(huán)境保護提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為供電、配電調(diào)度和指揮提供了一個新的、聯(lián)網(wǎng)的、信息化的、低成本的新平臺。
1.2.1 電氣自動化系統(tǒng)的集中監(jiān)控
電氣自動化系統(tǒng)的集中監(jiān)控具有明顯的特點,便于維護和操作,無須提出更高的保護標(biāo)準(zhǔn),因此系統(tǒng)的實際設(shè)計相對簡單,而且很容易。然而,由于主機的集中控制,系統(tǒng)的所有功能都在同一處理器上收集和執(zhí)行,這不可避免地增加了處理器的負擔(dān),處理大量工作,并影響實際工作?;趯φ麄€電氣設(shè)備系統(tǒng)的全面監(jiān)視和管理對象非常廣泛,從而減少了主機冗余。電纜長距離運行所引起的干擾效應(yīng),以及電纜總數(shù)的增加以及成本和投資比率的增加,進一步對整個系統(tǒng)的安全性和效率產(chǎn)生負面影響。另外,由于引入了基于節(jié)點未對準(zhǔn)的硬線系統(tǒng)模式,因此發(fā)生了設(shè)備故障。該類型的布線的重復(fù)連接方法增加了操作的難度并且導(dǎo)致布線檢查不方便,這就增加了整個系統(tǒng)維護任務(wù)的數(shù)量,同時復(fù)雜的布線導(dǎo)致故障。
1.2.2 現(xiàn)場總線監(jiān)視方法
將現(xiàn)場總線技術(shù)引入電氣自動化監(jiān)視系統(tǒng)可有效減少布線工作量,降低實際運行成本和安裝成本,同時減少材料量,系統(tǒng)呈現(xiàn)并提高了靈活性和良好性,達到全面的可靠性和安全性。另外,該監(jiān)視模式簡化了隔離設(shè)備,并減少了相關(guān)I/O 應(yīng)用卡,傳輸設(shè)備和終端柜的配置?;谕ㄏ虮O(jiān)控系統(tǒng)的通信線路,控制電纜的數(shù)量大大減少,操作進一步簡化。維護運營工作和更多的成本投資,科學(xué)地控制了成本投資。此外,系統(tǒng)設(shè)備具有獨立的能效,僅通過網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)對接,有效提高了系統(tǒng)的安全效率。免費的網(wǎng)絡(luò)配置使系統(tǒng)中的所有類型的設(shè)備成為可能。即使有問題或錯誤,也將對該源產(chǎn)生負面影響,并防止整個系統(tǒng)癱瘓。
中國煤炭資源總量位居世界第一,可采儲量為2 040 億噸,位居世界第二?!笆晃濉逼陂g,全國煤炭產(chǎn)量快速增長,全國原煤產(chǎn)量從2005 年的22.5 億噸大幅增加到2009 年的29.73 億噸,年均增加1.92 億噸。但中國煤炭行業(yè)每年因事故死亡人數(shù)近萬人,直接經(jīng)濟損失超過40 億元。煤炭資源已成為影響中國經(jīng)濟發(fā)展的重要內(nèi)容,如何提高煤炭生產(chǎn)的效率和安全,是煤炭企業(yè)的一項重要任務(wù),煤炭安全問題引起了中國政府和公眾的廣泛關(guān)注。同時,中國是煤炭生產(chǎn)消費大國,煤炭企業(yè)構(gòu)成較為復(fù)雜。雖然國有企業(yè)和民營企業(yè)共同參與,但近年來,煤炭企業(yè)的安全事故越來越普遍,煤礦企業(yè)特別是小型煤礦企業(yè)的核心問題是生產(chǎn)安全缺口較大,阻礙了中國經(jīng)濟的正常發(fā)展。其中,造成這一現(xiàn)象的主要問題是生產(chǎn)技術(shù)落后,沒有采用先進的生產(chǎn)工藝,采用勞動密集型的變速器生產(chǎn)方式,使事故安全的發(fā)生不可控。因此,通過網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng),可以提高生產(chǎn)技術(shù)水平,有效檢測生產(chǎn)狀態(tài),實時調(diào)整生產(chǎn),確保安全生產(chǎn)。國外煤炭生產(chǎn)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展較早,應(yīng)用效果好,極大地改變了煤炭生產(chǎn)方式,使煤炭生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展取得了革命性的進步。中國煤礦監(jiān)測技術(shù)發(fā)展相對緩慢,最早是引進國外早期監(jiān)測系統(tǒng)。同時,在中國經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中,一些先進的制度也逐漸被引進,在中國煤炭安全生產(chǎn)中,發(fā)揮了重要作用[1]。
我國的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)主要分為井上以及井下監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1 所示)。井上部分的監(jiān)控系統(tǒng)由中央站點以及多個局域網(wǎng)共同組成,主要是由地面監(jiān)控室進行控制。生產(chǎn)監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)視功能主要在整個系統(tǒng)的調(diào)度室執(zhí)行。井上的工作系統(tǒng)是將從井下監(jiān)測中獲得的數(shù)據(jù)信息收集到地面監(jiān)測計算機中,然后由工作人員分析并匯總數(shù)據(jù),通過地面上的光終端將其傳輸?shù)骄碌母鱾€監(jiān)測單元中。井上的集中控制站與井下的電力監(jiān)控系統(tǒng)連接,以太網(wǎng)是實現(xiàn)連接的工具,可以監(jiān)視和管理以井下工作條件以及電源監(jiān)視設(shè)備的操作條件。煤礦電力監(jiān)控的作用主要是收集信息并不斷更新系統(tǒng)的數(shù)據(jù),包括系統(tǒng)的模擬量、脈沖量和狀態(tài)量,同時對系統(tǒng)的信號信息進行收集,實現(xiàn)信息交換和傳輸功能,并通過站點、地面或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將有效的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)視系統(tǒng)中。通過對收集到的信息進行處理和分析,可以確定整個系統(tǒng)的使用情況,分析現(xiàn)有風(fēng)險和可能發(fā)生的安全事故,并預(yù)測可能發(fā)生的事故,以有效地預(yù)防這些事故。除信息收集功能外,電力監(jiān)控系統(tǒng)還具有信息存儲功能。在硬盤上存儲大量信息,以支持后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和查詢。監(jiān)視系統(tǒng)可以基于記錄的信息執(zhí)行電路分析和仿真,并將分析的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?gòu)建的模型中以獲得關(guān)鍵的預(yù)警信息。
圖1 井上以及井下監(jiān)控系統(tǒng)4 煤礦自動化監(jiān)控系統(tǒng)組成及應(yīng)用范圍
調(diào)度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實際上是一個實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控情況,制定相應(yīng)的管理內(nèi)容,并按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供相應(yīng)的信息,進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、記錄以及印刷風(fēng)機、排水系統(tǒng)、地下變電站、生產(chǎn)傳輸系統(tǒng)等設(shè)備的遠程集中監(jiān)控。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集和過程控制、順序控制、報警事件處理和操作記錄,實時顯示過程數(shù)據(jù)、圖形或數(shù)據(jù),顯示過程變量趨勢、生成過程模型圖和更新動態(tài)數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)庫進行管理。在采用調(diào)度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)后,可根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行終端配送,使整個生產(chǎn)過程通過系統(tǒng)遠程監(jiān)控,采用自動化執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)自動化監(jiān)控。1)實時運行參數(shù)進行檢測。每個監(jiān)控系統(tǒng)都可以實時采集生產(chǎn)工況參數(shù),并以圖形和報表的形式顯示系統(tǒng)的實時工況。2)實時過程控制。每個系統(tǒng)通過分析采集到的參數(shù),自動完成過程控制或由調(diào)度員操作和控制。3)歷史數(shù)據(jù)查詢。上述生產(chǎn)實時檢測數(shù)據(jù)可存儲在生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)庫中,可實現(xiàn)歷史回波、歷史趨勢分析和直方圖、餅圖等綜合分析。5)生產(chǎn)故障和模擬量超標(biāo)報警。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或模擬量超限時,生產(chǎn)檢測管理網(wǎng)絡(luò)可同時顯示故障設(shè)備名稱,并實現(xiàn)語音報警、錯誤實時打印功能。服務(wù)器將錯誤信息存儲在錯誤信息數(shù)據(jù)庫中,以供后續(xù)統(tǒng)計分析。5)生產(chǎn)實時屏幕檢查。工業(yè)電視信號可接入人體監(jiān)控終端,當(dāng)出現(xiàn)異常(故障、違規(guī)、巡檢)時,可將視頻截取、轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式、存儲,通過網(wǎng)絡(luò)上傳至公司領(lǐng)導(dǎo)。6)優(yōu)化生產(chǎn)計劃。通過建立歷史數(shù)據(jù)庫,可以將各種數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)中,可以在系統(tǒng)中反映整體生產(chǎn)情況,可以直觀地查看和分析趨勢圖,確保生產(chǎn)進度順利進行[2]。
煤礦調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)理論,目前應(yīng)用最多的是美國Gockwe11 控制產(chǎn)品,可以提供穩(wěn)定的控制產(chǎn)品,保證監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
根據(jù)整個生產(chǎn)過程,控制網(wǎng)絡(luò)可以全面覆蓋所有環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)與生產(chǎn)息息相關(guān),包括帶式輸送系統(tǒng)中央監(jiān)控、油井變電站遙控、礦井排水系統(tǒng)遙控、礦井加壓供水系統(tǒng)遙控、遙控用于地下變電站、遠程礦井通風(fēng)機、帶監(jiān)測和沿槽監(jiān)測。
整個系統(tǒng)必須進行全面管理。換句話說,在用戶界面中集成不同的技術(shù),實現(xiàn)在同一平臺上的操作,應(yīng)該降低界面成本,減少系統(tǒng)中備件的數(shù)量和類型。同時,技術(shù)人員可以對平臺進行監(jiān)控和管理,保證系統(tǒng)的高效運行和系統(tǒng)運行時間的合理化。采用配置平臺可以有效簡化培訓(xùn)項目,降低成本。
在運行電源監(jiān)控系統(tǒng)功能的過程中,傳感器控制器起重要作用。因此,傳感器控制器的可靠性和穩(wěn)定性特別重要。目前,我國常用的傳感器基本可以滿足生產(chǎn)需求。例如風(fēng)速、電流和電壓的模擬量。但是,仍然存在一些不可忽視的問題。在產(chǎn)品壽命、可靠性和穩(wěn)定性方面,與國外產(chǎn)品相比仍然存在不足,還不能滿足整體生產(chǎn)安全的要求。因此,加大對中國傳感器的研究和升級非常重要。
我國當(dāng)前的電力監(jiān)控系統(tǒng)符合基本運行要求。但是,就安全系數(shù)而言,產(chǎn)品性能仍然存在主要缺陷,并且某些產(chǎn)品具有諸如跳閘、定位速度慢以及無法集成信息之類的缺陷??紤]到上述問題,我國應(yīng)進行目標(biāo)技術(shù)的研究與開發(fā)。在過去的幾年中,該技術(shù)取得了明顯的進步,改進了SCADA 系統(tǒng)計劃,可以由員工提供及時準(zhǔn)確的提示,以快速找到有缺陷的零件。另外,使用斷流方法來減少或防止由大的電壓波動引起的停電問題。XRA-600 高壓選擇性漏電保護系統(tǒng)不受間接電弧電源和電弧的影響,對過渡電阻的抵抗力很強,靈敏度也很高。這些技術(shù)的應(yīng)用提高了工作安全系數(shù),同時減少了工人數(shù)量,提高了事故處理和信息收集能力,以及信息的及時放置和傳輸。
過載保護主要是針對地下中央變電站的電源系統(tǒng)。35kV變電站控制室配有過載保護保護屏。接地2 的饋線保護和中央變電站2 的接收線和1 個總線耦合器一起構(gòu)成了瞬變保護。中央變電站中所有饋線保護的監(jiān)視電流值達到故障固定值電流的80%時,將立即向該部分的輸入線路保護AH1 或AH17 發(fā)送信號,并處理2 個輸入線路保護。將對它們進行單獨分析,并阻止每個插座跳閘以防止間隙內(nèi)的故障。當(dāng)饋線故障電流繼續(xù)上升到饋線保護插座的設(shè)定值時,輸入線路切斷信號立即打開;如果饋線中沒有保護插座,則進線保護將失敗。信號輸入線路保護可加速跳閘出口。軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行是監(jiān)視系統(tǒng)所有功能的先決條件。由于電力系統(tǒng)的運行與礦山的正常生產(chǎn)以及員工的生命和安全有關(guān),因此礦山電力系統(tǒng)的監(jiān)控軟件始終側(cè)重于穩(wěn)定性和可靠性。但是,盡管已經(jīng)強調(diào)了監(jiān)視軟件SCADA 的穩(wěn)定性,但是該軟件并不總是朝著更穩(wěn)定的方向發(fā)展。首先,提高代碼本身的穩(wěn)定性是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提。監(jiān)控軟件需要長時間工作,因此需要避免內(nèi)存泄漏并最大程度地減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。其次,由于SCADA 系統(tǒng)是分布式軟件系統(tǒng),因此某些功能的實現(xiàn)被分配給不同的軟件模塊,從而簡化了每個模塊的編碼,降低了不同功能碼的組合程度,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時,即使出現(xiàn)問題,問題也僅限于其他模塊,并且整個系統(tǒng)不會崩潰。最后,為確保系統(tǒng)的可靠性,采用通信設(shè)備的操作模式和服務(wù)器始終待機模式,并選擇具有定時器功能的工業(yè)計算機以確保軟件模塊本身的可靠性,添加硬件配置重置功能,如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障,則可以通過SMS 通知相關(guān)人員[3]。
在礦山調(diào)度室的電力監(jiān)控中心,需要安裝6 臺工業(yè)級監(jiān)控服務(wù)器和4 臺高級工業(yè)電力監(jiān)控計算機,以防止可能的計算機病毒入侵并確保將來使用的安全性。為確保監(jiān)視系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的可靠性,需要使用Linux 中文版操作系統(tǒng)升級和安裝6 臺千兆網(wǎng)絡(luò)交換服務(wù)器、6 臺光纖網(wǎng)絡(luò)交換服務(wù)器、1臺獨立的不間斷電源系統(tǒng)和1 臺綜合信息發(fā)布系統(tǒng)。
在地下和地面上各個變電站的電力監(jiān)視系統(tǒng)變電站中,每個變電站數(shù)據(jù)傳輸變電站單元都新配備了防爆千兆光纖交換服務(wù)器。對于新建的變電站,需要直接連接保護裝置。通信光纖交換機可以將原監(jiān)控系統(tǒng)的100M 通信傳輸升級為千兆傳輸,以防止源頭的傳輸阻塞、信號包丟失、數(shù)據(jù)延遲等,并實現(xiàn)變電站之間的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。KDW0.3/660A 型雙回路不間斷電源用于監(jiān)視變電站的電源,以確保監(jiān)視系統(tǒng)在極端條件下(例如整個礦井的斷電)正常運行。
在設(shè)計電源監(jiān)控系統(tǒng)時,應(yīng)注意系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計,以便可以實現(xiàn)其功能。首先,該系統(tǒng)應(yīng)具有地下電力系統(tǒng)的4 個遠程功能,并且應(yīng)能夠快速找到故障節(jié)點、故障類型、故障信息記錄等。其次,系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)各種保護裝置和設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)操作,同時結(jié)合不同設(shè)備的特性進行參數(shù)保護和控制,實現(xiàn)各設(shè)備的自動控制,并具有電力設(shè)備的在線監(jiān)控功能。再次,系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r監(jiān)視每個設(shè)備的運行狀態(tài),并且應(yīng)該能夠發(fā)布各種數(shù)據(jù)信息的歷史曲線和圖表數(shù)據(jù),以使該部分的內(nèi)容更加直觀。在設(shè)置該數(shù)據(jù)信息的權(quán)限時,應(yīng)根據(jù)用戶類型進行分層的用戶共享。最后,該系統(tǒng)還應(yīng)該能夠使用紅外光全面調(diào)整每個保護器的參數(shù)。同時,電源還必須實現(xiàn)不間斷運行,以更好地適應(yīng)惡劣的地下環(huán)境,確保各個設(shè)備的正常運行。
新添加的智能終端可以在本地收集電氣數(shù)據(jù),同時將每個開關(guān)和斷路器的控制回路連接到每個智能終端,從而使操作員可以遠程控制每個變電站中斷路器的斷開和閉合。同時,在調(diào)度室中,自動跟蹤球型攝像機安裝在每個變電站中,沒有死角。在遠程操作過程中,攝像機與開關(guān)對準(zhǔn),以便在遠程操作過程中觀察開關(guān)的位移和操作??梢栽诂F(xiàn)場操作期間監(jiān)視和遠程監(jiān)視員工的狀況。
在集成技術(shù)環(huán)境中,可以通過一個用戶界面下的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫將各種技術(shù)連接到整個平臺(如圖2 所示),這大大降低了系統(tǒng)間接口的成本,并大大減少了備件的種類和數(shù)量。同時,技術(shù)人員可以在一個平臺上配置編程和監(jiān)視所有應(yīng)用程序。還可以顯著提高監(jiān)控水平并減少計劃外的設(shè)備維修時間。這也是由于出色的平臺組的應(yīng)用,并且大大降低了成本。將及時和可靠的通信系統(tǒng)作為橋梁,包括用于連續(xù)開采的全機械化和運輸系統(tǒng)。礦山的集成自動化系統(tǒng)涵蓋了生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)。皮帶運輸和保護系統(tǒng)、礦山電力的3 個遠程系統(tǒng)、風(fēng)機和風(fēng)機的3 個遠程系統(tǒng)、地下排水的3 個遠程系統(tǒng)都集成到自動控制系統(tǒng)、鎖定和連續(xù)控制、調(diào)度室的集中控制,集成自動化系統(tǒng)采用先進的技術(shù)和設(shè)備,確保整個系統(tǒng)安全可靠,正常運行,提高了運營管理和維護水平,降低了運營管理成本,減輕了員工的勞動強度,傳遞并分析了各種信息能力。
圖2 礦山自動化監(jiān)系統(tǒng)
煤礦電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造,實現(xiàn)了地下變電站的無人值守運行,減少了人員數(shù)量,提高了效率,大大提高了礦井供電網(wǎng)絡(luò)的自動化水平,為煤礦供電系統(tǒng)提供平臺支持。煤礦自動監(jiān)控系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速,網(wǎng)絡(luò)化、集成化成為主要發(fā)展方向。煤礦自動監(jiān)控系統(tǒng)作為一種集成技術(shù),集成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、總線技術(shù)等多種技術(shù)。因此,借助煤礦自動化監(jiān)控系統(tǒng),可以為生產(chǎn)提供良好的安全保障,促使煤炭企業(yè)保持穩(wěn)定。電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)與測控,可以確保電氣自動化控制的快速發(fā)展,提高我國煤礦生產(chǎn)的自動化水平,為我國的煤礦生產(chǎn)提供安全保障,推動我國經(jīng)濟快速健康發(fā)展。