淺談基于以太網(wǎng)的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定   201801

摘  要：針對傳統(tǒng)煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)性能較差、無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位及報(bào)警、不具備數(shù)據(jù)交互功能等問題，結(jié)合分布式網(wǎng)絡(luò)及GPS授時(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)及RS485總線架構(gòu)的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對井下供電網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障定位報(bào)警及各類開關(guān)保護(hù)動(dòng)作的遠(yuǎn)程操作，從而實(shí)現(xiàn)井下供配電的無人值守，有效降低煤礦電網(wǎng)事故發(fā)生率，提高井下電網(wǎng)的供電質(zhì)量及可靠性。

關(guān)鍵詞：煤礦；電力監(jiān)控系統(tǒng)；工業(yè)以太網(wǎng)；RS485

煤礦供配電系統(tǒng)是維持整個(gè)煤礦采掘、運(yùn)輸、通 風(fēng)、排水等重要電氣設(shè)備正常工作及提供日常照明等用電的重要支撐,其運(yùn)行可靠性及穩(wěn)定性是煤礦安全高效生產(chǎn)的重要技術(shù)保障。由于煤礦供配電系統(tǒng)時(shí)常會出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)劇烈、無計(jì)劃停電、越級跳閘及故障排查困難等問題，因此容易引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等嚴(yán)重安全事故。為了有效減少煤礦事故發(fā)生概率，提高煤礦供配電綜合管理水平及效率，需對煤礦供配電系統(tǒng)采用一體化實(shí)時(shí)監(jiān)控方案，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)煤礦各變電所的無人值守功能。

本文針對35 kV及以下變電站安全監(jiān)控開發(fā)研制了煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，對該煤礦現(xiàn)有的電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，主要內(nèi)容包括地面電力調(diào)控中心優(yōu)化設(shè)計(jì)及地面35 kV變電所.1360水平井下變電所、1100水平井下變電所優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用以太環(huán)網(wǎng)及RS485對通訊系統(tǒng)進(jìn)行重新架構(gòu)，并對井下變電所內(nèi)的監(jiān)控分站和高低壓開關(guān)綜保裝置等重要設(shè)備進(jìn)行智能化升級，從而建立了一套技術(shù)、功能完整、易于管理的煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)。

1. 1 煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別為地面監(jiān)控主站、電力監(jiān)控分站及綜合保護(hù)單元，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面監(jiān)控主站主要由兩臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、交換機(jī)和UPS電源等設(shè)備組成，用于井下供電運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及高開綜保裝置遠(yuǎn)程操作等指令的下達(dá)，其中監(jiān)控主站采用雙機(jī)熱備份方式，保證系統(tǒng)可靠性電力監(jiān)控分站用于井下各供電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，其中高低壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置的通訊信號作為一組共同接入監(jiān)控分站。系統(tǒng)的通訊平臺架構(gòu)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)加現(xiàn)場總線的組合通訊方式,井下各變電所內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)由井下電力監(jiān)控分站通過RS485總線通訊方式及協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地集中監(jiān)測。同時(shí)監(jiān)控分站通過光纖以太環(huán)網(wǎng)與監(jiān)控主站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互， 將各運(yùn)行數(shù)據(jù)集中上傳至監(jiān)控主站。

圖1電力監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 GPS對時(shí)子系統(tǒng)

為保證全系統(tǒng)運(yùn)行顯示時(shí)間準(zhǔn)確一致，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了 GPS對時(shí)子系統(tǒng),通過地面調(diào)控中心加裝的GPS對時(shí)裝置從GPS衛(wèi)星獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號， 并將該時(shí)間信號通過各類接口實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控主機(jī)、 綜保裝置、故障錄波器、遠(yuǎn)程RTU等需要時(shí)間信息的主要通訊設(shè)備，從而使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到同步。

1.3 數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)用于加強(qiáng)對井下各變電所及供電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過在電力系統(tǒng)平臺中加裝的網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)和現(xiàn)場的固定式及云臺攝像頭對井下所有供電場所及設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字視頻采集。同時(shí)配置大容量硬盤將所有錄像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，存儲時(shí)間不低于一個(gè)月。數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案主要分為地面調(diào)控中心硬件設(shè)計(jì)及井下供電監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)。其中地面調(diào)控中心硬件除原系統(tǒng)具備的數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、UPS電源外，還包括GPS對時(shí)子系統(tǒng)及數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)中的GPS對時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)等設(shè)備。井下硬件設(shè)計(jì)方案主要包括各井下監(jiān)控分站及高低壓開關(guān)綜保裝置的升級改造，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行及防越級功能。

本文采用GPS對時(shí)裝置實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)同步。數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)中的硬盤錄像機(jī)可保證錄像子系統(tǒng)可靠運(yùn)行。井下監(jiān)控分站是實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)上傳及監(jiān)控主站控制指令執(zhí)行的重要設(shè)備，滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及采集需求。 由于井下高壓電網(wǎng)大多數(shù)供電線路較短，線路阻抗小,且運(yùn)行方式差異較大，在發(fā)生短路故障時(shí)容易發(fā)生越級跳閘，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。因此，本文對原系統(tǒng)井下高低壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置進(jìn)行改造，將其更換為具有防越級跳閘功能的智能保護(hù)器，并增設(shè)遠(yuǎn)近控模塊實(shí)現(xiàn)井下分合閘智能控制。

本系統(tǒng)對井下高壓開關(guān)及低壓饋電開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，除了具備常規(guī)保護(hù)裝置的功能外，還可通過系統(tǒng)級聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與地面保護(hù)形成實(shí)時(shí)防越級跳閘網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)在井下所有高壓開關(guān)、低壓饋電及照明綜保等受控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)近控改造，從開關(guān)引出的線纜接入井下監(jiān)控分站，監(jiān)控分站通過控制中間繼電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近控，系統(tǒng)改造線路如圖所示。通過該遠(yuǎn)近控改造后系統(tǒng)可在任意時(shí)刻分閘，而合閘需在遠(yuǎn)近控狀態(tài)下進(jìn)行，從而保證安全檢修。

圖3接線圖

煤礦電力監(jiān)控平臺主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算、遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)管理等，其中系統(tǒng)及線路的負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)可根據(jù)采集數(shù)據(jù)對風(fēng)機(jī)、中央變電所等位置的電壓、電流等主要電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線繪制，可從地面調(diào)控中心更直觀監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行狀態(tài)。

在常規(guī)報(bào)警功能基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還添加了時(shí)間順序記錄功能，當(dāng)井下供電設(shè)備發(fā)生故障并報(bào)警后，系統(tǒng)可自動(dòng)按時(shí)間順序記錄繼保裝置及斷路器開斷的時(shí)間并上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器用于后續(xù)事故分析。時(shí)間順序記錄.

4.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護(hù)裝置等設(shè)備組成綜合自動(dòng)化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運(yùn)行和管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對變電站控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

4.2應(yīng)用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

4.4.2 電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細(xì)電參量。

4.4.3 曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

4.4.4 運(yùn)行報(bào)表：查詢各回路或設(shè)備時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)。

4.4.5 實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

4.4.6 歷史事件查詢：對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.4.7 電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表：系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況。

4.4.8 用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

4.4.9 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：支持實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.4.10 電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。

4.4.11 遙控功能：可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

4.4.12 故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

4.4.13 事故追憶：可自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)信息。

4.4.14 Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息，設(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

4.4.15 APP訪問：設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

4.5系統(tǒng)硬件配置

本文為適應(yīng)煤礦供電安全監(jiān)控要求，基于工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測參數(shù)、數(shù)據(jù)交互性強(qiáng)的智能煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，并增加了 GPS實(shí)時(shí)授時(shí)、數(shù)字視頻錄像及防越級跳閘等功能,可實(shí)現(xiàn)煤礦供電設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)控，保證煤礦供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]成澤軍.基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[2]張翠云，王福忠.基于RS-485總線的煤礦井下供電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].礦山機(jī)械,2007(5):120-121.

[3] 鄭效田，鄭豐隆，趙西紅，等.基于Web技術(shù)的煤礦井下供電電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化,2004(6):39-40.

[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版本

作者簡介：

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電力監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。