淺談基于以太網的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

任運業(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)通訊網絡性能較差、無法實現準確故障定位及報警、不具備數據交互功能等問題，結合分布式網絡及GPS授時技術設計了一套基于工業(yè)以太網及RS485總線架構的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，可實現對井下供電網絡及設備的遠程監(jiān)控、故障定位報警及各類開關保護動作的遠程操作，從而實現井下供配電的無人值守，有效降低煤礦電網事故發(fā)生率，提高井下電網的供電質量及可靠性。

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

煤礦供配電系統(tǒng)是維持整個煤礦采掘、運輸、通 風、排水等重要電氣設備正常工作及提供日常照明等用電的重要支撐,其運行可靠性及穩(wěn)定性是煤礦安全高效生產的重要技術保障。由于煤礦供配電系統(tǒng)時常會出現負荷波動劇烈、無計劃停電、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)采用一體化實時監(jiān)控方案，進而更好地實現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)，對該煤礦現有的電力監(jiān)控系統(tǒng)進行升級改造，主要內容包括地面電力調控中心優(yōu)化設計及地面35 kV變電所.1360水平井下變電所、1100水平井下變電所優(yōu)化設計，采用以太環(huán)網及RS485對通訊系統(tǒng)進行重新架構，并對井下變電所內的監(jiān)控分站和高低壓開關綜保裝置等重要設備進行智能化升級，從而建立了一套技術、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

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分構成，分別為地面監(jiān)控主站、電力監(jiān)控分站及綜合保護單元，系統(tǒng)整體結構如圖1所示。地面監(jiān)控主站主要由兩臺監(jiān)控計算機、打印機、交換機和UPS電源等設備組成，用于井下供電運行數據的實時顯示及高開綜保裝置遠程操作等指令的下達，其中監(jiān)控主站采用雙機熱備份方式，保證系統(tǒng)可靠性電力監(jiān)控分站用于井下各供電設備運行數據的采集、處理與轉發(fā)，其中高低壓開關綜合保護裝置的通訊信號作為一組共同接入監(jiān)控分站。系統(tǒng)的通訊平臺架構采用工業(yè)以太環(huán)網加現場總線的組合通訊方式,井下各變電所內電氣設備的運行狀態(tài)參數由井下電力監(jiān)控分站通過RS485總線通訊方式及協(xié)議轉換進行采集，實現數據的就地集中監(jiān)測。同時監(jiān)控分站通過光纖以太環(huán)網與監(jiān)控主站實現數據交互， 將各運行數據集中上傳至監(jiān)控主站。

圖1電力監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

1.2 GPS對時子系統(tǒng)

為保證全系統(tǒng)運行顯示時間準確一致，在原系統(tǒng)基礎上設計了 GPS對時子系統(tǒng),通過地面調控中心加裝的GPS對時裝置從GPS衛(wèi)星獲取標準時間信號， 并將該時間信號通過各類接口實時傳輸至監(jiān)控主機、 綜保裝置、故障錄波器、遠程RTU等需要時間信息的主要通訊設備，從而使整個系統(tǒng)的運行時間達到同步。

1.3 數字視頻錄像子系統(tǒng)

本文設計了數字視頻錄像子系統(tǒng)用于加強對井下各變電所及供電設備的實時監(jiān)控，通過在電力系統(tǒng)平臺中加裝的網絡硬盤錄像機和現場的固定式及云臺攝像頭對井下所有供電場所及設備進行實時數字視頻采集。同時配置大容量硬盤將所有錄像數據進行實時存儲，存儲時間不低于一個月。數字視頻錄像子系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2數字視頻錄像子系統(tǒng)結構

本監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計方案主要分為地面調控中心硬件設計及井下供電監(jiān)控硬件設計。其中地面調控中心硬件除原系統(tǒng)具備的數據服務器、監(jiān)控計算機、UPS電源外，還包括GPS對時子系統(tǒng)及數字視頻錄像子系統(tǒng)中的GPS對時器、網絡硬盤錄像機等設備。井下硬件設計方案主要包括各井下監(jiān)控分站及高低壓開關綜保裝置的升級改造，從而實現系統(tǒng)的不間斷運行及防越級功能。

本文采用GPS對時裝置實現全系統(tǒng)運行時間的實時校準同步。數字視頻錄像子系統(tǒng)中的硬盤錄像機可保證錄像子系統(tǒng)可靠運行。井下監(jiān)控分站是實現井下數據上傳及監(jiān)控主站控制指令執(zhí)行的重要設備，滿足本系統(tǒng)數據傳輸及采集需求。 由于井下高壓電網大多數供電線路較短，線路阻抗小,且運行方式差異較大，在發(fā)生短路故障時容易發(fā)生越級跳閘，嚴重影響煤礦安全生產。因此，本文對原系統(tǒng)井下高低壓開關綜合保護裝置進行改造，將其更換為具有防越級跳閘功能的智能保護器，并增設遠近控模塊實現井下分合閘智能控制。

本系統(tǒng)對井下高壓開關及低壓饋電開關進行保護，除了具備常規(guī)保護裝置的功能外，還可通過系統(tǒng)級聯(lián)及網絡組網與地面保護形成實時防越級跳閘網絡。

系統(tǒng)在井下所有高壓開關、低壓饋電及照明綜保等受控設備進行遠近控改造，從開關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現遠近控，系統(tǒng)改造線路如圖所示。通過該遠近控改造后系統(tǒng)可在任意時刻分閘，而合閘需在遠近控狀態(tài)下進行，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據采集、數據統(tǒng)計計算、遠程控制調節(jié)及數據管理等，其中系統(tǒng)及線路的負荷率統(tǒng)計可根據采集數據對風機、中央變電所等位置的電壓、電流等主要電參數進行實時曲線繪制，可從地面調控中心更直觀監(jiān)測系統(tǒng)各個部分的運行狀態(tài)。

在常規(guī)報警功能基礎上，系統(tǒng)還添加了時間順序記錄功能，當井下供電設備發(fā)生故障并報警后，系統(tǒng)可自動按時間順序記錄繼保裝置及斷路器開斷的時間并上傳至數據服務器用于后續(xù)事故分析。時間順序記錄.

4.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現了變電、配電、用電的安全運行和管理。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電力系統(tǒng)自動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)是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、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、農網變電站和用戶變電站，可實現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、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

4.3系統(tǒng)架構

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環(huán)網網絡結構，根據用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1 實時監(jiān)測：直觀顯示配電網的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、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 運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

4.4.5 實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

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

4.4.7 電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。

4.4.8 用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

4.4.9 網絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構。

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

4.4.11 遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。

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

4.4.13 事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。

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

4.4.15 APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。

4.5系統(tǒng)硬件配置

本文為適應煤礦供電安全監(jiān)控要求，基于工業(yè)以太網及現場總線通訊技術設計了一套監(jiān)測參數、數據交互性強的智能煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，并增加了 GPS實時授時、數字視頻錄像及防越級跳閘等功能,可實現煤礦供電設備及網絡運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與調控，保證煤礦供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

[1]成澤軍.基于工業(yè)以太網的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)設計

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

[3] 鄭效田，鄭豐隆，趙西紅，等.基于Web技術的煤礦井下供電電網實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動化,2004(6):39-40.

[4] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版本

作者簡介：

任運業(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)與應用。