淺談基于以太網(wǎng)的煤礦電力監控系統的設計與應用

摘  要：針對傳統煤礦電力監控系統通訊網(wǎng)絡(luò )性能較差、無(wú)法實(shí)現準確故障定位及報警、不具備數據交互功能等問(wèn)題，結合分布式網(wǎng)絡(luò )及GPS授時(shí)技術(shù)設計了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)及RS485總線(xiàn)架構的煤礦電力監控系統，可實(shí)現對井下供電網(wǎng)絡(luò )及設備的遠程監控、故障定位報警及各類(lèi)開(kāi)關(guān)保護動(dòng)作的遠程操作，從而實(shí)現井下供配電的無(wú)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；電力監控系統；工業(yè)以太網(wǎng)；RS485

 

       煤礦供配電系統是維持整個(gè)煤礦采掘、運輸、通 風(fēng)、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時(shí)常會(huì )出現負荷波動(dòng)劇烈、無(wú)計劃停電、越級跳閘及故障排查困難等問(wèn)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采用一體化實(shí)時(shí)監控方案，進(jìn)而更好地實(shí)現煤礦各變電所的無(wú)人值守功能。

       本文針對35 kV及以下變電站安全監控開(kāi)發(fā)研制了煤礦電力監控系統，對該煤礦現有的電力監控系統進(jìn)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(wǎng)及RS485對通訊系統進(jìn)行重新架構，并對井下變電所內的監控分站和高低壓開(kāi)關(guān)綜保裝置等重要設備進(jìn)行智能化升級，從而建立了一套技術(shù)先進(jìn)、功能完整、易于管理的煤礦井下電力監控系統。 

1. 1 煤礦電力監控系統架構

       本監控系統主要由三部分構成，分別為地面監控主站、電力監控分站及綜合保護單元，系統整體結構如圖1所示。地面監控主站主要由兩臺監控計算機、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(shí)時(shí)顯示及高開(kāi)綜保裝置遠程操作等指令的下達，其中監控主站采用雙機熱備份方式，保證系統可靠性電力監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(kāi)關(guān)綜合保護裝置的通訊信號作為一組共同接入監控分站。系統的通訊平臺架構采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)加現場(chǎng)總線(xiàn)的組合通訊方式,井下各變電所內電氣設備的運行狀態(tài)參數由井下電力監控分站通過(guò)RS485總線(xiàn)通訊方式及協(xié)議轉換進(jìn)行采集，實(shí)現數據的就地集中監測。同時(shí)監控分站通過(guò)光纖以太環(huán)網(wǎng)與監控主站實(shí)現數據交互， 將各運行數據集中上傳至監控主站。 

圖1電力監控系統總體結構

1.2 GPS對時(shí)子系統

       為保證全系統運行顯示時(shí)間準確一致，在原系統基礎上設計了 GPS對時(shí)子系統,通過(guò)地面調控中心加裝的GPS對時(shí)裝置從GPS衛星獲取標準時(shí)間信號， 并將該時(shí)間信號通過(guò)各類(lèi)接口實(shí)時(shí)傳輸至監控主機、 綜保裝置、故障錄波器、遠程RTU等需要時(shí)間信息的主要通訊設備，從而使整個(gè)系統的運行時(shí)間達到同步。

1.3 數字視頻錄像子系統

       本文設計了數字視頻錄像子系統用于加強對井下各變電所及供電設備的實(shí)時(shí)監控，通過(guò)在電力系統平臺中加裝的網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)錄像機和現場(chǎng)的固定式及云臺攝像頭對井下所有供電場(chǎng)所及設備進(jìn)行實(shí)時(shí)數字視頻采集。同時(shí)配置大容量硬盤(pán)將所有錄像數據進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，存儲時(shí)間不低于一個(gè)月。數字視頻錄像子系統結構如圖2所示。

圖2數字視頻錄像子系統結構

       本監控系統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控硬件設計。其中地面調控中心硬件除原系統具備的數據服務(wù)器、監控計算機、UPS電源外，還包括GPS對時(shí)子系統及數字視頻錄像子系統中的GPS對時(shí)器、網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)錄像機等設備。井下硬件設計方案主要包括各井下監控分站及高低壓開(kāi)關(guān)綜保裝置的升級改造，從而實(shí)現系統的不間斷運行及防越級功能。 

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

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

       系統在井下所有高壓開(kāi)關(guān)、低壓饋電及照明綜保等受控設備進(jìn)行遠近控改造，從開(kāi)關(guān)引出的線(xiàn)纜接入井下監控分站，監控分站通過(guò)控制中間繼電器實(shí)現遠近控，系統改造線(xiàn)路如圖所示。通過(guò)該遠近控改造后系統可在任意時(shí)刻分閘，而合閘需在遠近控狀態(tài)下進(jìn)行，從而保證安全檢修。

圖3接線(xiàn)圖

       煤礦電力監控平臺主要功能包括數據采集、數據統計計算、遠程控制調節及數據管理等，其中系統及線(xiàn)路的負荷率統計可根據采集數據對風(fēng)機、中央變電所等位置的電壓、電流等主要電參數進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線(xiàn)繪制，可從地面調控中心更直觀(guān)監測系統各個(gè)部分的運行狀態(tài)。

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

4.1概述

       針對用戶(hù)變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過(guò)微機保護裝置、開(kāi)關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、配電室環(huán)境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動(dòng)化的綜合監控系統，實(shí)現了變電、配電、用電的安全運行和管理。監控范圍包括用戶(hù)變電站、開(kāi)閉所、變電所及配電室等。

       Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動(dòng)化及無(wú)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控管理系統。該系統是應用電力自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò )化、單元化、組態(tài)化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶(hù)變電站，可實(shí)現對變電站控制和管理，滿(mǎn)足變電站無(wú)人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經(jīng)濟運行提供了堅實(shí)的保障。

 

4.2應用場(chǎng)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(hù)端供配電自動(dòng)化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3系統架構

       Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò )結構、光纖星型網(wǎng)絡(luò )結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構，根據用戶(hù)用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

 

4.4系統功能

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

 

 

       4.4.2 電參量查詢(xún)：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(xiàn)查詢(xún)：可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

 

       4.4.4 運行報表：查詢(xún)各回路或設備時(shí)間的運行參數。

 

       4.4.5 實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

 

       4.4.6 歷史事件查詢(xún)：對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

 

       4.4.7 電能統計報表：系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況。

 

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

 

       4.4.9 網(wǎng)絡(luò )拓撲圖：支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

 

       4.4.10 電能質(zhì)量監測：可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。

 

 

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

 

       4.4.12 故障錄波：可在系統發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準確地記錄故障前、后過(guò)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)穩態(tài)信息。

 

       4.4.14 Web訪(fǎng)問(wèn)：展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)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(fǎng)問(wèn)：設備數據頁(yè)面顯示各設備的電參量數據以及曲線(xiàn)。

 

 

4.5系統硬件配置

 

       本文為適應煤礦供電安全監控要求，基于工業(yè)以太網(wǎng)及現場(chǎng)總線(xiàn)通訊技術(shù)設計了一套監測參數、數據交互性強的智能煤礦電力監控系統，并增加了 GPS實(shí)時(shí)授時(shí)、數字視頻錄像及防越級跳閘等功能,可實(shí)現煤礦供電設備及網(wǎng)絡(luò )運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測與調控，保證煤礦供電系統安全穩定運行。 

 

[1]成澤軍.基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦電力監控系統設計

[2]張翠云，王福忠.基于RS-485總線(xiàn)的煤礦井下供電遠程監控系統[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(shù)的煤礦井下供電電網(wǎng)實(shí)時(shí)監控系統[J].工礦自動(dòng)化,2004(6):39-40.

[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版本 

作者簡(jiǎn)介：

柏為為，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電力監控系統的研發(fā)與應用。