淺談基于以太網(wǎng)的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

李婧婧

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)絡性能較差、無法實現(xiàn)準確故障定位及報警、不具備數(shù)據(jù)交互功能等問題，結合分布式網(wǎng)絡及GPS授時技術設計了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)及RS485總線架構的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對井下供電網(wǎng)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(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。 

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

 

0引言

       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**高效生產(chǎn)的重要技術保障。由于煤礦供配電系統(tǒng)時常會出現(xiàn)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**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(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**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(tǒng)進行重新架構，并對井下變電所內(nèi)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先進、功能完整、易于管理的煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)。 

1煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集、處理與轉(zhuǎn)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(wǎng)加現(xiàn)場總線的組合通訊方式,井下各變電所內(nèi)電氣設備的運行狀態(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)換進行采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地集中監(jiān)測。同時監(jiān)控分站通過光纖以太環(huán)網(wǎng)與監(jiān)控主站實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互， 將各運行數(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(diào)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(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)

       本文設計了數(shù)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(wǎng)絡硬盤錄像機和現(xiàn)場的固定式及云臺攝像頭對井下所有供電場所及設備進行實時數(shù)字視頻采集。同時配置大容量硬盤將所有錄像數(shù)據(jù)進行實時存儲，存儲時間不低于一個月。數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)結構

2硬件方案設計

       本監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計方案主要分為地面調(diào)控中心硬件設計及井下供電監(jiān)控硬件設計。其中地面調(diào)控中心硬件除原系統(tǒng)具備的數(shù)據(jù)服務器、監(jiān)控計算機、UPS電源外，還包括GPS對時子系統(tǒng)及數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)中的GPS對時器、網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)全系統(tǒng)運行時間的實時校準同步。數(shù)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(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**生產(chǎn)。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(xiàn)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(wǎng)絡組網(wǎng)與地面保護形成實時防越級跳閘網(wǎng)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(xiàn)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**檢修。

圖3接線圖

3軟件方案設計

       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)計計算、遠程控制調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)管理等，其中系統(tǒng)及線路的負荷率統(tǒng)計可根據(jù)采集數(shù)據(jù)對風機、中央變電所等位置的電壓、電流等主要電參數(shù)進行實時曲線繪制，可從地面調(diào)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(shù)據(jù)服務器用于后續(xù)事故分析。時間順序記錄.

4安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

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(chǎn)品、電能質(zhì)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(xiàn)了變電、配電、用電的**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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(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**、穩(wěn)定、經(jīng)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(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)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(wǎng)方式。

 

4.4系統(tǒng)功能

       4.4.1 實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)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：查詢各回路或設備指定時間的運行參數(shù)。

 

       4.4.5 實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b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(nèi)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(wǎng)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(wǎng)絡結構。

 

       4.4.10 電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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(nèi)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(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)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(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

 

 

4.5系統(tǒng)硬件配置

 

5 結束語 

       本文為適應煤礦供電**監(jiān)控要求，基于工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線通訊技術設計了一套監(jiān)測參數(shù)、數(shù)據(jù)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(shù)字視頻錄像及防越級跳閘等功能,可實現(xiàn)煤礦供電設備及網(wǎng)絡運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與調(diào)控，保證煤礦供電系統(tǒng)**穩(wěn)定運行。 

 

參考文獻：

[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(wǎng)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(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版本 

作者簡介：

李婧婧，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。