淺談煤礦智能電力監控系統的研究與應用

摘要：文章詳細介紹了KJ36A型煤礦電力監控系統的3層網絡結構形式，即綜合監控信息管理層、信息處理與監控層、現場控制層，并分析了這3層網絡所實現的功能，闡述了KJ36A型煤礦電力監控系統的功能與特點。該系統采用嵌入式技術、分布式網絡技術，可對煤礦供電系統實施一體化的實時監控，實現礦井電網的安全運行及變電所的無人值守功能。實際應用表明，該系統運行效果好，完全滿足當前礦井安全生產和管理的要求。

關鍵詞：煤礦；電力監控系統；網絡結構；軟件；應用

0引言

隨著煤礦機械化和自動化程度的不斷提高，為保證各個生產環節的正常運行，對安全供電的依賴性更強。由于煤礦井下供電設備的故障，給煤礦的安全生產帶來更大的安全事故，因此，煤礦供配電系統運行的可靠性和合理性就顯得十分重要。盡管近年來煤礦供電管理部門在改進井下配電裝備、應用新技術成果的同時，不斷強化人員素質的管理，使煤礦井下供電系統的可靠性得到了提高，但由于人為因素造成的供電事故時有發生，影響了煤礦的安全生產。另外，供電部門每天用于值班和線路維護的工作人員較多，勞動生產率較低。因而，對井下供電系統實施微機保護和監控以及實現變電所無人值守就顯得十分迫切。就目前的煤礦供電系統而言，雖然微機保護和監控系統也得到了應用，但主要是針對地面供電系統，用于井下的微機保護和監控裝置還不多，大部分是在防爆開關中設置漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、斷相保護等保護功能,釆區內配電設備的聯網功能較弱。實現井下變電所無人值守，就是要實現“遙測、遙信、遙控、遙調"四遙功能和各種保護功能以及遙視功能：能檢測釆區變電所每次出線的電流、電壓、功率、因數、開關內溫度等模擬量;檢測開關的位置狀態及實驗按鈕狀態；能對開關進行正常分、合閘操作；能在上位機對饋電開關進行保護動作值整定。隨著井下無人值守變電所推廣面的擴大，由于井下供電網絡結構復雜,釆區變電所和工作面配電點供電服務對象主要是采煤、掘進、運輸以及排水等主要生產環節，供電負荷種類繁多、區域分布廣、負荷工作場所地質條件復雜，且存在著瓦斯、煤塵、水等有害介質，影響供電系統運行的不確定因素也較多，有可能存在安全隱患，所以裝備安全可靠、技術先進、功能更為完善的煤礦安全供電系統是非常必要的。KJ36A型煤礦電力監控系統是針對煤礦供配電系統的特點，采用地面電力自動化系統的*新技術、嵌入式技術、分布式網絡技術等開發的新一代煤礦電力監控系統，可對煤礦地面和井下10kV及以下供電系統實施一體化的實時監控，實現礦井變電所的無人值守。該系統為礦井電網的安全運行提供了現代化的管理手段。

1.KJ36A型煤礦電力監控系統結構

1.1綜合監控信息管理層

本系統根據用戶的不同要求，在地面建立面向全礦的計算機監控信息管理網絡。網絡具有對圖形、語音、數據和文字等多媒體的存儲傳輸和交互作用等處理能力。系統平臺基于Windows操作系統，以VC卄為開發工具，實現以多任務調度系統管理SCADA系統平臺及平臺上的應用，并調整運行過程中的數據和功能。系統采用功能和數據復制型冗余策略，運行不同計算機或同一臺計算機上的多個進程，通過相互之間的信息交換，由多任務調度系統監視整個系統的運行狀況。

SCADA系統平臺實現了礦井電力系統調度自動化、變電站(變電所)自動化的應用，包括實時數據采集、實時數據庫管理、歷史數據庫管理、畫面制作及顯示、報表制作及打印、告警判別及發布、數據處理及時鐘系統等豐富的功能。該平臺還包括了諸如網絡通信系統及任務調度系統和遠程診斷及維護系統，除了關鍵的實時數據庫和圖形技術外，還包括了一些常用的工具軟件，這些工具軟件對系統的使用很有幫助。SCADA系統平臺的功能主要有：

可實現地面變電所的監控及井下中央變電所、采區變電所及各配電點的電力監控；

視頻圖象網上壓縮傳輸，在各個工作站既能看到所有數據信息，又能同時觀察到每個攝像點的信號；

對外接口豐富，與其它系統匯接方便，除主流的OPC_Server方式夕卜，同時還保留了DDE、ODBC等方式；

實現“遙測、遙信、遙控、遙調"四遙功能和各種保護功能以及遙視功能；

所有信息在工作站上都可用瀏覽器瀏覽，并實現遠程信息的傳輸和故障診斷功能。

地面變電所采用變電站綜合自動化系統，提供以部頒CDT通信規約(或其它標準規約)為數據協議的標準RS232/RS485/LAN通信接口，通過設在地面的環網交換機將地面變電站綜合自動化系統接入KJ36A型煤礦電力監控系統的后臺計算機，實現遠程監控功能。

井下變電所內開關設備的運行參數和狀態通過開關綜合保護單元采集并輸出，電力監控站和開關綜合保護單元之間采用RS485/CAN通信(隔爆設備信號的輸出需通過安全隔離器作本安隔離處理)，變電所的電力參數由電力監控站通過設在各個變電所的環網交換機接入井下以太網，采集的數據通過以太網傳輸到KJ36A型煤礦電力監控系統的后臺計算機。

1.2信息處理與監控層

信息處理與監控層以監測和控制中產生的信息為來源，通過網絡直接參與對各開關的操作及相關環節之間的調度協調。

（1）主干網絡結構形式

本系統主干網絡釆用環型冗余結構光纖傳輸(工業以太網100Mbps/1000Mbps),能將礦井各變電所信息連接到系統平臺上，本系統往下能對礦井內各高低壓開關發布控制命令，監視設備的運行狀態，收集所需的參數以及整定開關數值;往上能連接信息管理網，實現管理信息的交換功能。

根據煤礦的特點，系統控制網絡滿足以下要求：

設備選型符合有關標準和行業標準，滿足防爆、防塵、抗高溫潮濕和電磁干擾的要求。在物理上和邏輯上考慮了網絡信道的冗余，確保網絡通路的安全。當系統某一子系統的通信或元器件出現故障時，不影響其它子系統的通信和整個網絡的傳輸性能。隨著礦井建設規模進程能做到整體規劃、分步實施，并能隨著技術的發展方便升級，可靠性高、穩定性強、人機界面友好、操作簡單、維護方便。充分考慮了系統平臺和數據的安全性。具有可靠的身份認證機制、數據備份和病毒防護功能，具有防止黑客侵擾的有效措施。

（2）網絡控制層

基于以太網TCP/IP協議的工業以太網技術，傳輸介質采用雙絞式單模礦用阻燃型光纜，網絡結構釆用基于光纖以太網的環形架構。與傳統的總線傳輸方式相比，釆用工業以太環網后,解決了電力系統信息量大、通信接口不暢、傳輸速率低的問題。各變電所的數據信息均匯集到以太環網中傳輸，維護簡單。

從空間分布上看，系統的節點設備從地面一直延伸至井下。井下節點設備可以是變電所的主站，也可以是某個區域的信息采集監控站，或者是協議轉換器。

（3）網絡產品的選型

由于煤炭行業的特殊性，普通交換機在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性等方面不能完全適應其環境的要求，且不能形成高速冗余環的連接方式，使用壽命也會大大降低。因而選用工業級的以太網交換機，本系統以摩莎公司生產的工業以太網交換機系列為核心，開發出礦用環網接入器：支持多種網絡拓撲結構和多重冗余方式，所有冗余結構在切換時，傳遞的數據延遲小于20ms,不會造成數據丟失問題。

（4）網絡冗余方式

為了進一步提高網絡的可靠性，釆用單環或雙環、多總線網絡結構實現網絡冗余功能。光纖環網冗余結構通過建立一個環狀的光纖以太網結構實現網絡冗余功能，減少了網絡單點故障，增強了整個通信網絡在突發情況下的適應能力。

（5）光纖傳輸

由于井下的工作環境復雜，大型設備會產生大量的電磁干擾，普通的銅質通信電纜極易受到這些干擾的影響，從而影響整個通信系統的正常運行。由于銅質通信電纜傳輸距離有限，不得不增加中繼設備，相應增加了成本和發生故障的可能性。采用礦用光纜可克服上述缺點，獲得較長的通信距離及較強的抗干擾能力，是用于井下環境的理想通信線路。

1.2數據釆集設備

（1）電力監控主站

KJF88和KJF99電力監控主站作為井下電力監控系統的關鍵設備，具有數據處理、遠程控制、圖象顯示及網絡遠程通信等功能。電力監控主站以嵌入式工控機為核心部件，基于WinCE操作系統，具有紅外人機對話接口，可同時釆集32路開關信息，有數據釆集處理能力和豐富的圖形操作工具，具有較高的可靠性和穩定性；配有接入2路視頻的嵌入式視頻服務器，將釆集的圖形以MPEG4格式通過以太網上傳，配合數據監控系統可實現變電所的無人職守。電力監控站的主要功能有：嵌入式計算機、液晶觸摸屏，紅外遙控；友好的人機界面，全漢化分層菜單式操作；以太網絡、CAN總線、485總線等各種接口；內置交換機，獨立連成光纖以太網；數據、視頻和語音傳輸；?故障錄波，統一對時；內置后備電源，為設備提供不小于4h的供電能力；監測控制保護功能獨立，完全不依賴于通信網；友好靈活的組態平臺。KJA9安全隔離器采用光電隔離技術，隔爆開關智能綜合保護單元的通信信號通過安全隔離器接入電力監控主站，實現監控設備非本安RS485信號轉為遠距離傳輸本安RS485信號，以確保電氣性能的安全。

1.3現場控制層

現場控制層主要包括直接針對供電設備的高、低壓開關的智能綜合保護器、電力參數變送器、監測裝置等。

（1）智能綜合保護器

CZB1系列智能綜合保護器適用于煤礦井下電網中性點不接地供電系統或中性點經消弧線圈接地系統，可對高爆開關進行監控和保護，及時將設備的電氣參數信息、設備工況以及故障信息及故障錄波數據通過電力監控主站發送到地面調度中心，同時也能夠接收地面調度主站發出的遙控、定值設定和信號復歸等命令，實現遠程操作功能。智能綜合保護器的特點：集保護、遙測、遙信、遙控及電量的積分累計功能于一體；以工業級DSP為主體，性能穩定、可靠。釆用表貼芯片、多重光電隔離、軟、硬件濾波、看門狗電路等技術，從硬件到軟件的設計都充分考慮了保護器的抗干擾能力；每周波24點釆樣，采用快速傅里葉算法，具有很高的保護和測量精度；大容量的高速存儲器用于保存保護定值和保護器動作事件,存儲故障錄波數據；大屏幕液晶顯示信息，紅外遙控，菜單操作、調試方便；后備電源能夠可靠運行2h以上，實現故障數據實時上傳和就地顯示功能；實時時鐘顯示功能，能就地修改和遠方自動校時；RS485或CAN總線網絡，可直接與微機監控或保護管理機聯網通信；故障事件追憶、長期記憶保護動作跳閘原因、故障動作時刻、故障動作值。多用途、高智能化的電力參數變送器.在一些煤礦井下變電所及各配電點可能還有許多老開關無電信號輸出。以高性能單片機為核心的KGD4B型電力參數變送器具有體積小、安裝方便等特點，可以直接安裝在開關內，有遙測、遙信和遙控等多種功能，可以直接釆集及顯示各類電參數，并具有事件順序記錄和實現時鐘同步功能，特別適合井下采區變電所等場合老開關的改造使用。同時還可以直接與中心站主機通信，將電力參數變送器送來的信息經安全隔離器隔離后，送到地面主機。

（2）系統主要功能與特點

可監測電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電量、開關合/分閘狀態等電力參數。具有過載、短路、斷相、漏電、絕緣監視等綜合保護功能?？稍诘孛嬷鳈C上對井下智能隔爆開關進行分/合閘控制、定值整定、故障診斷等。實時數據顯示報警事件記錄，具有不同的告警權限和告警方式。電網運行設備發生故障時，自動記錄繼電保護、控制裝置和斷路器動作的時間和狀態,實現圖表、曲線、事故追憶的數據釆樣和保存功能。豐富的圖形編輯及顯示功能，在畫面上可以根據設備的具體情況直接控制設備，對保護設備進行查詢、調整和復歸操作等。具有報表制作、顯示、打印功能，可統計和計算數據。提供GPRS時鐘或計算機時鐘對時，包括對監控站、微機保護裝置等的統一對時，便于判斷電網開關越級跳閘等故障,并具有故障錄波分析功能。使用網絡瀏覽器，通過局域網或撥號網絡完成系統數據保存功能，包括畫面、報表、系統運行信息的査看。系統接口、協議豐富，易于異構系統的互聯互通集成，實現與全礦井綜合自動化系統的無縫連接。系統擴展性好，本系統以變電所為單位，變電所的增加只需將數據通道接入主傳輸通道。通過網絡實現系統遠程診斷、復制更改用戶系統的配置文件和系統數據等功能。

2.安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

2.1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、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發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化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，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，可實現對變電站全方位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

2.2應用場所

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

2.3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、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

2.4系統功能

（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、告警等信號。

（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。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

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

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

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

（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。

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

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

（11）遙控功能：可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

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

（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態信息。

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

（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。

2.5系統硬件配置

應用場合	型號	圖 片	保護功能
電力監控系統	Acrel- 2000Z

	電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
網關	ANet- 2E8S1

	8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持斷點續傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GBSD卡（32GB）、支持不同協議向多平臺轉發數據；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC220V，導軌式安裝。
35kV/10kV/6kV 微機保護裝置	AM6-*AM5SE-*

	適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/備自投等中高壓柜微機保護
35kV/10kV/6kV 弧光保護	ARB5-M

	主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監測（4組）、11個跳閘出口；
ARB5-E	擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號：
ARB5-S

	弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域；
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監測	APView500

	相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議。
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節點測溫	ASD500		5寸大液晶彩屏動態顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出；
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量	APM830

三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示；

35kV/10kV/6kV 高壓柜除凝露溫濕度控制器

WHD72面板式

	支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。
WHD20R導軌式

	支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。
變壓器繞組 溫度檢測	ARTM-8

	8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出；
0.4KV低壓進出線柜接頭測溫	ARTM-Pn-E

	無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊；
ATE400		合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米；
0.4KV低壓柜內環境溫濕度	AHE100

	無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換）
ATC600

	兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸的數據，1路485,2路報警出口。
0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表	AEM96

	三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表	AEM72

三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級

3.結語

KJ36A型煤礦電力監控系統利用網絡技術使電網調度人員可迅速而準確地獲得各變電所運行的實時信息，完整地掌握變電所的實時運行狀態，及時發現電力設備運行中的故障，并作出相應的決策和處理，同時可以使值班管理人員根據設備運行情況進行負荷分析、合理調度、遠控合分閘、避峰填谷，以減少和避免誤操作、誤判斷,縮短事故停電時間。該系統已在柴里礦、許廠礦和梁寶寺礦等幾十個煤礦安裝使用，具有可靠性高、抗干擾能力強、實時性好及維護簡單等特點，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]王海波，史友仁.煤礦電力監控系統的研究與應用

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

審核編輯 黃宇