淺談煤礦電力監控系統的設計與應用

摘要：本文介紹了自動化電力控制系統的概念、優勢和組成，簡要分析了電力監控設備軟件設計的不足，并指出了電力監控系統在煤礦多種場合的應用，期望給煤礦電力設備自動化監管平臺建設提供有益的思考。

關鍵詞：煤礦，自動化，電力監控系統

0引言

隨著科學技術的進步，許多煤礦企業為不斷降低生產成本、減輕員工的勞動強度在生產過程中引入自動化電力監控設備,大大提高了企業生產效率。目前，煤礦企業普遍釆用的供電系統電力監控設備主要依靠微機設備實現，雖然該技術投入使用時間較長，技術成熟度較高，但在監控軟件設計、自動化控制、系統程序優化等方面存在不足。為了實現對煤礦電力系統的高效監控，需要加強優化電力軟件和系統設計能力，將完善的電力監控體系引入煤礦建設和生產，實現在煤炭工業中多方面的應用。

1自動化電力控制系統的概述

1.1自動化控制技術概念

自動化控制技術是一項在工農業領域廣泛使用，包含機械、電氣等學科自動化設計及自動化控制的相關理論和技術的總和。自動化技術的顯著特點是智能化、信息化，通過現代化的控制技術和手段，解放了勞動力，提高了單位生產效率，避免了員工置身于危險、繁重、低效的工作環境中。自動化控制技術反映了現代工業的發展進步,煤炭工業電力控制系統也在不斷完善自動化電力管網建設，使得煤礦生產更加安全、高效。近年來,物聯網、5G技術等技術的興起為電力系統自動化建設提供了物質和技術支撐，國家和社會層面逐漸深入討論了自動化技術發展和應用,煤礦企業應加強電力自動化技術研究，充分挖掘自動化技術在電力監控系統的應用渠道，以推動我國煤炭工業長期健康發展。

1.2自動化控制的優勢

傳統煤礦開采屬于人員密集性行業，井下生產大多依賴人工方式,工作效率低下，人員暴露在高溫、高濕、多粉塵的作業環境中，存在多種安全生產隱患。而自動化控制的顯著優勢是將運行過程和管理方式自動化，大大減少了從業人員的投入數量，提高了電力設備運行的安全性。在煤礦電力設備監管中引入自動化技術和裝備，一方面，可以降低勞動者暴露在危險環境的頻次，保障從業人員的生命和企業財產安全;另一方面，可以提升煤礦井下裝備利用自動化的水平，以及對危險介質和因素監測的精度和效率,克服了以往人工監測的弊端，有利于建立監測、分析、預警為一體的電力設備自動化監測平臺。電力監控系統自動化平臺建設可以實現24h不間斷、全方位的有效監測，有效銜接電氣設備監管的各環節，以提升電力設備安全管理的水平。一旦電力設備任意環節出現故障，通過自動化監測平臺能夠快速監測故障來源，判斷故障類型和危害度，為后續電氣設備檢修提供有益的方案，有效避免了人工監視易產生的疏漏、監管不力等弊端,提高了井下電氣設備安全監管能力，延長了設備的使用壽命。

1.3煤礦電力監控系統的組成

目前，我國多數煤礦電力監控系統的結構大致可以分為地面監控系統、監控和通訊設備以及其他保障設備3層。地面監控系統是自動化電力監控平臺的核心部件，也是煤礦地面安全監控網絡建設的重要內容。地面監控系統包括監控計算機、操作軟件、網絡服務器、USP電源等設備，地面監控系統的操作軟件具有客戶端和瀏覽器的雙重功能，拓寬了裝置運營環境,采用與煤礦運營要求相符的組態軟件可以進一步優化電力監控網絡層級，達到信息共享和遠程監控的目的。煤礦電力監控平臺正常運作主要依靠以太網的橋梁作用，在地面監控站與地下接收站、通訊接口與通訊接口、通訊接口與接收分站之間均依靠以太網進行信息遠距離傳送，從而實現對井下工作環境和設備狀態的全天候、不間斷監視和管理。煤礦電力監控自動化平臺體系的基礎是設備層,其主要包括高、低壓配電柜、配電開關、繼電保護設備、電力傳感設備、電路信號測量設備等，應搜集關于井下電氣設備各項運行參數的詳細信息，并通過以太網傳送給地面電力監控平臺進行分析和處理。

2煤礦電力監控系統的設計

2.1遠程控制和監視系統的設計

在煤礦自動化電力設備監控系統的建設過程中，一個直接的用途是實現變電設備的遠程遙控和監視功能，而上述功能的實現需要大量電氣監測數據的支持，為此，需要在井下變電站傳輸單元配置防爆千兆光纖傳輸設備，以保障數據傳輸的需要。利用智能終端收集井下電氣設備工作參數，將控制設備開關的斷路器連接在每個智能終端，方便電氣設備管理人員在安全范圍內遠程操作變電站斷路器的斷開與閉合，實現對電力設備的智能化遠程監控。建設煤礦電力設備監控設備時，在變電站調度室安裝自動追蹤攝像探頭，不間斷監視變電站重要裝置參數和斷路器，并根據需要調整監控探頭的角度，達到遠程監視員工行為和重要電氣設備的目的。要想順利運轉上述的遠程控制和監視系統，除了需要安裝防爆千兆電纜，還需要構建變電站環形網絡，對電氣設備的信息數據進行分類、分組傳輸，以避免發生數據擁擠、數據延遲等數據傳輸故障。

2.2變電站自動化監控軟件的設計

變電站自動化監控軟件設計的初衷是為井下中央變電室的電源系統提供安全保護，防止高壓電路電流出現過載現象，下文以SCADA自動監控系統為例進行說明。煤礦重點變電站過載保護裝置主要由饋線保護、總線耦合器和母線接收器等部件組成，當中央變電站饋線保護系統監測到電路電流超過規定值的80%時,過載保護單元發送故障信號。當饋電線路故障進一步惡化，接近甚至達到饋線保護程度的設定值時，過載保護會引導斷路器跳閘防止災害擴大。過載保護可以加快電流過載故障判定的速率，使電氣設備安全指數更高，因此，煤礦自動化電力監控軟件SCADA體現了電氣監控系統的安全性與穩定性。但該監測軟件使用過程也暴露出一些問題，例如，軟件代碼穩定性不足導致儲存信息碎片化、分布式模塊設計將相同功能分配至不同板塊、通信設備和服務器的待機模式無法提高系統可靠性等問題，需要煤礦電氣工程技術人員根據具體應用需求進一步優化相關設計。

2.3電力自控系統內部的設計

設計電力自控系統內部時，應根據煤礦企業對自動控制模塊的功能要求開展相對應的設計工作。井下電力系統監控應具備“四遙”功能，包括CPU模塊、數據存貯模塊、控制模板和GPRS/CDMA數據通信模塊，要求各部分模塊相互配合，快速査找故障節點，根據信息反饋的故障類型采取處置手段，并將故障檢修過程記錄后保存在數據庫以備日后查驗。井下電力自控系統搭載的保護裝置應具備聯網功能，方便升級改造系統軟件;根據不同電力控制設備的類型和應用場景，綜合考慮設置保護參數及多種控制策略，以滿足井下生產對電力控制調節的要求。此外，電力自控系統應實時監測各設備的運行狀態，及時分析采集的數據，并匯總成圖表和歷史曲線，方便電氣設備操作人員更加快速、直觀地了解電氣設備運行參數，進而根據生產變化調節保護參數，確保各電氣裝置順利開展工作。

3自動化電力監控系統在煤礦的應用

3.1煤礦電力智能化監控平臺的應用

煤礦電力智能化監控平臺能有機整合本礦區所有電氣設備，主扇風機機房、提升機房、主泵機房等動力設備通過集控技術整合，經過交換機和光纖設備實現信息交換,調控各系統間的參數細節,*終利用數據傳輸終端連接現場數據與遠程控制中心，實現井下電氣設備運行狀況的平臺化管理。在煤礦自動化控制平臺環境中，電氣設備管理人員可通過一個用戶界面的數據庫管理井下多臺電氣設備,大大節省了系統接口的成本，減少了電氣設備的配件釆購和應用數量。此外，工程技術人員維護和保養電氣設備時，借助智能化監控平臺,依靠數字化編程和監控軟件的應用，可不斷優化電氣設備檢修程序，縮小非必要、重復性檢修范圍，大大節省了電氣設備管理和維護成本。

3.2在煤礦變電站場所的應用

變電站是維持煤礦電氣設備正常運轉的核心設備，將自動化、智能化控制手段引入煤礦中央變電站控制平臺，可實現計算機技術與煤礦輸電供電技術的深度融合，便于煤礦電網數字化、自動化管理。在煤礦變電站的日常管理中，解決不同電源間的電位差問題保障電氣設備正常工作是重點話題,這需利用等電位連接技術。鑒于煤礦電氣設備內部結構比較復雜，若不能有效控制等電位的連接方式，極有可能造成電氣設備實際功率不穩定而發生故障。因此，需要將電氣自動化技術引入煤礦變電站管理平臺，一方面嚴格控制等電位連接路徑，另一方面合理規劃電氣設備網絡分布，不斷優化相似功率電氣設備位置分配，提高電氣設備等電位連接的可靠性。同時，煤礦電力監控智能平臺可將電氣裝置模擬數據、脈沖數據等實時運行數據反饋至中央控制室，方便電氣設備控制人員遠距離調節斷路器的斷開和閉合，*終實現井下電氣設備的平穩高效運轉。

3.3在電氣設備管理方面的應用

在電氣設備管理方面，一些煤礦企業傾向于采用人工方式管理電氣設備，很容易因人員主觀因素導致電氣設備運行偏差，高度依賴電氣工程技術人員的個人經驗，經過多次檢驗排查后才能消除電氣設備故障，增加了企業生產性成本。為此,煤礦企業管理人員應高度重視自動化電力監控設備的使用價值，引入*新的電力監管設備和技術充實現有電氣設備管理模式?，F代煤礦電氣設備管理通常釆用以太網作為信息溝通的橋梁，引入多種煤礦開采機械化設備和運輸設備,充分整合礦山電力監控系統、煤炭運輸及保護系統、井下通風排水系統等自動化遠程控制平臺，將多設備、多功能的監控技術應用在煤礦生產，降低了煤礦企業電力設備運營成本，提升了企業電氣設備整體的安全性和穩定性。

3.4在電力通信方面的應用

在電力通信設備應用方面，煤礦自動化電力監視系統也有廣泛的應用環境。數據服務器作為一種電氣信號數字化處理中樞，不但能監控智能控制平臺的參數，還能利用Web服務器進行適當的數字運算，大大拓寬了電氣設備監管平臺的應用場景，例如，數據服務器可以估算電氣設備運行參數的上、下限模擬量，并針對電氣設備釆集電路學參數進行周期性存儲，方便隨時調用電氣設備的運行數據。在通訊服務器環節，釆用防爆千兆光纖傳輸數據,將數據服務器、監控工作站以及變電所之間通過數據連接，利用以太網模式將各服務器接口模式兼容,實現了電氣設備監控數據、數字信號轉化、數字格式化等工作的高效銜接。在實際電力通信設備管理中，許多煤礦企業采用雙機備用系統以保障井下、井上電氣設備的連通，在不影響電力監控設備使用需求的前提下，實現電力設備互為備用，避免單一設備損壞影響整體電力監控系統的正常運行。

4.安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

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。

4.2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。

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。

4.5系統硬件配置

	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

	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

5結論

綜上所述，自動化電力監控系統是一項推動煤礦企業監視和調節電氣設備運行的關鍵性技術，值得煤礦企業管理人員高度重視。目前，在煤礦企業普遍推進數字化管理的背景下，通過優化遠程控制和監視系統設計、變電站自動化控制系統設計、電力自控系統內部設計，滿足了自動化電力監控設備在監控平臺建設、變電站場所、電氣設備管理和電力通信設備的應用，實現了電力設備的自動化、智能化管理，應不斷將煤礦電力監測系統推向更加正確、科學的管理模式。

參考文獻

[1]徐瑩瑩.漳村煤礦電力監控系統升級改造與應用[j].同煤科技,2019(4)：4d2.

[2]曾祥林.基于多協議融合的煤礦電力監控系統在智能電網中的應用研究[J].今日電子,2018(9):61-62.

[3]梁智清.煤礦電力監控系統的設計與應用

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

審核編輯 黃宇