任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：文章詳細介紹了KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的3層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形式，即綜合監(jiān)控信息管理層、信息處理與監(jiān)控層、現(xiàn)場控制層，并分析了這3層網(wǎng)絡所實現(xiàn)的功能，闡述了KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能與特點。該系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)、分布式網(wǎng)絡技術(shù)，可對煤礦供電系統(tǒng)實施一體化的實時監(jiān)控，實現(xiàn)礦井電網(wǎng)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(tǒng)運行效果好，完quan滿足當前礦井安全生產(chǎn)和管理的要求。

關鍵詞：煤礦；電力監(jiān)控系統(tǒng)；網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；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(chǎn)環(huán)節(jié)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(chǎn)帶來更大的安全事故，因此，煤礦供配電系統(tǒng)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(shù)成果的同時，不斷強化人員素質(zhì)的管理，使煤礦井下供電系統(tǒng)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(fā)生，影響了煤礦的安全生產(chǎn)。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(chǎn)率較低。因而，對井下供電系統(tǒng)實施微機保護和監(jiān)控以及實現(xiàn)變電所無人值守就顯得十分迫切。就目前的煤礦供電系統(tǒng)而言，雖然微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)也得到了應用，但主要是針對地面供電系統(tǒng)，用于井下的微機保護和監(jiān)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(qū)內(nèi)配電設備的聯(lián)網(wǎng)功能較弱。實現(xiàn)井下變電所無人值守，就是要實現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)"四遙功能和各種保護功能以及遙視功能：能檢測釆區(qū)變電所每次出線的電流、電壓、功率、因數(shù)、開關內(nèi)溫度等模擬量;檢測開關的位置狀態(tài)及實驗按鈕狀態(tài)；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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜,釆區(qū)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(chǎn)環(huán)節(jié)，供電負荷種類繁多、區(qū)域分布廣、負荷工作場所地質(zhì)條件復雜，且存在著瓦斯、煤塵、水等有害介質(zhì)，影響供電系統(tǒng)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(shù)先進、功能更為完善的煤礦安全供電系統(tǒng)是非常必要的。KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)是針對煤礦供配電系統(tǒng)的特點，采用地面電力自動化系統(tǒng)的*新技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式網(wǎng)絡技術(shù)等開發(fā)的新一代煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，可對煤礦地面和井下10kV及以下供電系統(tǒng)實施一體化的實時監(jiān)控，實現(xiàn)礦井變電所的無人值守。該系統(tǒng)為礦井電網(wǎng)的安全運行提供了現(xiàn)代化的管理手段。

1.KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1綜合監(jiān)控信息管理層

本系統(tǒng)根據(jù)用戶的不同要求，在地面建立面向全礦的計算機監(jiān)控信息管理網(wǎng)絡。網(wǎng)絡具有對圖形、語音、數(shù)據(jù)和文字等多媒體的存儲傳輸和交互作用等處理能力。系統(tǒng)平臺基于Windows操作系統(tǒng)，以VC卄為開發(fā)工具，實現(xiàn)以多任務調(diào)度系統(tǒng)管理SCADA系統(tǒng)平臺及平臺上的應用，并調(diào)整運行過程中的數(shù)據(jù)和功能。系統(tǒng)采用功能和數(shù)據(jù)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(diào)度系統(tǒng)監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀況。

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

1. 可實現(xiàn)地面變電所的監(jiān)控及井下中央變電所、采區(qū)變電所及各配電點的電力監(jiān)控；

2. 視頻圖象網(wǎng)上壓縮傳輸，在各個工作站既能看到所有數(shù)據(jù)信息，又能同時觀察到每個攝像點的信號；

3. 對外接口豐富，與其它系統(tǒng)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；

4. 實現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)"四遙功能和各種保護功能以及遙視功能；

5. 所有信息在工作站上都可用瀏覽器瀏覽，并實現(xiàn)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(tǒng)，提供以部頒CDT通信規(guī)約(或其它標準規(guī)約)為數(shù)據(jù)協(xié)議的標準RS232/RS485/LAN通信接口，通過設在地面的環(huán)網(wǎng)交換機將地面變電站綜合自動化系統(tǒng)接入KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺計算機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

井下變電所內(nèi)開關設備的運行參數(shù)和狀態(tài)通過開關綜合保護單元采集并輸出，電力監(jiān)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(shù)由電力監(jiān)控站通過設在各個變電所的環(huán)網(wǎng)交換機接入井下以太網(wǎng)，采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)終J36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺計算機。

1.2信息處理與監(jiān)控層

信息處理與監(jiān)控層以監(jiān)測和控制中產(chǎn)生的信息為來源，通過網(wǎng)絡直接參與對各開關的操作及相關環(huán)節(jié)之間的調(diào)度協(xié)調(diào)。

（1）主干網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形式

本系統(tǒng)主干網(wǎng)絡釆用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)光纖傳輸(工業(yè)以太網(wǎng)100Mbps/1000Mbps),能將礦井各變電所信息連接到系統(tǒng)平臺上，本系統(tǒng)往下能對礦井內(nèi)各高低壓開關發(fā)布控制命令，監(jiān)視設備的運行狀態(tài)，收集所需的參數(shù)以及整定開關數(shù)值;往上能連接信息管理網(wǎng)，實現(xiàn)管理信息的交換功能。

根據(jù)煤礦的特點，系統(tǒng)控制網(wǎng)絡滿足以下要求：

設備選型符合有關標準和行業(yè)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(wǎng)絡信道的冗余，確保網(wǎng)絡通路的安全。當系統(tǒng)某一子系統(tǒng)的通信或元器件出現(xiàn)故障時，不影響其它子系統(tǒng)的通信和整個網(wǎng)絡的傳輸性能。隨著礦井建設規(guī)模進程能做到整體規(guī)劃、分步實施，并能隨著技術(shù)的發(fā)展方便升級，可靠性高、穩(wěn)定性強、人機界面友好、操作簡單、維護方便。充分考慮了系統(tǒng)平臺和數(shù)據(jù)的安全性。具有可靠的身份認證機制、數(shù)據(jù)備份和病毒防護功能，具有防止黑ke侵擾的有效措施。

（2）網(wǎng)絡控制層

基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸介質(zhì)采用雙絞式單模礦用阻燃型光纜，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)釆用基于光纖以太網(wǎng)的環(huán)形架構(gòu)。與傳統(tǒng)的總線傳輸方式相比，釆用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)后,解決了電力系統(tǒng)信息量大、通信接口不暢、傳輸速率低的問題。各變電所的數(shù)據(jù)信息均匯集到以太環(huán)網(wǎng)中傳輸，維護簡單。

從空間分布上看，系統(tǒng)的節(jié)點設備從地面一直延伸至井下。井下節(jié)點設備可以是變電所的主站，也可以是某個區(qū)域的信息采集監(jiān)控站，或者是協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

（3）網(wǎng)絡產(chǎn)品的選型

由于煤炭行業(yè)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quan適應其環(huán)境的要求，且不能形成高速冗余環(huán)的連接方式，使用壽命也會大大降低。因而選用工業(yè)級的以太網(wǎng)交換機，本系統(tǒng)以摩莎公司生產(chǎn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機系列為核心，開發(fā)出礦用環(huán)網(wǎng)接入器：支持多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和多重冗余方式，所有冗余結(jié)構(gòu)在切換時，傳遞的數(shù)據(jù)延遲小于20ms,不會造成數(shù)據(jù)丟失問題。

（4）網(wǎng)絡冗余方式

為了進一步提高網(wǎng)絡的可靠性，釆用單環(huán)或雙環(huán)、多總線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余功能。光纖環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)通過建立一個環(huán)狀的光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余功能，減少了網(wǎng)絡單點故障，增強了整個通信網(wǎng)絡在突發(fā)情況下的適應能力。

（5）光纖傳輸

由于井下的工作環(huán)境復雜，大型設備會產(chǎn)生大量的電磁干擾，普通的銅質(zhì)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(tǒng)的正常運行。由于銅質(zhì)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(fā)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(huán)境的理想通信線路。

1.2數(shù)據(jù)釆集設備

（1）電力監(jiān)控主站

KJF88和KJF99電力監(jiān)控主站作為井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵設備，具有數(shù)據(jù)處理、遠程控制、圖象顯示及網(wǎng)絡遠程通信等功能。電力監(jiān)控主站以嵌入式工控機為核心部件，基于WinCE操作系統(tǒng)，具有紅外人機對話接口，可同時釆集32路開關信息，有數(shù)據(jù)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(wěn)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(wǎng)上傳，配合數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)變電所的無人職守。電力監(jiān)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(wǎng)絡、CAN總線、485總線等各種接口；內(nèi)置交換機，獨立連成光纖以太網(wǎng)；數(shù)據(jù)、視頻和語音傳輸；®故障錄波，統(tǒng)一對時；內(nèi)置后備電源，為設備提供不小于4h的供電能力；監(jiān)測控制保護功能獨立，完quan不依賴于通信網(wǎng)；友好靈活的組態(tài)平臺。KJA9安全隔離器采用光電隔離技術(shù)，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(jiān)控主站，實現(xiàn)監(jiān)控設備非本安RS485信號轉(zhuǎn)為遠距離傳輸本安RS485信號，以確保電氣性能的安全。

1.3現(xiàn)場控制層

現(xiàn)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(shù)變送器、監(jiān)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(wǎng)中性點不接地供電系統(tǒng)或中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，可對高爆開關進行監(jiān)控和保護，及時將設備的電氣參數(shù)信息、設備工況以及故障信息及故障錄波數(shù)據(jù)通過電力監(jiān)控主站發(fā)送到地面調(diào)度中心，同時也能夠接收地面調(diào)度主站發(fā)出的遙控、定值設定和信號復歸等命令，實現(xiàn)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(yè)級DSP為主體，性能穩(wěn)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(shù)，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(shù)據(jù)；大屏幕液晶顯示信息，紅外遙控，菜單操作、調(diào)試方便；后備電源能夠可靠運行2h以上，實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)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(wǎng)絡，可直接與微機監(jiān)控或保護管理機聯(lián)網(wǎng)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(shù)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(shù)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(nèi)，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(shù)，并具有事件順序記錄和實現(xiàn)時鐘同步功能，特別適合井下采區(qū)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(shù)變送器送來的信息經(jīng)安全隔離器隔離后，送到地面主機。

（2）系統(tǒng)主要功能與特點

可監(jiān)測電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電量、開關合/分閘狀態(tài)等電力參數(shù)。具有過載、短路、斷相、漏電、絕緣監(jiān)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(shù)據(jù)顯示報警事件記錄，具有不同的告警權(quán)限和告警方式。電網(wǎng)運行設備發(fā)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(tài),實現(xiàn)圖表、曲線、事故追憶的數(shù)據(jù)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(jù)設備的具體情況直接控制設備，對保護設備進行查詢、調(diào)整和復歸操作等。具有報表制作、顯示、打印功能，可統(tǒng)計和計算數(shù)據(jù)。提供GPRS時鐘或計算機時鐘對時，包括對監(jiān)控站、微機保護裝置等的統(tǒng)一對時，便于判斷電網(wǎng)開關越級跳閘等故障,并具有故障錄波分析功能。使用網(wǎng)絡瀏覽器，通過局域網(wǎng)或撥號網(wǎng)絡完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存功能，包括畫面、報表、系統(tǒng)運行信息的査看。系統(tǒng)接口、協(xié)議豐富，易于異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通集成，實現(xiàn)與全礦井綜合自動化系統(tǒng)的無縫連接。系統(tǒng)擴展性好，本系統(tǒng)以變電所為單位，變電所的增加只需將數(shù)據(jù)通道接入主傳輸通道。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)遠程診斷、復制更改用戶系統(tǒng)的配置文件和系統(tǒng)數(shù)據(jù)等功能。

2.安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)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(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、用電的安全運行和全面管理。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(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，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quan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(wěn)定、經(jīng)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(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。

2.3系統(tǒng)架構(gòu)

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(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

2.4系統(tǒng)功能

（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。

（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(shù)。

（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。

（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。

（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。

（8）用戶權(quán)限管理：設置了用戶權(quán)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(quán)限。

（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(jié)構(gòu)。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

2.5系統(tǒng)硬件配置

3.結(jié)語

KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)利用網(wǎng)絡技術(shù)使電網(wǎng)調(diào)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(tài)，及時發(fā)現(xiàn)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(jù)設備運行情況進行負荷分析、合理調(diào)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。