浅谈基于以太网的煤矿电力监控系统的设计与应用
时间：2022-11-10 阅读：981
摘 要：针对传统煤矿电力监控系统通讯网络性能较差、无法实现准确故障定位及报警、不具备数据交互功能等问题，结合分布式网络及GPS授时技术设计了一套基于工业以太网及RS485总线架构的煤矿电力监控系统，可实现对井下供电网络及设备的远程监控、故障定位报警及各类开关保护动作的远程操作，从而实现井下供配电的无人值守，有效降低煤矿电网事故发生率，提高井下电网的供电质量及可靠性。
关键词：煤矿；电力监控系统；工业以太网；RS485
0引言
煤矿供配电系统是维持整个煤矿采掘、运输、通 风、排水等重要电气设备正常工作及提供日常照明等用电的重要支撑,其运行可靠性及稳定性是煤矿安全高效生产的重要技术保障。由于煤矿供配电系统时常会出现负荷波动剧烈、无计划停电、越级跳闸及故障排查困难等问题，因此容易引发瓦斯、煤尘爆炸等严重安全事故。为了有效减少煤矿事故发生概率，提高煤矿供配电综合管理水平及效率，需对煤矿供配电系统采用一体化实时监控方案，进而更好地实现煤矿各变电所的无人值守功能。
本文针对35 kV及以下变电站安全监控开发研制了煤矿电力监控系统，对该煤矿现有的电力监控系统进行升级改造，主要内容包括地面电力调控中心优化设计及地面35 kV变电所.1360水平井下变电所、1100水平井下变电所优化设计，采用以太环网及RS485对通讯系统进行重新架构，并对井下变电所内的监控分站和高低压开关综保装置等重要设备进行智能化升级，从而建立了一套技术先进、功能完整、易于管理的煤矿井下电力监控系统。
1煤矿电力监控系统总体方案设计
1. 1 煤矿电力监控系统架构
本监控系统主要由三部分构成，分别为地面监控主站、电力监控分站及综合保护单元，系统整体结构如图1所示。地面监控主站主要由两台监控计算机、打印机、交换机和UPS电源等设备组成，用于井下供电运行数据的实时显示及高开综保装置远程操作等指令的下达，其中监控主站采用双机热备份方式，保证系统可靠性电力监控分站用于井下各供电设备运行数据的采集、处理与转发，其中高低压开关综合保护装置的通讯信号作为一组共同接入监控分站。系统的通讯平台架构采用工业以太环网加现场总线的组合通讯方式,井下各变电所内电气设备的运行状态参数由井下电力监控分站通过RS485总线通讯方式及协议转换进行采集，实现数据的就地集中监测。同时监控分站通过光纤以太环网与监控主站实现数据交互， 将各运行数据集中上传至监控主站。
图1电力监控系统总体结构
1.2 GPS对时子系统
为保证全系统运行显示时间准确一致，在原系统基础上设计了 GPS对时子系统,通过地面调控中心加装的GPS对时装置从GPS卫星获取标准时间信号， 并将该时间信号通过各类接口实时传输至监控主机、 综保装置、故障录波器、远程RTU等需要时间信息的主要通讯设备，从而使整个系统的运行时间达到同步。
1.3 数字视频录像子系统
本文设计了数字视频录像子系统用于加强对井下各变电所及供电设备的实时监控，通过在电力系统平台中加装的网络硬盘录像机和现场的固定式及云台摄像头对井下所有供电场所及设备进行实时数字视频采集。同时配置大容量硬盘将所有录像数据进行实时存储，存储时间不低于一个月。数字视频录像子系统结构如图2所示。
图2数字视频录像子系统结构
2硬件方案设计
本监控系统硬件设计方案主要分为地面调控中心硬件设计及井下供电监控硬件设计。其中地面调控中心硬件除原系统具备的数据服务器、监控计算机、UPS电源外，还包括GPS对时子系统及数字视频录像子系统中的GPS对时器、网络硬盘录像机等设备。井下硬件设计方案主要包括各井下监控分站及高低压开关综保装置的升级改造，从而实现系统的不间断运行及防越级功能。
本文采用GPS对时装置实现全系统运行时间的实时校准同步。数字视频录像子系统中的硬盘录像机可保证录像子系统可靠运行。井下监控分站是实现井下数据上传及监控主站控制指令执行的重要设备，满足本系统数据传输及采集需求。 由于井下高压电网大多数供电线路较短，线路阻抗小,且运行方式差异较大，在发生短路故障时容易发生越级跳闸，严重影响煤矿安全生产。因此，本文对原系统井下高低压开关综合保护装置进行改造，将其更换为具有防越级跳闸功能的智能保护器，并增设远近控模块实现井下分合闸智能控制。
本系统对井下高压开关及低压馈电开关进行保护，除了具备常规保护装置的功能外，还可通过系统级联及网络组网与地面保护形成实时防越级跳闸网络。
系统在井下所有高压开关、低压馈电及照明综保等受控设备进行远近控改造，从开关引出的线缆接入井下监控分站，监控分站通过控制中间继电器实现远近控，系统改造线路如图所示。通过该远近控改造后系统可在任意时刻分闸，而合闸需在远近控状态下进行，从而保证安全检修。
图3接线图
3软件方案设计
煤矿电力监控平台主要功能包括数据采集、数据统计计算、远程控制调节及数据管理等，其中系统及线路的负荷率统计可根据采集数据对风机、中央变电所等位置的电压、电流等主要电参数进行实时曲线绘制，可从地面调控中心更直观监测系统各个部分的运行状态。
在常规报警功能基础上，系统还添加了时间顺序记录功能，当井下供电设备发生故障并报警后，系统可自动按时间顺序记录继保装置及断路器开断的时间并上传至数据服务器用于后续事故分析。时间顺序记录.
4安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案
4.1概述
针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。
Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。
4.2应用场所
适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。
4.3系统架构
Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。
4.4系统功能
4.4.1 实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。
4.4.2 电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。
4.4.3 曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。
4.4.4 运行报表：查询各回路或设备时间的运行参数。
4.4.5 实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。
4.4.6 历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
4.4.7 电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。
4.4.8 用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。
4.4.9 网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。
4.4.10 电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。
4.4.11 遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。
4.4.12 故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。
4.4.13 事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。
4.4.14 Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。
4.4.15 APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。
4.5系统硬件配置
5 结束语
本文为适应煤矿供电安全监控要求，基于工业以太网及现场总线通讯技术设计了一套监测参数、数据交互性强的智能煤矿电力监控系统，并增加了 GPS实时授时、数字视频录像及防越级跳闸等功能,可实现煤矿供电设备及网络运行状态的实时监测与调控，保证煤矿供电系统安全稳定运行。
参考文献：
[1]成泽军.基于工业以太网的煤矿电力监控系统设计
[2]张翠云，王福忠.基于RS-485总线的煤矿井下供电远程监控系统[J].矿山机械,2007(5):120-121.
[3] 郑效田，郑丰隆，赵西红，等.基于Web技术的煤矿井下供电电网实时监控系统[J].工矿自动化,2004(6):39-40.
[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版本
作者简介：
柏为为，男，安科瑞电气股份有限公司，主要从事电力监控系统的研发与应用。