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(guān)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(guān)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(guān)內(nèi)溫度等模擬量;檢測開關(guān)的位置狀態(tài)及實驗按鈕狀態(tài)；能對開關(guān)進行正常分、合閘操作；能在上位機對饋電開關(guān)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(guān)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(guān)設備的運行參數(shù)和狀態(tài)通過開關(guān)綜合保護單元采集并輸出，電力監(jiān)控站和開關(guān)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(guān)的操作及相關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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。