淺談基于以太網的煤礦電力監控系統的設計與應用

更新時間：2022-11-11

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對傳統煤礦電力監控系統通訊網絡性能較差、無法實現準確故障定位及報警、不具備數據交互功能等問題，結合分布式網絡及GPS授時技術設計了一套基于工業以太網及RS485總線架構的煤礦電力監控系統，可實現對井下供電網絡及設備的遠程監控、故障定位報警及各類開關保護動作的遠程操作，從而實現井下供配電的無人值守，有效降低煤礦電網事故發生率，提高井下電網的供電質量及可靠性。

關鍵詞：煤礦；電力監控系統；工業以太網；RS485

0 引言

煤礦供配電系統是維持整個煤礦采掘、運輸、通風、排水等重要電氣設備正常工作及提供日常照明等用電的重要支撐,其運行可靠性及穩定性是煤礦安全高效生產的重要技術保障。由于煤礦供配電系統時常會出現負荷波動劇烈、無計劃停電、越級跳閘及故障排查困難等問題，因此容易引發瓦斯、煤塵爆炸等嚴重安全事故。為了有效減少煤礦事故發生概率，提高煤礦供配電綜合管理水平及效率，需對煤礦供配電系統采用一體化實時監控方案，進而更好地實現煤礦各變電所的無人值守功能。

本文針對35 kV及以下變電站安全監控開發研制了煤礦電力監控系統，對該煤礦現有的電力監控系統進行升級改造，主要內容包括地面電力調控中心優化設計及地面35 kV變電所.1360水平井下變電所、1100水平井下變電所優化設計，采用以太環網及RS485對通訊系統進行重新架構，并對井下變電所內的監控分站和高低壓開關綜保裝置等重要設備進行智能化升級，從而建立了一套技術先進、功能完整、易于管理的煤礦井下電力監控系統。

1 煤礦電力監控系統總體方案設計

1.1 煤礦電力監控系統架構

本監控系統主要由三部分構成，分別為地面監控主站、電力監控分站及綜合保護單元，系統整體結構如圖1所示。地面監控主站主要由兩臺監控計算機、打印機、交換機和UPS電源等設備組成，用于井下供電運行數據的實時顯示及高開綜保裝置遠程操作等指令的下達，其中監控主站采用雙機熱備份方式，保證系統可靠性電力監控分站用于井下各供電設備運行數據的采集、處理與轉發，其中高低壓開關綜合保護裝置的通訊信號作為一組共同接入監控分站。系統的通訊平臺架構采用工業以太環網加現場總線的組合通訊方式,井下各變電所內電氣設備的運行狀態參數由井下電力監控分站通過RS485總線通訊方式及協議轉換進行采集，實現數據的就地集中監測。同時監控分站通過光纖以太環網與監控主站實現數據交互，將各運行數據集中上傳至監控主站。

圖1 電力監控系統總體結構

1.2 GPS對時子系統

為保證全系統運行顯示時間準確一致，在原系統基礎上設計了 GPS對時子系統,通過地面調控中心加裝的GPS對時裝置從GPS衛星獲取標準時間信號，并將該時間信號通過各類接口實時傳輸至監控主機、綜保裝置、故障錄波器、遠程RTU等需要時間信息的主要通訊設備，從而使整個系統的運行時間達到同步。

1.3 數字視頻錄像子系統

本文設計了數字視頻錄像子系統用于加強對井下各變電所及供電設備的實時監控，通過在電力系統平臺中加裝的網絡硬盤錄像機和現場的固定式及云臺攝像頭對井下所有供電場所及設備進行實時數字視頻采集。同時配置大容量硬盤將所有錄像數據進行實時存儲，存儲時間不低于一個月。數字視頻錄像子系統結構如圖2所示。

圖2 數字視頻錄像子系統結構

2 硬件方案設計

本監控系統硬件設計方案主要分為地面調控中心硬件設計及井下供電監控硬件設計。其中地面調控中心硬件除原系統具備的數據服務器、監控計算機、UPS電源外，還包括GPS對時子系統及數字視頻錄像子系統中的GPS對時器、網絡硬盤錄像機等設備。井下硬件設計方案主要包括各井下監控分站及高低壓開關綜保裝置的升級改造，從而實現系統的不間斷運行及防越級功能。

本文采用GPS對時裝置實現全系統運行時間的實時校準同步。數字視頻錄像子系統中的硬盤錄像機可保證錄像子系統可靠運行。井下監控分站是實現井下數據上傳及監控主站控制指令執行的重要設備，滿足本系統數據傳輸及采集需求。由于井下高壓電網大多數供電線路較短，線路阻抗小,且運行方式差異較大，在發生短路故障時容易發生越級跳閘，嚴重影響煤礦安全生產。因此，本文對原系統井下高低壓開關綜合保護裝置進行改造，將其更換為具有防越級跳閘功能的智能保護器，并增設遠近控模塊實現井下分合閘智能控制。

本系統對井下高壓開關及低壓饋電開關進行保護，除了具備常規保護裝置的功能外，還可通過系統級聯及網絡組網與地面保護形成實時防越級跳閘網絡。

系統在井下所有高壓開關、低壓饋電及照明綜保等受控設備進行遠近控改造，從開關引出的線纜接入井下監控分站，監控分站通過控制中間繼電器實現遠近控，系統改造線路如圖所示。通過該遠近控改造后系統可在任意時刻分閘，而合閘需在遠近控狀態下進行，從而保證安全檢修。

圖3 接線圖

3 軟件方案設計

煤礦電力監控平臺主要功能包括數據采集、數據統計計算、遠程控制調節及數據管理等，其中系統及線路的負荷率統計可根據采集數據對風機、中央變電所等位置的電壓、電流等主要電參數進行實時曲線繪制，可從地面調控中心更直觀監測系統各個部分的運行狀態。

在常規報警功能基礎上，系統還添加了時間順序記錄功能，當井下供電設備發生故障并報警后，系統可自動按時間順序記錄繼保裝置及斷路器開斷的時間并上傳至數據服務器用于后續事故分析。時間順序記錄.

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。