王蘭

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

 

 

摘要：隨著煤礦建設的智能化程度越來越高，構建智能電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對礦山生產的有效監(jiān)控至關重要。首先分析了礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題，其次重點介紹了基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計過程，后提出了加強智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的措施，以保障智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的正常使用。

關鍵詞：智能礦山；電力監(jiān)控系統(tǒng)；應用方法

       礦山開采工作較為復雜，涉及礦山井下開采人員、設備以及生產環(huán)節(jié)的管理等。隨著智能化技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化信息技術與自動控制技術也不斷發(fā)展，對智能礦山的建設提出了更高的要求。傳統(tǒng)的礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)一般應用計算機網絡技術，不能實現(xiàn)井下設備的控制，無法及時反饋環(huán)境信息和設備情況等。

因此，在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，通過大數據技術和云計算等完成礦井監(jiān)測的可視化、調度的綜合化以及控制的自動化，有利于提升煤礦的安全性，加強生產業(yè)務的管理水平。由此可見，對基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)應用方法進行研究具有重要意義。

       目前，雖然對電力監(jiān)控系統(tǒng)及相關設備做了很多研究，但是缺少對數據的合理應用，而且數據庫需要存儲大量關于電力數據的監(jiān)測值，這也是電力監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的重點問題。在實際應用過程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下問題。

1.1 工作人員不能根據監(jiān)控數據發(fā)現(xiàn)安全隱患。

       監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測礦下的信息參數，不能很好地處理異常數據，且缺少對數據的預測功能，通過人機交互界面不能保證工作人員提前了解信息參數。

1.2 缺少對安全監(jiān)控信息的深入分析與利用

       大數據分析已經成為廣泛應用的數據分析方法，能夠找出數據背后的價值信息，從而為科學決策提供依據，在各個行業(yè)當中都有著廣泛的應用。煤礦開采也要加強對數據信息的分析與應用，保證監(jiān)控的多元融合。

1.3 預測模型的智能化程度低。

       電力監(jiān)控系統(tǒng)主要注重對安全信息的監(jiān)測與控制，并進行簡單反饋，不能實現(xiàn)危險度的判斷以及事故預警等。此外，斷電控制、分級報警以及區(qū)域斷電等功能需要進一步完善，所以須提高電力監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。

2.1系統(tǒng)設計

       電力監(jiān)控系統(tǒng)采用了3種技術，分別是自動化技術、計算機網絡技術以及信息化技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等多種功能于一體，具有開放式、網絡化、模塊化、組態(tài)化的特點。電力監(jiān)控系統(tǒng)設計有客戶端/服務器（Client/Server，C/S）結構，同時還具有能夠支持Web瀏覽，即瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）的結構。該系統(tǒng)采取變電所的一次主設備實現(xiàn)“五遙"功能，即遙測、遙信、遙控、遙調以及遙視，同時實時采集高、低壓開關柜的相關電氣監(jiān)測數據，通過高、低壓柜的運行數據判斷負載設備的運行情況，對二次設備和輔助設備實現(xiàn)遠程控制和管理，并與煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)進行數據交互，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的較全智能管理

2.2　系統(tǒng)的結構與組成

       系統(tǒng)的設計采用了分布式、模塊化思想，主要分成5層，如圖1所示，分別是設備層、間隔層、控制層、管理層以及決策層?？刂茖雍烷g隔層通過以太網傳輸控制協(xié)議/網際協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）進行數據傳輸；間隔層和設備層通過Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進行通信。充分考慮數據傳輸方式的不同，對數據傳輸標準進行統(tǒng)一，根據現(xiàn)場不同的系統(tǒng)來實現(xiàn)各煤礦的電力監(jiān)控功能。

       設備層主要包含一些電力系統(tǒng)采集設備的終端，如電力保護裝置、功能儀表、電力監(jiān)測裝置等。電力監(jiān)控系統(tǒng)的間隔層設備采用間隔分散式的安裝方法，各設備之間相互獨立，僅通過通信網絡連接。井下間隔層設備通常采用Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進行通信Modus-RTU通過井下電力分站就近接入井下控制環(huán)網交換機，通過光纖接入地面生產指揮中心。控制層包括主站監(jiān)控系統(tǒng)、通信服務器，其中主站監(jiān)控系統(tǒng)完成數據實時采集、數據處理、遠程控制等功能，通信服務器完成網絡轉換、智能設備接入和遠程主站通信。在信息層構建自動化數據展示平臺，通過面向對象技術，對于安全性能、監(jiān)測數據等不同的信息完成綜合處理，從而為科學決策和管理提供參考。管理層主要作為生產過程中的執(zhí)行系統(tǒng)，主要包括集成平臺管理、運行維護、設備運行管理以及生產數量控制等多個功能。通過對生產過程的精細化管理，能夠有效解決管理層與過程控制層中存在的斷層問題，從而提升作業(yè)管理效率，提高信息化水平。決策層根據信息層匯報的監(jiān)測信息，并結合實際情況做出決策。決策的實施需要各個部門協(xié)同工作，并綜合子系統(tǒng)的各項信息，實現(xiàn)數據的快速整合，后形成一個科學合理的決策方法。

       系統(tǒng)能夠兼容多種協(xié)議形式的監(jiān)測監(jiān)控設備，與多個系統(tǒng)進行數據交互。系統(tǒng)以變電所為單元，變電所的功能是將數據通道接入主傳輸通道。系統(tǒng)還具有歷史趨勢曲線打印、報表查詢等功能，按用戶要求可以定制各種報表、圖形與曲線。應用數據共享，實現(xiàn)信息網絡發(fā)布自動報警和預測分析功能。此外，結合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)地面、井下變配電無人值守、有人巡視的目的。

2.3　子系統(tǒng)接入設計

2.3.1　子系統(tǒng)接入方式

根據子系統(tǒng)的設計特點，可以應用3種接入方式。

上位機接入。該方式是在服務器的幫助下，通過以太網和對象鏈接與嵌入的過程控制（OLEforProcessControl，OPC）等接口協(xié)議完成和子系統(tǒng)主機之間的信息交換。接入結構如圖2所示。

       可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicCantroller，PLC）接入。對于自動化控制系統(tǒng)而言，利用服務器通過以太網和PLC接口相連，并且安裝在采集服務器的OPCServer中，實現(xiàn)和生產綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務器之間的信息交換功能。接入結構如圖3所示。

       嵌入式控制接入。對于嵌入式控制的子系統(tǒng)，利用內部的OPCServer，服務器通過以太網和接口協(xié)議實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的連接。接入結構如圖4所示。根據智能礦山子系統(tǒng)的設計特點，采用PLC接口方式，當子系統(tǒng)接入后，把采集好的數據信息進行整合與分析形成圖表，從而為管理層的決策提供參考。

2.3.2　數據交互方式

       數據交互方式主要包括3種，分別為OPC、開放數據庫互連（OpenDatabaseConnectivity，ODBC）、文件傳輸協(xié)議（FileTransferProtocol，F(xiàn)TP）。其中，OPC通過微軟組件技術進行設計，利用C/S架構模式，能夠處理本地與網絡等節(jié)點的服務器信息，監(jiān)控系統(tǒng)能夠對數據進行直接讀取，安全性較高。ODBC以數據庫為基礎進行交互，雖然實時性較差且效率比較低，但是可以根據數據結構，通過訪問數據接口，把實時性較差的數據寫入對應的數據庫表中，使得電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠獲取數據庫接口，完成信息的獲取。FTP是一種基于文件的交互方式，它的實時性較差，工作效率低，主要是作為傳輸工具將設置好的文件格式傳輸到采集服務器中，便于電力監(jiān)控系統(tǒng)完成數據解析。

3.1　傳感控制器的發(fā)展

       在電力監(jiān)控系統(tǒng)工作的過程中，傳感控制器起到了非常重要的作用，保障好傳感控制器的穩(wěn)定性和安全性非常重要?，F(xiàn)階段，常用的傳感器基本能夠滿足電流、電壓等生產需要，但是仍然存在一些問題需要引起高度的關注。在傳感器的壽命、性能、可靠性等方面，和國外的相關產品對比，仍然需要進一步改進。為了滿足整體生產的性能要求，需要加強對傳感控制器的研究和改進。

3.2　引入監(jiān)測煤礦新技術

       現(xiàn)階段，電力監(jiān)控系統(tǒng)基本能夠滿足運行的需求，但是在安全系數等方面，其性能依然具有一些缺陷，如一些產品存在跳閘、定位速度慢等問題。針對這一問題，需要加強對目標技術的研究與設計。此外，通過斷流的方式可以避免出現(xiàn)由于電壓波動而停電的問題。高壓選擇性漏電保護系統(tǒng)不會受到電弧電源等因素的影響，并且對過渡電阻有著較強的抵抗性和靈敏度。這些技術都在一定程度上提升了系統(tǒng)的安全性，增強了數據處理和采集的能力。

3.3　對電力監(jiān)控系統(tǒng)中主站的改進

       在礦山的電力監(jiān)控中心，可以安裝6臺監(jiān)控服務器和工業(yè)電力監(jiān)控計算機，從而避免出現(xiàn)計算機病毒破壞等問題。此外，為了進一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性，可以應用Linux中文操作系統(tǒng)進行升級與安裝，主要包括千兆網絡交換服務器、光纖網絡交換服務器、電源系統(tǒng)以及信息發(fā)布系統(tǒng)等。

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(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、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、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、農網變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站的控制和管理，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(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。

4.3 系統(tǒng)架構

        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、網絡通信層和現(xiàn)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(huán)網網絡結構，根據用戶用電規(guī)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(tǒng)功能

4.4.1 實時監(jiān)測：

直觀顯示配電網的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。

4.4.2 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。

4.4.3 曲線查詢：

可以直接查看各電參量曲線。

4.4.4 運行報表：

查詢各回路或設備規(guī)定時間的運行參數。

4.4.5 實時告警：

具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

4.4.6 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。

4.4.7 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各配電節(jié)點的用電情況。

4.4.8 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。

4.4.9 網絡拓撲圖：

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)網絡結構。

4.4.10 電能質量監(jiān)測：

可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。

4.4.11 遙控功能：

可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。

4.4.12 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。

4.4.13 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。

4.4.14 Web訪問：

展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監(jiān)測點位數量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

4.4.15 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(tǒng)硬件配置

       通過對智慧礦山智能電力監(jiān)控系統(tǒng)應用方法開展研究，智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的應用和改進能夠實現(xiàn)地下變電站的無人看守，不僅減輕了工作人員的工作壓力，提升了工作效率，而且提高了礦山供電網絡的自動化水平。隨著智慧礦山的發(fā)展，要求煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)要向著網絡化、集成化的方向發(fā)展，同時融合控制技術、數據庫技術、計算機技術等多種智能化技術。因此，要合理應用智能電力監(jiān)控系統(tǒng)，給生產提供重要的安全保障，促進煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

 

[1] 王　勃，宋曉西，陳　晨 . 智慧礦山：智能電力監(jiān)控系統(tǒng) [J]. 信息周刊，2019（7）：82.

[2] 陳爾奎，張　敏，尹曉鋼，等 . 基于 OneNET 的礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研究 [J]. 煤炭技術，2017，36（9）：195-197.

[3] 戴萬波 . 煤礦井下無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [J]. 電氣自動化，2021，43（3）：7-9.

[4] 吳含軍 . 煤礦智能供電系統(tǒng)發(fā)展研究 [J]. 電力系統(tǒng)裝備，2021（10）：129-130

[5]  周永亮.基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)應用方法的探討

[6] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版