淺談煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品選型

摘要：為了解決原有電力監(jiān)控系統(tǒng)存在的通信混亂、傳感器采集速度慢、數(shù)據(jù)集中處理能力較差等問題，對煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即對電力系統(tǒng)地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、井下電力監(jiān)控分站和礦用綜合保護(hù)測控裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對其運(yùn)行原理進(jìn)行了分析，解決了通信混亂、傳感器采集速度慢、數(shù)據(jù)集中處理能力差等問題，為其他煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考，也為煤礦電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行做出了一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控；傳感器；綜合保護(hù)；監(jiān)控分站

0引言

中國煤炭資源儲量豐富。伴隨著煤炭資源的大量開采，開采煤炭資源所需要的能源也在逐步增加。電力資源是維持煤礦生產(chǎn)的重要資源，供電性能直接影響著煤礦的正常生產(chǎn)。由于煤礦電路負(fù)載不穩(wěn)定、井下環(huán)境惡劣等問題，煤礦電力系統(tǒng)極易發(fā)生故障且故障檢修十分復(fù)雜，這均使得煤礦電網(wǎng)面臨較大的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦電力系統(tǒng)主要故障可分為相間斷路、單相接地、斷線等。為了保證煤礦電網(wǎng)運(yùn)行安全，供電管理部門需對煤礦供電人員進(jìn)行培訓(xùn)，同時對井下自動化提出更的要求[1-2]。目前，中國大部分煤礦均逐步完善了自動化系統(tǒng)，煤礦電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得到了一定幅度的提升。但部分煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)存在通信混亂、傳感器采集速度慢、數(shù)據(jù)集中處理能力較差等問題，所以提升電力監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性是煤礦供電的重要研究課題。此前較多學(xué)者對此進(jìn)行了一定的分析和研究[3-4]，本文在前人的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型電力監(jiān)控系統(tǒng)，為煤礦穩(wěn)定供電做出一定的貢獻(xiàn)。

1.電力監(jiān)控系統(tǒng)簡介

電網(wǎng)為煤礦安全生產(chǎn)提供了動力，不同于其他工業(yè)生產(chǎn)，需要在煤礦電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)提升安全系數(shù)，在進(jìn)行電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，保證監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地對煤礦電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測。一般煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個部分組成，分別為地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、井下電力監(jiān)控分站、礦用綜合保護(hù)測控裝置。每個變電站的保護(hù)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)相連，從而形成整體總線網(wǎng)，同時各監(jiān)控測站通過光纖與地面的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)連接，形成光纖以太網(wǎng)。

設(shè)計(jì)的電力監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足電網(wǎng)正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)匯總需求，包括無功功率、電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等，并且能夠準(zhǔn)確判斷負(fù)載的用電計(jì)量。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要對變電所的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示于控制屏幕，同時對系統(tǒng)過載、漏電、斷相、短路等進(jìn)行緊急處理，避免出現(xiàn)因故障而損壞的情況。

2.電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信柜、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。數(shù)據(jù)服務(wù)器對系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，便于后期查看；通信服務(wù)器將變電所管理站與數(shù)據(jù)服務(wù)器間的數(shù)據(jù)進(jìn)行互換，達(dá)到數(shù)據(jù)信息傳遞的目的。在地面電力監(jiān)控調(diào)度中心配置電力集控軟件，監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行過程中，備用機(jī)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)監(jiān)控主機(jī)發(fā)生異常時，備用機(jī)及時代替監(jiān)控主機(jī)，進(jìn)行冗余設(shè)置。

2.2井下電力監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

電力監(jiān)控分站是井下電網(wǎng)控制的關(guān)，是電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。本文設(shè)計(jì)的電力監(jiān)控分站采用KJ519-F型礦用隔爆兼本安型監(jiān)控站，其可以實(shí)時管理爆開關(guān)，監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。電力監(jiān)控分站內(nèi)部有電源模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)、后備電源等。電力監(jiān)控分站的工作電壓為AC127V，內(nèi)部配有2組NI-MHD8500mA12V備用電源，共有4路通信線路，通信傳輸方式有RS485、半雙工、主從3種，*大傳輸距離為1km，傳輸速度為9600bit/s。分站內(nèi)部控制箱是分站的核心，控制箱內(nèi)部有繼電器、PLC（ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器）、電源、接觸器等，其主要實(shí)現(xiàn)電壓和電流數(shù)據(jù)的采集。同時，控制箱內(nèi)部有PLC，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)控制輸出，控制箱能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，較好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換。

2.3礦用綜合保護(hù)測控裝置設(shè)計(jì)

對礦用綜合保護(hù)測控裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要對微機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。微機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置選用GWZB-10型微機(jī)保護(hù)裝置，其主要用于額定電壓3300V和頻率50Hz的電網(wǎng)環(huán)境。微機(jī)保護(hù)裝置核心為32位單片機(jī)，精度的微型互感器及工業(yè)級的外圍芯片是保護(hù)裝置的輔助部分，其具有較的靈敏度和可靠性，內(nèi)部同時匹配多種抗干擾措施，避免信息傳輸過程中的外部干擾。保護(hù)裝置具備自我檢測功能和硬件閉鎖保護(hù)功能，通過不斷地進(jìn)行自我檢測，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行，提升監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)有隔爆遙控器，使用者可以通過遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)操作，很大地提升了操作系統(tǒng)的效率。同時由于利用遙控器控制，可舍棄設(shè)備上的按鍵，省去礦井設(shè)備的復(fù)雜按鍵改造，提系統(tǒng)改造效率。另外，保護(hù)裝置內(nèi)部通過設(shè)定控制值進(jìn)行控制，控制值可以查詢和修改。保護(hù)裝置定時對自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在故障時，能夠定位故障芯片。保護(hù)裝置配備有RS-485/RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信接口，能夠較好地匹配電力監(jiān)控系統(tǒng)的接口。

煤礦電網(wǎng)線路較短，阻抗較小，在發(fā)生短路事故時產(chǎn)生的電流很大，為了保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)。防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用光纖閉鎖信號，對系統(tǒng)線路段進(jìn)行電流閉鎖保護(hù)。防越級跳閘系統(tǒng)主要包括智能光纖控制服務(wù)器SU20、礦用智能光纖保護(hù)PA61和PA63。PA63防越級跳閘微機(jī)保護(hù)集控制、通信、測量、防越級等多種功能于一體；智能光纖控制服務(wù)器SU20主要用于收集閉鎖信號，收集信號后對信號進(jìn)行統(tǒng)一匯總，后轉(zhuǎn)發(fā)至上級電路。

3.安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

3.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)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(shè)備、弧光保護(hù)裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運(yùn)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(yīng)用電力自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

3.2應(yīng)用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)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(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

3.3系統(tǒng)架構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

3.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)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(xì)電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運(yùn)行報表：查詢各回路或設(shè)備*時間的運(yùn)行參數(shù)。

（5）實(shí)時告警：具有實(shí)時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

（7）電能統(tǒng)計(jì)報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況。

（8）用戶權(quán)限管理：設(shè)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(luò)拓?fù)鋱D：支持實(shí)時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準(zhǔn)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(shí)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(diǎn)位數(shù)量等概況信息，設(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4.結(jié)語

基于前人研究，設(shè)計(jì)了煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)煤礦的實(shí)際供電需求及電網(wǎng)工作性能分析，對電力監(jiān)控系統(tǒng)的地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、井下電力監(jiān)控分站和礦用綜合保護(hù)測控裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對這三大模塊的運(yùn)行流程及運(yùn)行原理進(jìn)行了深入分析，可以為煤礦電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供一定的參考與借鑒。

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［6］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介

翟雪玲，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，銷售工程師，主要負(fù)責(zé)電力監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)、應(yīng)用。