智能電力監(jiān)控系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用與探討

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(shè)的智能化程度越來越高，構(gòu)建智能電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山生產(chǎn)的有效監(jiān)控至關(guān)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(diǎn)介紹了基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，后提出了加強(qiáng)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(guān)鍵詞：智能礦山；電力監(jiān)控系統(tǒng)；應(yīng)用方法

       礦山開采工作較為復(fù)雜，涉及礦山井下開采人員、設(shè)備以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理等。隨著智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化信息技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)也不斷發(fā)展，對(duì)智能礦山的建設(shè)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(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不能實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的控制，無法及時(shí)反饋環(huán)境信息和設(shè)備情況等。

因此，在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算等完成礦井監(jiān)測(cè)的可視化、調(diào)度的綜合化以及控制的自動(dòng)化，有利于提升煤礦的安全性，加強(qiáng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的管理水平。由此可見，對(duì)基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方法進(jìn)行研究具有重要意義。

       目前，雖然對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備做了很多研究，但是缺少對(duì)數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用，而且數(shù)據(jù)庫需要存儲(chǔ)大量關(guān)于電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)值，這也是電力監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的重點(diǎn)問題。在實(shí)際應(yīng)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(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

       監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)礦下的信息參數(shù)，不能很好地處理異常數(shù)據(jù)，且缺少對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)功能，通過人機(jī)交互界面不能保證工作人員提前了解信息參數(shù)。

1.2 缺少對(duì)安全監(jiān)控信息的深入分析與利用

       大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析方法，能夠找出數(shù)據(jù)背后的價(jià)值信息，從而為科學(xué)決策提供依據(jù)，在各個(gè)行業(yè)當(dāng)中都有著廣泛的應(yīng)用。煤礦開采也要加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析與應(yīng)用，保證監(jiān)控的多元融合。

1.3 預(yù)測(cè)模型的智能化程度低。

       電力監(jiān)控系統(tǒng)主要注重對(duì)安全信息的監(jiān)測(cè)與控制，并進(jìn)行簡(jiǎn)單反饋，不能實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)度的判斷以及事故預(yù)警等。此外，斷電控制、分級(jí)報(bào)警以及區(qū)域斷電等功能需要進(jìn)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(shè)計(jì)

       電力監(jiān)控系統(tǒng)采用了3種技術(shù)，分別是自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息化技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制、通信等多種功能于一體，具有開放式、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、組態(tài)化的特點(diǎn)。電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有能夠支持Web瀏覽，即瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采取變電所的一次主設(shè)備實(shí)現(xiàn)“五遙"功能，即遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)以及遙視，同時(shí)實(shí)時(shí)采集高、低壓開關(guān)柜的相關(guān)電氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過高、低壓柜的運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)二次設(shè)備和輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理，并與煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的較全智能管理

2.2　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

       系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)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(wǎng)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；間隔層和設(shè)備層通過Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進(jìn)行通信。充分考慮數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)各煤礦的電力監(jiān)控功能。

       設(shè)備層主要包含一些電力系統(tǒng)采集設(shè)備的終端，如電力保護(hù)裝置、功能儀表、電力監(jiān)測(cè)裝置等。電力監(jiān)控系統(tǒng)的間隔層設(shè)備采用間隔分散式的安裝方法，各設(shè)備之間相互獨(dú)立，僅通過通信網(wǎng)絡(luò)連接。井下間隔層設(shè)備通常采用Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進(jìn)行通信Modus-RTU通過井下電力分站就近接入井下控制環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過光纖接入地面生產(chǎn)指揮中心?？刂茖影ㄖ髡颈O(jiān)控系統(tǒng)、通信服務(wù)器，其中主站監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制等功能，通信服務(wù)器完成網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、智能設(shè)備接入和遠(yuǎn)程主站通信。在信息層構(gòu)建自動(dòng)化數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對(duì)于安全性能、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等不同的信息完成綜合處理，從而為科學(xué)決策和管理提供參考。管理層主要作為生產(chǎn)過程中的執(zhí)行系統(tǒng)，主要包括集成平臺(tái)管理、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備運(yùn)行管理以及生產(chǎn)數(shù)量控制等多個(gè)功能。通過對(duì)生產(chǎn)過程的精細(xì)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(jù)信息層匯報(bào)的監(jiān)測(cè)信息，并結(jié)合實(shí)際情況做出決策。決策的實(shí)施需要各個(gè)部門協(xié)同工作，并綜合子系統(tǒng)的各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速整合，后形成一個(gè)科學(xué)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(cè)監(jiān)控設(shè)備，與多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)以變電所為單元，變電所的功能是將數(shù)據(jù)通道接入主傳輸通道。系統(tǒng)還具有歷史趨勢(shì)曲線打印、報(bào)表查詢等功能，按用戶要求可以定制各種報(bào)表、圖形與曲線。應(yīng)用數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布自動(dòng)報(bào)警和預(yù)測(cè)分析功能。此外，結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，實(shí)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(shè)計(jì)

2.3.1　子系統(tǒng)接入方式

根據(jù)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以應(yīng)用3種接入方式。

上位機(jī)接入。該方式是在服務(wù)器的幫助下，通過以太網(wǎng)和對(duì)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(jī)之間的信息交換。接入結(jié)構(gòu)如圖2所示。

       可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicCantroller，PLC）接入。對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)而言，利用服務(wù)器通過以太網(wǎng)和PLC接口相連，并且安裝在采集服務(wù)器的OPCServer中，實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器之間的信息交換功能。接入結(jié)構(gòu)如圖3所示。

       嵌入式控制接入。對(duì)于嵌入式控制的子系統(tǒng)，利用內(nèi)部的OPCServer，服務(wù)器通過以太網(wǎng)和接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的連接。接入結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)智能礦山子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用PLC接口方式，當(dāng)子系統(tǒng)接入后，把采集好的數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(shù)據(jù)交互方式

       數(shù)據(jù)交互方式主要包括3種，分別為OPC、開放數(shù)據(jù)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(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用C/S架構(gòu)模式，能夠處理本地與網(wǎng)絡(luò)等節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器信息，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行直接讀取，安全性較高。ODBC以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)進(jìn)行交互，雖然實(shí)時(shí)性較差且效率比較低，但是可以根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過訪問數(shù)據(jù)接口，把實(shí)時(shí)性較差的數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，使得電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠獲取數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)性較差，工作效率低，主要是作為傳輸工具將設(shè)置好的文件格式傳輸?shù)讲杉?wù)器中，便于電力監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)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。現(xiàn)階段，常用的傳感器基本能夠滿足電流、電壓等生產(chǎn)需要，但是仍然存在一些問題需要引起高度的關(guān)注。在傳感器的壽命、性能、可靠性等方面，和國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比，仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。為了滿足整體生產(chǎn)的性能要求，需要加強(qiáng)對(duì)傳感控制器的研究和改進(jìn)。

3.2　引入監(jiān)測(cè)煤礦新技術(shù)

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

3.3　對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)中主站的改進(jìn)

       在礦山的電力監(jiān)控中心，可以安裝6臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器和工業(yè)電力監(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而避免出現(xiàn)計(jì)算機(jī)病毒破壞等問題。此外，為了進(jìn)一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性，可以應(yīng)用Linux中文操作系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)與安裝，主要包括千兆網(wǎng)絡(luò)交換服務(wù)器、光纖網(wǎng)絡(luò)交換服務(wù)器、電源系統(tǒng)以及信息發(fā)布系統(tǒng)等。

4.1 概述

       針對(duì)用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級(jí)），通過微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測(cè)控裝置、電氣接點(diǎn)無線測(cè)溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)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(dòng)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(dòng)化及無人值守的要求，針對(duì)35kV及以下電壓等級(jí)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(dòng)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(cè)、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(jí)的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

4.2 應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

4.3 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(chǎng)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)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

4.4 系統(tǒng)功能

4.4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

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(xì)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(yùn)行報(bào)表：

查詢各回路或設(shè)備規(guī)定時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)。

4.4.5 實(shí)時(shí)告警：

具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

4.4.6 歷史事件查詢：

對(duì)事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.4.7 電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表：

系統(tǒng)具備定時(shí)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(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況。

4.4.8 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(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

4.4.9 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：

支持實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.4.10 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：

可以對(duì)整個(gè)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(cè)。

4.4.11 遙控功能：

可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

4.4.12 故障錄波：

可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)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(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)信息。

4.4.14 Web訪問：

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)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。

4.4.15 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。

 

 

4.5 系統(tǒng)硬件配置

       通過對(duì)智慧礦山智能電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方法開展研究，智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用和改進(jìn)能夠?qū)崿F(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(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)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(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展，同時(shí)融合控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種智能化技術(shù)。因此，要合理應(yīng)用智能電力監(jiān)控系統(tǒng)，給生產(chǎn)提供重要的安全保障，促進(jìn)煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

 

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[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(yīng)用方法的探討

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