基于開放式結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫學(xué)軍

（中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院，河南省鄭州市，450007）

基于開放式結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫學(xué)軍

（中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院，河南省鄭州市，450007）

介紹了基于開放式結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟件體系設(shè)計(jì)情況，該預(yù)警系統(tǒng)可以在良好的系統(tǒng)開放性基礎(chǔ)上，充分調(diào)用礦井生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，提供電網(wǎng)安全預(yù)警與防控。

開放式結(jié)構(gòu) 煤礦電網(wǎng) 預(yù)警系統(tǒng)

1 引言

目前，煤礦電力系統(tǒng)安全運(yùn)行所依賴的調(diào)度控制中心功能從初期的系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）發(fā)展為能量管理系統(tǒng)（EMS），從“經(jīng)驗(yàn)型”調(diào)度逐步提高到“分析型”調(diào)度，少數(shù)調(diào)度控制中心擴(kuò)展了在線動(dòng)態(tài)安全分析應(yīng)用，初步具備了部分安全預(yù)警功能，但尚未提出和形成安全預(yù)警技術(shù)體系的整體框架。

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的運(yùn)行顯得越來越復(fù)雜，許多電網(wǎng)事故的起因往往是由于一些局部的、小的故障沒有得到及時(shí)有效地處理，或者是一些已經(jīng)存在的電網(wǎng)安全隱患沒有得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和重視，最后發(fā)展成大范圍的、失控的電網(wǎng)事故。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行中，目前的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)提供大量的SCADA數(shù)據(jù)，各種報(bào)警信息涌入運(yùn)行人員工作站，運(yùn)行人員往往被大量數(shù)據(jù)“淹沒”，很難做出決策，錯(cuò)失處理事故的良機(jī)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦電網(wǎng)實(shí)時(shí)安全預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Open Systems Architecture）和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)思想而開發(fā)的管控一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向煤炭電力系統(tǒng)對(duì)象的設(shè)計(jì)方法，支持從支撐平臺(tái)層到應(yīng)用層的全面開放。應(yīng)用軟件建立在開放的國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，不僅提供站級(jí)和調(diào)度級(jí)的自動(dòng)化運(yùn)行管理功能，而且還提供豐富的電力系統(tǒng)專家決策支持功能。

遵循系統(tǒng)開放性原則選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和軟件開發(fā)環(huán)境等符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，采用模塊化設(shè)計(jì)思路構(gòu)建開放性的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；在系統(tǒng)的支撐平臺(tái)軟件、軟件的設(shè)計(jì)中盡量減少軟硬件之間的依賴程度以及軟件之間的耦合程度，以提高系統(tǒng)的開放性、兼容性、可移植性和可維護(hù)性。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置見圖1。

系統(tǒng)采用多主機(jī)分層、分布式結(jié)構(gòu)配置。網(wǎng)絡(luò)可采用星型/總線型以太網(wǎng)（單雙網(wǎng)、光纖或雙絞線模式可選）。以太網(wǎng)絡(luò)采用10/100/1000 M高速工業(yè)以太網(wǎng)。其中前置通信網(wǎng)絡(luò)既可單獨(dú)組網(wǎng)也可與后臺(tái)監(jiān)控共用網(wǎng)絡(luò)。具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成描述如下：

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置

（1）前置通信服務(wù)器。前置通信服務(wù)器是系統(tǒng)通信轉(zhuǎn)換通道，負(fù)責(zé)變電站通信接入，收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換為后臺(tái)服務(wù)可識(shí)別信息并上傳到調(diào)度中心。同時(shí)，接收并轉(zhuǎn)換后臺(tái)服務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并下發(fā)至變電站。

（2）SCADA實(shí)時(shí)處理服務(wù)器。SCADA實(shí)時(shí)處理服務(wù)器與SCADA歷史處理服務(wù)器合并配置用以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、生成報(bào)警事件、控制請(qǐng)求響應(yīng)等系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)。

（3）SCADA歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。負(fù)責(zé)SCADA歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份（可與SCADA實(shí)時(shí)處理服務(wù)器合并配置），提供歷史數(shù)據(jù)定時(shí)或變化存儲(chǔ)及訪問、事件存儲(chǔ)及訪問、事故追憶存儲(chǔ)及訪問等。

（4）操作員工作站/應(yīng)用工作站/維護(hù)工作站。負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)日常運(yùn)行監(jiān)控（可與SCADA實(shí)時(shí)處理服務(wù)器合并配置），操作員工作站/應(yīng)用工作站提供變電站運(yùn)行工況監(jiān)視，遠(yuǎn)程控制操作功能，以及防誤閉鎖及操作票、電壓無功控制、繼保及故障信息管理等應(yīng)用功能；維護(hù)工作站提供系統(tǒng)配置變更維護(hù)，如設(shè)備添加、監(jiān)控畫面制作等。

（5）報(bào)表工作站。負(fù)責(zé)日常運(yùn)行報(bào)表制作與瀏覽打印（可與維護(hù)工作站合并配置），提供報(bào)表制作與定義、報(bào)表打印、瀏覽服務(wù)。

（6）Web發(fā)布服務(wù)器。負(fù)責(zé)在安全區(qū)進(jìn)行SCADA實(shí)時(shí)信息的Web發(fā)布服務(wù)，提供監(jiān)控中心實(shí)時(shí)信息Web發(fā)布、歷史信息Web方式查詢?yōu)g覽、為非區(qū)用戶提供自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息。

3 軟件體系設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。來自礦井運(yùn)行的實(shí)際電力數(shù)據(jù)是電力監(jiān)控系統(tǒng)決策和動(dòng)作的依據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過通信通道自動(dòng)獲取、人工置數(shù)獲取和人工召喚3種方式獲取，依照斷點(diǎn)續(xù)傳支持、多數(shù)據(jù)源支持、數(shù)據(jù)傳送優(yōu)先級(jí)支持和動(dòng)態(tài)重載閾值4種數(shù)據(jù)采集策略，對(duì)礦井電力系統(tǒng)的電力模擬量（電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、溫度）、狀態(tài)量（斷路器雙位置接點(diǎn)、隔離開關(guān)、接地閘刀位置、設(shè)備投切狀態(tài)、自動(dòng)裝置投切狀態(tài)、遠(yuǎn)方/就地切換開關(guān)位置、事故總信號(hào)、主要設(shè)備故障異常信號(hào)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的動(dòng)作信號(hào)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的異常狀態(tài)信號(hào)、充油電纜告警信號(hào)、斷路器的機(jī)構(gòu)及控制回路異常信號(hào)、直流接地檢測(cè)裝置故障信號(hào)、UPS故障信號(hào)等）、電度量、步量位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，為電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制提供數(shù)據(jù)支持。

（2）礦井電力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。礦井內(nèi)各人機(jī)工作站應(yīng)能夠單獨(dú)按照不同的管理單位需求，劃分為不同的責(zé)任分區(qū)，按廠站屏蔽和開放各自所管轄廠站的畫面索引和廠站畫面，滿足不同的管理需求；責(zé)任分區(qū)信息可以在線定義和管理，責(zé)任區(qū)定義與用戶權(quán)限管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各司其職。實(shí)時(shí)信息可以按照責(zé)任分區(qū)的定義發(fā)送到指定的分區(qū)相對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)信息的分流處理。可以按照變電站或以電壓等級(jí)劃分為不同的責(zé)任分區(qū)或安全級(jí)別，每個(gè)設(shè)備都可以建立在相同的責(zé)任區(qū)內(nèi)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息分流。系統(tǒng)還可以對(duì)礦井內(nèi)可控制元件進(jìn)行遠(yuǎn)方控制及調(diào)節(jié)。

（3）事件定義與報(bào)警處理。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)電力運(yùn)行中某些量的特征變化、應(yīng)用程序的某些過程、系統(tǒng)設(shè)備狀況變化等礦井電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行運(yùn)算和比較，依據(jù)系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)異常時(shí)間進(jìn)行預(yù)警。并提供對(duì)應(yīng)的解決方法和遠(yuǎn)程處理動(dòng)作。

（4）防誤閉鎖及操作票系統(tǒng)。防誤閉鎖目的就是在設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)切換過程中保證控制操作的可行性和安全性。集成系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控向五防機(jī)發(fā)送請(qǐng)求遙控，五防機(jī)允許后，監(jiān)控執(zhí)行遙控操作。五防機(jī)向監(jiān)控發(fā)送請(qǐng)求遙控，監(jiān)控執(zhí)行相應(yīng)遙控，平時(shí)監(jiān)控遙控全部閉鎖。由一體化監(jiān)控內(nèi)置防誤閉鎖系統(tǒng)提供邏輯閉鎖及規(guī)則庫(kù)編輯。運(yùn)行值班人員接到上級(jí)調(diào)度部門下達(dá)的操作任務(wù)后，首先要在監(jiān)控主機(jī)上開具該操作任務(wù)的操作票，在開票過程中五防模塊對(duì)每一步操作進(jìn)行邏輯判斷，若操作正確則允許進(jìn)行下一步操作，反之則報(bào)警提示錯(cuò)誤原因，提示操作人員更正，拒絕所有違反“五防”原則的操作。開票結(jié)束后，通過通訊適配器將操作票內(nèi)的一次設(shè)備操作序列傳輸?shù)诫娔X鑰匙中，操作人員使用電腦到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行解鎖操作。操作時(shí)電腦鑰匙自身顯示當(dāng)前倒閘操作的項(xiàng)目，允許人員將電腦鑰匙插入相應(yīng)的設(shè)備編碼鎖內(nèi)，通過其編碼頭檢測(cè)操作對(duì)象是否正確。若正確，則電腦鑰匙發(fā)出允許操作命令，同事開放其閉鎖回路或機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)行倒閘操作；若走錯(cuò)間隔或誤操作，電腦鑰匙用語(yǔ)音發(fā)出錯(cuò)誤警告，提示操作人員錯(cuò)誤操作的類型，并用液晶顯示器顯示當(dāng)前錯(cuò)誤操作的設(shè)備編號(hào)及應(yīng)操作設(shè)備編號(hào)，達(dá)到強(qiáng)制閉鎖的目的。在操作過程中若遇到需要監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行操作的項(xiàng)目，將電腦鑰匙拿到主控室并插到通訊適配器上向五防匯報(bào)已經(jīng)結(jié)束的操作并刷新虛點(diǎn)（監(jiān)控采集不到的一次設(shè)備狀態(tài)）信息。匯報(bào)結(jié)束后在監(jiān)控機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的操作，操作完成后格局提示信息繼續(xù)下面的操作。

（5）區(qū)域無功電壓控制（AVQC）。在電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)層面：礦井內(nèi)同級(jí)變電所之間，在正常電壓范圍內(nèi)，通過控制本級(jí)電網(wǎng)內(nèi)無功功率的合理流向，實(shí)現(xiàn)無功功率就地分層平衡，提高受電功率因數(shù)；等級(jí)不同的變電所在同電壓情況下根據(jù)計(jì)算來決策優(yōu)先投入對(duì)象；同一變電所內(nèi)不同電容器組的功率分配依據(jù)計(jì)算決策。在無功優(yōu)化補(bǔ)償層面：在無功功率流向合理前提下，變電站母線超限（超上限或超下限）運(yùn)行時(shí)，根據(jù)同電源、同電壓等級(jí)變電所和上級(jí)變電所電壓情況，采取調(diào)節(jié)本變電所有載主變分接開關(guān)或者調(diào)節(jié)上級(jí)電源變電所有載主變分接開關(guān)檔位實(shí)施優(yōu)化補(bǔ)償；電壓合格范圍內(nèi)，實(shí)施逆調(diào)壓。實(shí)現(xiàn)減少主變并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)以降低低谷期間母線電壓。實(shí)施有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)優(yōu)化分配。實(shí)現(xiàn)熱備用有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)檔位聯(lián)調(diào)。

在無功電壓綜合優(yōu)化層面：當(dāng)變電所10 k V母線電壓超上限時(shí)，首先降低主變分接開關(guān)檔位，其次切除電容器；當(dāng)變電所10 k V母線電壓超下限時(shí)，首先投入電容器，再提高主變分接開關(guān)檔位，盡可能保證電容器投入量達(dá)到最合理值。

（6）電網(wǎng)運(yùn)行安全管理。對(duì)用戶進(jìn)行分類、分組、分級(jí)管理，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同用戶提供不同的操作功能和訪問界面。配置病毒防護(hù)服務(wù)器，與地區(qū)主站端的一級(jí)病毒防護(hù)服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)病毒庫(kù)和補(bǔ)丁的自動(dòng)更新。系統(tǒng)在不同的安全邊界部署物理網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備或架設(shè)防火墻對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實(shí)施安全防護(hù)，采用嚴(yán)格的安全訪問控制機(jī)制，對(duì)終端用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，用口令管理和權(quán)限管理結(jié)合的方法來規(guī)避非法用戶對(duì)系統(tǒng)的惡意操作。系統(tǒng)中發(fā)生的重要操作和事件處理都采用系統(tǒng)日志方式予以記錄保留。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全層面，通過配置多層交換機(jī)上網(wǎng)絡(luò)訪問列表，檢驗(yàn)試圖訪問核心服務(wù)器用戶身份及權(quán)限，避免合法用戶的錯(cuò)誤操作，對(duì)于跨網(wǎng)用戶的訪問，通過配置路由器的訪問控制列表來允許經(jīng)過授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)地址訪問權(quán)限內(nèi)允許的數(shù)據(jù)資源，禁止未經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)用戶非法登錄，從而避免通過修改配置文件來非法訪問網(wǎng)絡(luò)資源。充分利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的安全手段，盡可能地減少直通請(qǐng)求。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上安裝的防火墻軟件和硬件，起到監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)信息的作用。

（7）電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行管理。對(duì)電網(wǎng)操作記錄、運(yùn)行日志、交接班、生產(chǎn)安全、設(shè)備管理、繼電保護(hù)等電網(wǎng)日常運(yùn)行記錄和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

3.2 軟件體系設(shè)計(jì)

系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求層次多內(nèi)容豐富，考慮到集成第三方專業(yè)軟件系統(tǒng)，因此系統(tǒng)軟件必須具備良好的開放性和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以利于集成；系統(tǒng)軟件相應(yīng)地也需建立自己的層次體系，并在各層次上都能提供充分的二次開發(fā)接口及配置工具以利于可能的業(yè)務(wù)需求的變更和擴(kuò)充；系統(tǒng)軟件還需面向電力系統(tǒng)對(duì)象來進(jìn)行模型建立、業(yè)務(wù)邏輯處理和應(yīng)用界面組織以利用系統(tǒng)的使用和推廣。系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 煤礦電網(wǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

3.3 EMS基礎(chǔ)算法設(shè)計(jì)

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。根?jù)電力系統(tǒng)各個(gè)元件的連接關(guān)系，通過實(shí)時(shí)遙信信息，確定電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)線分析包括對(duì)廠站的結(jié)線分析和對(duì)系統(tǒng)的結(jié)線分析。

（2）潮流計(jì)算。采用交流法潮流計(jì)算分析支路開、斷后系統(tǒng)的潮流分布，電力系統(tǒng)中有很多可能的預(yù)想故障，但有的故障發(fā)生對(duì)系統(tǒng)影響嚴(yán)重，有的影響不嚴(yán)重。自動(dòng)故障選擇的功能是按候選的預(yù)想故障開斷對(duì)系統(tǒng)安全影響的嚴(yán)重程度排序。自動(dòng)給出哪些事故是重要的，哪些事故是不重要的，以及它們之間相對(duì)重要性的信息。

（3）狀態(tài)估計(jì)。采用軟件手段，在硬件測(cè)得的量測(cè)信息基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算出系統(tǒng)的狀態(tài)變量的值，進(jìn)一步計(jì)算出所有關(guān)心的量。充分發(fā)揮已有硬件的潛力，提高數(shù)據(jù)精度，補(bǔ)充已有量測(cè)的不足，排除不良數(shù)據(jù)的影響，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性和質(zhì)量，獲取電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于開放結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用多主機(jī)分層、分布式結(jié)構(gòu)配置，通過系統(tǒng)建模和EMS運(yùn)算，為煤礦電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)采集、礦井電力檢測(cè)和控制、事件定義與報(bào)警、區(qū)域無功電壓控制等功能，系統(tǒng)具有跨平臺(tái)、高可靠、智能化和層次化等特點(diǎn)，為煤礦電力管理提供了良好保證。

［1］ 李建峰.興隆莊煤礦采區(qū)變電所電網(wǎng)監(jiān)控改造［J］.煤礦機(jī)械，2010（2）

［2］ 徐穎秦，謝林柏.基于總線網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2009（6）

［3］ 王曉靜，焦恩喜.變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中小企業(yè)管理與科技，2009（6）

［4］ 于飛，胡平.變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008（33）

Design and application of real－time warning system for power grids of coal mines based on open architecture

Sun Xuejun
（College of Information and Business，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450007，China）

The structure of warning system for power grids of coal mines based on open architecture and the software design were introduced.The warning system could call up all kinds of production data from the coal mines to provide warning，prevention and control for the security of power grids.

open architecture，power grids of coal mine，warning system

TD65

B

孫學(xué)軍（1971－），男，河南南陽(yáng)人，研究生學(xué)歷，研究方向：企業(yè)信息化與電子商務(wù)。

（責(zé)任編輯 張艷華）