電力監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下變電所的應(yīng)用

黃家林

摘 要：變電所承擔(dān)著向煤礦井下各類(lèi)電氣設(shè)備提供穩(wěn)定、充足電力能源的職能。但是由于井下變電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，加上作業(yè)環(huán)境的特殊性，很容易發(fā)生電氣事故，進(jìn)而對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)以及井下人員的安全構(gòu)成威脅。因此，必須要對(duì)變電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果，為日常維護(hù)、故障排查提供必要的支持。本文根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)在我礦實(shí)際運(yùn)用情況出發(fā)，首先概述了煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求和關(guān)鍵技術(shù)，隨后分別從地面監(jiān)控主站和井下電力監(jiān)測(cè)分站兩部分，對(duì)軟硬件的組成及其功能的實(shí)現(xiàn)展開(kāi)了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控系統(tǒng);井下變電所;智能采集;雙向反饋

中圖分類(lèi)號(hào)：TD676 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0149-02

0引言

近年來(lái)煤礦井下作業(yè)中，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)發(fā)生故障而引發(fā)的安全事故和造成的經(jīng)濟(jì)損失，均有上升趨勢(shì)。受到供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的影響，煤炭企業(yè)（煤礦）在技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備更新等方面給予了高度的重視和大力的支持。在這一背景下，電力監(jiān)控系統(tǒng)得到了推廣使用。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取井下變電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，然后同步到地面監(jiān)控中心。管理人員根據(jù)反饋信息，掌握電力設(shè)備運(yùn)行情況，并發(fā)送相應(yīng)的調(diào)控指令，從而保障了井下變電系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行[1]。

1煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

隨著礦井生產(chǎn)自動(dòng)化、機(jī)械化水平的不斷提升，煤礦井下供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多礦井公司還是采取人工值守的方式，不僅增加了人工成本，而且由于不能及時(shí)掌握電力設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)事故隱患的排查力度較弱，事故發(fā)生率較高。針對(duì)這些客觀存在的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)井下電力監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)著重關(guān)注以下需求：首先，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、無(wú)人值守。能夠?qū)⒕滤须娏υO(shè)備全部納入監(jiān)控范疇，并且能夠自動(dòng)獲取其運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)參數(shù)分析，代替人工實(shí)現(xiàn)監(jiān)管，在監(jiān)測(cè)到異常參數(shù)后及時(shí)報(bào)警。其次，還要實(shí)現(xiàn)智能分析、精準(zhǔn)判斷。不同電力設(shè)備的故障發(fā)生原因、故障具體表現(xiàn)多種多樣。該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)基于大數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)Ω黝?lèi)異常參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，識(shí)別具體的故障類(lèi)型、故障位置、發(fā)生原因。從而為電力系統(tǒng)維護(hù)和電氣故障檢修提供必要的參考。最后，該系統(tǒng)還要具有快速響應(yīng)能力，在確定故障后及時(shí)進(jìn)行短路切除，對(duì)其他設(shè)備起到保護(hù)作用，控制損失。除了快速性外，監(jiān)測(cè)靈敏性、運(yùn)行可靠性等也都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的基本要求[2]。

2煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1智能采集技術(shù)

井下電力監(jiān)控系統(tǒng)各類(lèi)功能的實(shí)現(xiàn)，都是基于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)的。因此，只有掌握了足夠多的有效數(shù)據(jù)，才能更加全面、直觀的反映電力設(shè)備的運(yùn)行工況，為監(jiān)控工作開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。但是井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多樣，運(yùn)行中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，很大一部分并沒(méi)有利用價(jià)值。如果全部收集起來(lái)，除了會(huì)占用存儲(chǔ)空間外，還會(huì)增加數(shù)據(jù)分析壓力和系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)。因此，在電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須使用智能采集技術(shù)，根據(jù)監(jiān)控需要有選擇性的獲取數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。智能采集器具有體積小、功耗低、穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足井下特殊環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控需要，是電力監(jiān)控系統(tǒng)的重要硬件設(shè)備[3]。

2.2實(shí)時(shí)通信技術(shù)

利用傳感器、智能采集器獲取前端設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)后，還必須將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到地面監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)中。由于井下環(huán)境相對(duì)封閉且十分復(fù)雜，給設(shè)備通信帶來(lái)了負(fù)面影響，信號(hào)延時(shí)等情況十分普遍。如果信號(hào)質(zhì)量差、延時(shí)問(wèn)題嚴(yán)重，就會(huì)影響地面管理部門(mén)實(shí)時(shí)掌握煤礦井下供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，不利于對(duì)故障的精準(zhǔn)識(shí)別、有效防控。因此，在電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還必須使用實(shí)時(shí)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的低延時(shí)、高效率、高質(zhì)量傳輸?？梢允褂霉I(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)，使用100M高速光纖網(wǎng)絡(luò)連接主站與分站，增強(qiáng)通信能力。

2.3雙向反饋技術(shù)

電力監(jiān)控系統(tǒng)除了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井下供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況外，還應(yīng)當(dāng)支持地面管理人員發(fā)送調(diào)控指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。因此，為了讓地面管理人員發(fā)送的調(diào)控制定可以快速、準(zhǔn)確的傳達(dá)到電力設(shè)備中，還必須引進(jìn)雙向反饋技術(shù)。數(shù)據(jù)上傳和指令下達(dá)應(yīng)采用雙線通道，可以提高信息傳輸效率，防止出現(xiàn)串?dāng)_的情況。

3煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成

該系統(tǒng)主要包括了3個(gè)子模塊，分別是地面監(jiān)控主站、井下監(jiān)測(cè)分站，以及電力測(cè)控單元。其中：（1）地面監(jiān)控主站由接收機(jī)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、交換機(jī)、控制柜等。其功能是根據(jù)井下監(jiān)測(cè)分站傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行篩選、分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)、分析，然后將分析結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。如果實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)不在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，則將異常工況判定為故障。然后根據(jù)故障數(shù)據(jù)的來(lái)源，反推出發(fā)生故障的設(shè)備。為管理人員進(jìn)行電力系統(tǒng)的故障排查提供參考。（2）井下監(jiān)測(cè)分站由智能采集器、各類(lèi)傳感器、通信單元、光端設(shè)備等。其功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集井下電力設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)打包后，傳輸給地面監(jiān)控中心。（3）電力測(cè)控單元。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)，以及指令的接受與執(zhí)行[4]。

4地面監(jiān)控主站的設(shè)計(jì)

4.1地面生產(chǎn)調(diào)度中心的硬件設(shè)計(jì)

調(diào)度中心是整個(gè)電力監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成，其硬件組成主要包括3臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，其中2臺(tái)正常使用，1臺(tái)作為備用。在有需要的情況下，該服務(wù)器還可以臨時(shí)作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。另有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及web數(shù)據(jù)庫(kù)若干。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，支持系統(tǒng)運(yùn)行的程序，以及采集到的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。Web服務(wù)器支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和通信傳輸。由調(diào)度中心SCADA數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，PC操作員站和工程師站實(shí)現(xiàn)HMI功能，建立實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)一步的增大信息處理、分析和提升實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)平臺(tái)的信息化，實(shí)現(xiàn)“管控一體化”的建設(shè)。

4.2地面電力監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控主站的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等。兩臺(tái)工業(yè)控制機(jī)采用兩套西門(mén)子WinCC、還有西門(mén)子公司出的DataMonitor、Adult等應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件采用VC6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，軟件包括應(yīng)用程序基礎(chǔ)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、通訊管理模塊、組態(tài)工具、定值管理模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、Web服務(wù)模塊、文件下載工具等。軟件部分采用可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，后期隨著井下設(shè)備數(shù)量和種類(lèi)的增加，以及電力監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的需要，可以繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展，從而降低了該電力監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，提高了使用價(jià)值[5]。

5井下電力監(jiān)測(cè)分站的設(shè)計(jì)

5.1硬件部分

硬件部分按照功能不同，可以分為兩個(gè)部分，即負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的硬件和響應(yīng)控制指令的硬件。考慮到井下環(huán)境的封閉性，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，以及提高抗干擾能力，需要設(shè)置綜合保護(hù)器。監(jiān)測(cè)主機(jī)由2臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，1臺(tái)常用，1臺(tái)備用。主機(jī)故障后可以立即投切到備機(jī)，保證監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。信息采集裝置采用高精度的智能采集器。同時(shí)串聯(lián)信號(hào)放大器和濾波器，起到降低干擾、增大信號(hào)的作用，保證地下監(jiān)測(cè)和傳輸信號(hào)的可用性。井下電力監(jiān)測(cè)分站采用頤坤公司的KJ275-F電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。井下電力監(jiān)測(cè)分站主要是采用高性能工業(yè)嵌入式通訊服務(wù)器、供電電源、光端設(shè)備等組成。KJ275-F采用分層分布式系統(tǒng)，除了具有一般分層分布式系統(tǒng)的高可靠性、靈活性和可擴(kuò)展性之外，還具備變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的所有功能。

5.2軟件部分

井下監(jiān)測(cè)分站包括的軟件有操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)安裝Windows10，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQL2000數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，采用目前流行的CenturyStar組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。CenturyStar組態(tài)軟件是一個(gè)實(shí)時(shí)界面實(shí)用程序生成器，可以產(chǎn)生在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別和管理級(jí)別上的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它由開(kāi)發(fā)系統(tǒng)CSMaker和運(yùn)行系統(tǒng)CSViewer兩部分組成。

CSMaker具有圖形自動(dòng)生成功能，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)，將其自動(dòng)轉(zhuǎn)化為更加直觀的圖像、曲線。這樣既可以為監(jiān)控人員掌握電力設(shè)備的運(yùn)行信息，減輕了監(jiān)控壓力，同時(shí)又方便參照時(shí)間軸進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，有助于提高地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)異常工況和潛在故障的準(zhǔn)確判斷。所有數(shù)據(jù)在傳輸給地面監(jiān)控中心后，CSMaker還支持歷史記錄查詢功能，方便管理人員隨時(shí)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。CSViewer可以支持智能報(bào)警，對(duì)于電力監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法自行解決的故障問(wèn)題，發(fā)出警報(bào)，同時(shí)在顯示屏上提供故障碼。根據(jù)故障碼，管理人員可以對(duì)故障發(fā)生位置、故障產(chǎn)生原因等有一個(gè)基本的了解，為制定故障排除方案提供了參考。

6煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

電力監(jiān)控系統(tǒng)在我礦井下變電所中推廣使用后，除了代替人工完成監(jiān)控，減輕管理人員工作壓力外，還取得了以下應(yīng)用效果：（1）電力設(shè)備狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)更新，方便地面控制中心的管理人員遠(yuǎn)程掌握每一臺(tái)高壓真空配電裝置、移動(dòng)變電站的實(shí)時(shí)情況。（2）實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，地面管理人員可以通過(guò)控制臺(tái)，編輯和發(fā)送相關(guān)的指令或是調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。這些指令、參數(shù)同步傳遞到基層單元，并準(zhǔn)確的作出相應(yīng)的動(dòng)作。（3）通信數(shù)據(jù)傳遞速度快、信號(hào)質(zhì)量好，控制周期短。從井下采集電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)到地面控制中心接收到數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程控制在10s以內(nèi)，效率較高。（4）擴(kuò)容升級(jí)方便，預(yù)留的開(kāi)放式數(shù)據(jù)接口，可以采用USB直插的方式燒錄程序，方便進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和功能增減。

7結(jié)語(yǔ)

在電力信息化背景下，煤礦井下變電系統(tǒng)中引進(jìn)電力監(jiān)控裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)電力設(shè)備運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)控制，通過(guò)提高監(jiān)控成效，為管理人員提供方便，也保證了電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于煤礦公司來(lái)說(shuō)，一方面要積極推進(jìn)管理信息化進(jìn)程，通過(guò)引進(jìn)應(yīng)用和持續(xù)開(kāi)發(fā)，讓電力監(jiān)控系統(tǒng)的價(jià)值得到更好的發(fā)揮。另一方面還要做好后期的軟硬件維護(hù)工作，才能保證電力監(jiān)控系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

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