晉北煤業(yè)變電站二次設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

王海華

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 供電分公司，山西 霍州 031400）

1 概 況

隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的快速提升，煤礦中使用的機(jī)電裝備正朝著重型化、智能化等方向發(fā)展，機(jī)電裝備的用電功率大幅度提升，對(duì)運(yùn)行可靠性要求越來越高。煤礦變電站作用是對(duì)整個(gè)礦井進(jìn)行供電，其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)有著重要影響。煤礦變電站如果出現(xiàn)故障無法正常運(yùn)行，就會(huì)影響采煤設(shè)備的正常運(yùn)行，降低煤礦生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為了提升煤礦變電站運(yùn)行可靠性，本文針對(duì)晉北煤業(yè)變電站二次設(shè)備設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了良好的效果，對(duì)于提升變電站運(yùn)行穩(wěn)定性，保障煤礦生產(chǎn)安全具有一定的實(shí)踐意義。

2 煤礦變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息

晉北煤業(yè)供電系統(tǒng)整體上由兩大部分構(gòu)成，分別為地面部分和井下部分。地面變電所通過高壓配電柜實(shí)現(xiàn)井下移動(dòng)變電站的供電，同時(shí)還需要對(duì)地面用電設(shè)備進(jìn)行供電。煤礦供電系統(tǒng)中使用的變電站等級(jí)主要有35 kV 和110 kV 兩種。煤礦整體環(huán)境非常復(fù)雜且惡劣，變電站二次設(shè)備工作時(shí)特別容易受環(huán)境因素影響出現(xiàn)故障，因此需要對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)二次設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，總體上可以分成為兩大類型，分別為設(shè)備自身運(yùn)行狀態(tài)和通信鏈路狀態(tài)。

2.1 設(shè)備自身運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

晉北煤業(yè)變電站二次設(shè)備需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的有交換機(jī)、綜合保護(hù)裝置、智能IED 等。通過對(duì)以上設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的故障問題，安排人員對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行更換或者維修，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果還可以更加科學(xué)地安排設(shè)備的檢修周期。圖1 為變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)具體內(nèi)容。

圖1 變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)具體內(nèi)容Fig.1 Condition monitoring of substation secondary equipment

2.2 通信鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除對(duì)設(shè)備自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還需對(duì)通信鏈路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體包括跳合閘信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)、故障信號(hào)以及模擬量信號(hào)等，以上信號(hào)基于報(bào)文方式進(jìn)行傳輸。通過對(duì)通信鏈路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取報(bào)文數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，能更好地掌握二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。圖2 為變電站二次設(shè)備通信報(bào)文具體信息。

圖2 變電站二次設(shè)備通信報(bào)文具體信息Fig.2 Specific information of substation secondary equipment communication message

2.3 狀態(tài)評(píng)估基本流程

基于上文分析可以看出，針對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象需要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容較多，如何根據(jù)這些內(nèi)容判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是問題的關(guān)鍵。晉北煤業(yè)變電站二次設(shè)備狀態(tài)評(píng)估基本流程如圖3 所示。

圖3 二次設(shè)備狀態(tài)評(píng)估基本流程Fig.3 Basic process of secondary equipment condition assessment

由圖3 可知，首先通過專家對(duì)各個(gè)狀態(tài)信息的權(quán)重進(jìn)行打分，并設(shè)置各專家的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行歸納。然后依次建立層次結(jié)構(gòu)模型、判斷矩陣，通過三角直覺模糊算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)的單層排序。最后按照權(quán)重大小獲得模糊總排序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的評(píng)估。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化是未來煤礦領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，也對(duì)監(jiān)控主機(jī)的性能要求較高。本系統(tǒng)基于Altova XMLspy軟件平臺(tái)對(duì)晉北煤業(yè)變電站二次設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行編寫，采用的編程語言為SCL 語言。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示，比較重要的有數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理與分析單元、應(yīng)用單元。數(shù)據(jù)采集單元作用是對(duì)變電站二次設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，單元可以拓展多個(gè)千兆網(wǎng)口和百兆網(wǎng)口；數(shù)據(jù)處理與分析單元作用是對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收、管理、分析、壓縮存儲(chǔ)、上傳服務(wù)器等，采用四核處理器，基于64 位MIPS 64 架構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)核對(duì)待處理內(nèi)容進(jìn)行分工，其中一個(gè)用于狀態(tài)評(píng)價(jià)、一個(gè)用于數(shù)據(jù)分析、一個(gè)用于數(shù)據(jù)接收及管理、一個(gè)用于數(shù)據(jù)上傳，該單元設(shè)置有3 個(gè)千兆網(wǎng)口，分別接收SV 網(wǎng)、GOOSE 網(wǎng)和MMS 網(wǎng)報(bào)文；應(yīng)用單元的作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，每個(gè)應(yīng)用功能可以單獨(dú)通過子程序?qū)崿F(xiàn)。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of monitoring system

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)信息傳輸方式。系統(tǒng)中所述的煤礦變電站基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建立。變電站中的合并單元和智能終端為過程層設(shè)備，通過SV 網(wǎng)和GOOSE 網(wǎng)對(duì)報(bào)文信息進(jìn)行上傳；保護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備為間隔層裝置，通過MMS 網(wǎng)對(duì)報(bào)文信息進(jìn)行上傳。為了對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接接入變電站系統(tǒng)的中心交換機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)建模。煤礦變電站和二次設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，采用的是IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)建模時(shí)需要綜合考慮邏輯設(shè)備、服務(wù)器、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對(duì)象等內(nèi)容。

（3）具體配置流程。利用配置工具將SCD 文件導(dǎo)入軟件平臺(tái)上，然后設(shè)定監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全閾值，即上限和下限。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一旦監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息超過了設(shè)計(jì)的安全閾值，會(huì)通過監(jiān)控大屏進(jìn)行超限警報(bào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與保護(hù)裝置之間基于MMS 網(wǎng)建立連接，保護(hù)裝置采集得到的遙測(cè)量、遙信量數(shù)據(jù)會(huì)通過MMS 網(wǎng)進(jìn)行上傳。系統(tǒng)對(duì)上傳的信息進(jìn)行解析、處理，可判斷二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證煤礦變電站二次設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，將其應(yīng)用到晉北煤業(yè)變電站中。應(yīng)用前期對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)試，確保各項(xiàng)功能都能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)后正式投入應(yīng)用。目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用時(shí)間超過3 個(gè)月，根據(jù)技術(shù)人員反饋，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用效果良好，可以對(duì)變電站二次設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置有監(jiān)控大屏，可以對(duì)監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化展示。煤礦變電站中各級(jí)變電所高壓配電關(guān)開關(guān)通過不同顏色的矩陣圖標(biāo)進(jìn)行表示，在監(jiān)控大屏上可以直觀地看到各級(jí)變電所的運(yùn)行狀態(tài)。開關(guān)閉合狀態(tài)通過不同顏色進(jìn)行區(qū)分，其中橙色表示合閘，綠色表示分閘保護(hù)裝置不動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)變電站二次設(shè)備存在故障問題或安全隱患，會(huì)在監(jiān)控大屏上進(jìn)行警告提示。工作人員根據(jù)系統(tǒng)提示能快速定位故障位置，并第一時(shí)間對(duì)故障問題進(jìn)行處理，將安全隱患處理在萌芽階段或者縮短故障處理時(shí)間。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線查詢、歷史報(bào)表以及故障錄波等功能。

晉北煤業(yè)變電站二次設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，使得變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性顯著提升，故障率降低了15%以上，為煤礦開采過程的連續(xù)性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在促進(jìn)煤礦生產(chǎn)效率和保障煤礦生產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié) 語

以晉北煤業(yè)變電站為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)研究了二次設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)二次設(shè)備本身狀態(tài)信息以及通信鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并利用三角直覺模糊算法可以對(duì)二次設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。將二次設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到晉北煤業(yè)變電站中，整體效果良好，監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故障率降低了15%以上，有效提升了變電站運(yùn)行過程的可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。