雁崖煤礦供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

黃正岐

（晉能控股煤業(yè)集團雁崖煤業(yè)大同有限公司，山西 大同 037000）

1 概況

晉能控股煤業(yè)集團雁崖煤業(yè)大同有限公司（以下簡稱雁崖煤礦）于2020 年5 月采用鏈式靜止無功發(fā)生器SVG 補償策略對供電系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化，優(yōu)化后供電系統(tǒng)需要能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐運行，而原煤礦能耗計量系統(tǒng)功能單一，無法為當前節(jié)能供電系統(tǒng)提供詳實數(shù)據(jù)信息?；诖耍Y(jié)合當前電網(wǎng)綜合自動化成熟技術(shù)，充分考慮井下用電工況，進行供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究，采集井下用電設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計負荷用電數(shù)據(jù)、對比歷史用電量，并對大功率用電設(shè)備用電異常進行實時報警，配合當前供電系統(tǒng)實現(xiàn)雁崖煤礦供電系統(tǒng)全局節(jié)能優(yōu)化控制。

2 供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

基于煤礦用電系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1，包含了地面監(jiān)測主站、井下監(jiān)測分站以及電能監(jiān)測智能儀表系統(tǒng)，監(jiān)測與運算數(shù)據(jù)依靠數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進行共享，在井上控制室上位機監(jiān)控終端顯示能耗等用電監(jiān)測結(jié)果。監(jiān)控主站采用GP3000 主站監(jiān)控系統(tǒng)[1]，按照供電系統(tǒng)規(guī)范對供電系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制、統(tǒng)計和分析；井下監(jiān)測分站主要處理電能監(jiān)測智能儀表采集數(shù)據(jù)[2]，并進行運算處理與數(shù)據(jù)傳輸；用電端采用智能電度表采集能耗數(shù)據(jù)后通過RS-485 通信接口傳輸?shù)礁舯姹景残碗娔鼙O(jiān)測與通信分站，經(jīng)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計后由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)經(jīng)交換機上傳到監(jiān)控室上位機監(jiān)測系統(tǒng)，參與監(jiān)控主機邏輯運算與控制[3]；上位機監(jiān)測控制系統(tǒng)負責(zé)電能計量裝置采集數(shù)據(jù)的處理與管理[4]，實現(xiàn)用電負荷分析結(jié)果的顯示、系統(tǒng)控制指令的輸入、底層數(shù)據(jù)查閱與系統(tǒng)狀態(tài)維護信息查詢。

圖1 供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與監(jiān)測點布置

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)主站硬件

監(jiān)控系統(tǒng)主站硬件主要包括兩臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、兩臺通信服務(wù)器以及多臺工作站。通信服務(wù)器主要功能是實現(xiàn)井下監(jiān)測分站、監(jiān)測工作站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器的信息傳輸、規(guī)約轉(zhuǎn)換、通道監(jiān)視、數(shù)據(jù)格式化等。數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠?qū)ο到y(tǒng)采集監(jiān)控數(shù)據(jù)進行運算、儲存與記錄，同時對工作站狀態(tài)實時監(jiān)控。工作站調(diào)用的數(shù)據(jù)可以從主數(shù)據(jù)服務(wù)器調(diào)用，備用數(shù)據(jù)服務(wù)器只進行數(shù)據(jù)存儲。若數(shù)據(jù)服務(wù)器掉線，數(shù)據(jù)服務(wù)器自動進行主備切換。按照雁崖煤礦井下用電監(jiān)測實際工況，系統(tǒng)配置18 臺監(jiān)控工作站，主要對井下電網(wǎng)運行工礦監(jiān)視、開關(guān)控制操作、定值管理等。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)分站硬件

監(jiān)控系統(tǒng)分站硬件核心為主控制器模塊和數(shù)字信號處理單元。主控制器包含兩個CPU 處理器，DSP TMS320F2812 處理器是電能能耗采集智能儀表向監(jiān)控分站輸入的模擬量和開關(guān)量信號數(shù)據(jù)處理的核心，同時按照設(shè)定程序進行邏輯判斷并輸出動作執(zhí)行信號；ARMS3C2510 處理器內(nèi)嵌uCLinux 操作系統(tǒng)，實現(xiàn)管理調(diào)度、MMI 等功能。數(shù)字信號處理單元主要完成對輸入的模擬量（已經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換）數(shù)據(jù)進行FFT 數(shù)字濾波，DSP 根據(jù)濾波后的模擬量數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)并根據(jù)保護程序進行邏輯判斷，給出開車動作信號，并通過串行通信接口和ARM進行協(xié)議層的通信。

3.3 電能計量設(shè)備

智能化電能計量儀器是系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)信息采集與傳輸?shù)年P(guān)鍵[5]，能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)與遠程集中抄表系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享后，即可提供供電系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀分析和優(yōu)化節(jié)能控制策略。

1）多功能電能表

系統(tǒng)選擇DSSD1573 型三相三線多功能電能表進行電量信息數(shù)據(jù)采集。該型電能表計量系統(tǒng)電壓、電流、功率、諧波等，顯示功率因素、相序和功率需量等，還能夠?qū)崿F(xiàn)分時計量、信息數(shù)據(jù)就地顯示、數(shù)據(jù)儲存[6]。該電能表配備了RS-485 數(shù)據(jù)傳輸接口，與電能監(jiān)測和通信分站的多路串口通信服務(wù)器連接，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)遠傳功能。

2）礦用隔爆兼本安型多路電能計量裝置

系統(tǒng)選用山西汾西機電有限公司生產(chǎn)的KXJ-200/1140（660）型礦用隔爆兼本安型多路電能計量裝置。該裝置融合智能電量測量、通信、IT 數(shù)據(jù)庫技術(shù)，達到遠程監(jiān)測控制煤礦供電系統(tǒng)負荷設(shè)備運行參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵負荷設(shè)備的數(shù)據(jù)共享[7]。該裝置通過RS-485 數(shù)據(jù)傳輸接口完成集中抄表數(shù)據(jù)的遠傳，在上位機上以圖表或曲線等形式進行采集數(shù)據(jù)可視化顯示，是系統(tǒng)電量分布統(tǒng)計、節(jié)能優(yōu)化和智能控制功能的關(guān)鍵基礎(chǔ)智能電能計量裝置。

3.4 電氣設(shè)備監(jiān)測點布置方案

雁崖煤礦共設(shè)置了448 個電能監(jiān)測點，每個監(jiān)測點均裝設(shè)有多功能電度表或原供電監(jiān)測系統(tǒng)電能計量儀表進行電能數(shù)據(jù)采集與傳輸。其中，21 個配電室共有309 個監(jiān)測點，7 個變電所共有54 個監(jiān)測點，34 個配電點共有85 個監(jiān)測點。井上電能監(jiān)測點主要分布在35 kV 主變電所和選煤配電中心兩部分，35 kV 主變電所主要為礦井提升機、通風(fēng)機和采煤機等大型設(shè)備供電，選煤配電中心配置6 kV高壓網(wǎng)絡(luò)和380 V、220 V 低壓網(wǎng)絡(luò)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)通信設(shè)計

綜合節(jié)能裝置主控制器與通信分站采用RS-485接口通信模式，采用標準的Modbus RTU 協(xié)議[8]，上位機組態(tài)軟件通過參數(shù)配置與該協(xié)議與節(jié)能裝置進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)上位機顯示；通信分站通過RS-485 接口集中抄送多功能電度表采集電參量后，通過網(wǎng)口與上位機采用TCP/IP 協(xié)議完成數(shù)據(jù)共享，監(jiān)控系統(tǒng)上位機顯示系統(tǒng)實時監(jiān)測測點用電情況；由于系統(tǒng)采用原供電監(jiān)測智能或非智能儀表進行電能采集、監(jiān)測儀表，開發(fā)通信協(xié)議驅(qū)動接口程序，通過RS-485 接口實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，組態(tài)軟件通過非向?qū)Я鞣绞介_發(fā)腳本驅(qū)動程序。腳本驅(qū)動程序工作原理如圖2。

圖2 非向?qū)Я鞣绞介_發(fā)腳本驅(qū)動程序原理

4.2 上位機組態(tài)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件選用的是MCGS 組態(tài)軟件，軟件結(jié)構(gòu)如圖3。主控窗口進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與功能系統(tǒng)啟動條件設(shè)定；設(shè)備窗口展示系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)；用戶窗口是人機交互功能界面，主要顯示系統(tǒng)的用電設(shè)備運行狀態(tài)和綜合節(jié)能裝置實時數(shù)據(jù)監(jiān)測；實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中變量的增減，并對各變量的屬性和報警閾值進行設(shè)定配置。該組態(tài)軟件能夠?qū)δ芎慕y(tǒng)計信息、能耗分析數(shù)據(jù)、節(jié)能數(shù)據(jù)配置以及能耗計劃信息等以圖形、報表等形式展示，且具有數(shù)據(jù)存儲與歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

圖3 MCGS 組態(tài)軟件架構(gòu)圖

5 應(yīng)用效果分析

雁崖煤礦于2021 年3 月正式將該供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)配置完成，對全礦區(qū)用電節(jié)能進行智能監(jiān)測與控制。系統(tǒng)能夠?qū)ΦV井采煤機、帶式輸送機、提升機、通風(fēng)機以及井上洗煤設(shè)備和排水設(shè)備等大型用電設(shè)備的能耗進行自動統(tǒng)計并分析，對電能流向展示直觀。系統(tǒng)監(jiān)測與控制準確性極高，是礦區(qū)能耗管理的重要智能系統(tǒng)。

6 結(jié)語

針對雁崖煤礦能耗統(tǒng)計系統(tǒng)智能化程度低、功能單一問題進行智能化供電能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，形成以下結(jié)論：

1）能耗聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)包含地面監(jiān)測主站、井下監(jiān)測分站以及電能監(jiān)測智能儀表系統(tǒng)，監(jiān)測與運算數(shù)據(jù)依靠RS-485 或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換形式進行通信，共配置448 個電能監(jiān)測點，實現(xiàn)能耗統(tǒng)計、能耗分析、節(jié)能控制功能。井上控制室上位機監(jiān)控終端顯示能耗等用電監(jiān)測結(jié)果。

2）系統(tǒng)以DSSD1573 型三相三線多功能電能表配合KXJ-200/1140（660）型礦用隔爆兼本安型多路電能計量裝置以及原供電系統(tǒng)其他電量計量儀表進行用電設(shè)備能耗原始數(shù)據(jù)采集，利用MCGS 組態(tài)軟件直觀展示系統(tǒng)能耗統(tǒng)計、分析與報警信息。