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淺談煤礦井下智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的設計及應用
任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對某礦業(yè)一號煤礦企業(yè)井下電力系統(tǒng)故障問題頻發(fā)的現(xiàn)狀，根據(jù)一號煤礦井下供電系統(tǒng)的實際情況，進行了井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的改進設計。相較于改進之前的供電系統(tǒng)，新供電監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，縮短了供電系統(tǒng)的故障排查時間，提高了采煤設備利用率，降低了供電系統(tǒng)維護成本，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：井下供電；監(jiān)控系統(tǒng)；改造設計
1概況
某礦業(yè)一號煤礦始建于1991年，井下供電系統(tǒng)監(jiān)測采用的是人工值守、綜合保護器就地操作模式，監(jiān)測結果受人為因素影響較大。煤礦井下中央變電所與采煤區(qū)的變電所的布置集中性較差，移動變電站隨著工作面的掘進需要實時移動，頻繁通斷電存在較大的電壓電流沖擊，加之運行環(huán)境惡劣,經(jīng)常出現(xiàn)供電系統(tǒng)故障。故障發(fā)生時故障排查工作困難，導致故障影響范圍擴大。因此，黃陵礦業(yè)一號煤礦決定開展井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的改進設計工作。
2供電監(jiān)控系統(tǒng)構成
煤礦供電系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控主站、井下監(jiān)測分站和各個電力監(jiān)測單元組成，具體銜接關系如圖1
地面監(jiān)測主站配置了供電系統(tǒng)專業(yè)版組態(tài)軟件系統(tǒng)，具有井下供電系統(tǒng)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理等功能。井下監(jiān)測分站作為地面監(jiān)測中心主站與電力監(jiān)測單元的信息傳輸紐帶，既能控制井下高壓開關的綜合保護裝置，還能實現(xiàn)故障波、數(shù)據(jù)傳輸和存儲、供電系統(tǒng)監(jiān)控等。電力監(jiān)測單元主要負責井下變電所設備的數(shù)據(jù)采集工作，接受監(jiān)控中心發(fā)出的實時控制指令，實現(xiàn)用電設備的遠程操控。
調度中心作為供電監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責井下供電系統(tǒng)實時信息的匯集、顯示、分析與存儲，監(jiān)控人員也可以根據(jù)井下供電系統(tǒng)實際運行情況發(fā)出控制指令，確保整個井下供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。調度中心配置2臺數(shù)據(jù)采集服務器，型號為SCADA,兼顧供電系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫服務器和Web服務器，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的發(fā)布、備份和存儲；配置2臺操作監(jiān)控主站工控機，使用液晶彩色顯示器，接入EtherNet/IP系統(tǒng)服務器，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的共享與打印等功能；配置2臺服務器兼操作員站，供電回路中串聯(lián)UPS電源，規(guī)格為3kVA/2h,保證監(jiān)控系統(tǒng)斷電情況下數(shù)據(jù)的正常采集處理，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)間斷性丟失問題。
監(jiān)控主站硬件組成如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)服務器、通信服務器和監(jiān)控工作站。數(shù)據(jù)采集服務器安裝數(shù)據(jù)采集軟件，負責井下供電系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。終端通信參數(shù)的設置由數(shù)據(jù)采集服務器完成，包括數(shù)據(jù)采集周期、頻率、報警閥值、信號范圍等。數(shù)據(jù)采集服務器采用雙機備用模式，系統(tǒng)正常運行時可以隨時停止其中的任何設備，不影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。通訊服務器安裝基于JAVA技術開發(fā)Web綜合信息發(fā)布系統(tǒng)，能夠依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)組成發(fā)布對應的網(wǎng)頁信息，將井下供電系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)傳輸至信息管理系統(tǒng)進行存儲和顯示。
監(jiān)控工作站的主要功能是顯示井下供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及故障診斷報警等，包括報警畫面、系統(tǒng)診斷畫面、在線幫助畫面、實時和歷史報表畫面、參數(shù)設置畫面、用戶登錄畫面等。監(jiān)控人員能夠根據(jù)井下供電系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)及變化趨勢判斷供電系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)故障能夠給出故障的可能位置，指導維修人員及時進行故障排除。同時可以根據(jù)井下供電系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)的變化趨勢，完成相關運行參數(shù)的設定，確保井下供電系統(tǒng)運行的安全可靠。
3.1.3井下電力監(jiān)測分站硬件
井下電力監(jiān)測分站使用的是KJ275-F系統(tǒng)，由頤坤公司基于分層分布式結構開發(fā)而成，具有普通分層分布式系統(tǒng)的功能和變電站綜合控制系統(tǒng)功能。井下電力監(jiān)測分站涉及工業(yè)嵌入式通訊服務器、供電電源、光端設備等，主要功能是將井下中央變電所、綜合保護器、高低壓開關等的運行狀態(tài)、變電所母線的電壓、電流、功率等實時參數(shù)值經(jīng)過采集過濾和數(shù)模轉換，傳輸給井下監(jiān)測分站,由監(jiān)測分站進行數(shù)據(jù)計算和真?zhèn)闻袛?，之后借助以太網(wǎng)傳輸至地面控制主站。
3.2.1地面監(jiān)控中心軟件
地面監(jiān)控中心主站所使用的軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件主要指操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等，2臺工控機均采用WindowsXPprofessional版操作系統(tǒng)，安裝了WinCC、CentralArchiveServerServer等應用軟件。系統(tǒng)使用的應用軟件均是在VC6.0集成開發(fā)環(huán)境下完成，主要有應用程序基礎平臺、數(shù)據(jù)庫、通訊管理、組態(tài)工具等模塊組成，采用SQL2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
3.2.2數(shù)據(jù)庫管理程序
數(shù)據(jù)庫管理是井下供電監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部 分，是監(jiān)測數(shù)據(jù)能否可靠接收和存儲的關鍵，工作 流程如圖3所示。
圖3數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序
先啟動數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，根據(jù)操作信息打開 相應的數(shù)據(jù)庫表，之后系統(tǒng)自動彈出該數(shù)據(jù)庫表能 夠進行的操作消息，確定是否需要進行數(shù)據(jù)庫的預 修改。當需要對數(shù)據(jù)庫進行預修改時，即可將需要 修改的參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，之后彈出是否退 出的操作消息，沒有其他需要修改的參數(shù)即可確定 退出數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
3.2.3 組態(tài)工具模塊程序
組態(tài)工具模塊作為井下電力監(jiān)測系統(tǒng)的一部 分，主要功能是對電力系統(tǒng)監(jiān)測繪圖及矢量數(shù)據(jù)存 儲。繪圖功能采用組態(tài)王6.0軟件包編制完成，組 態(tài)工具模塊具體工作程序如圖4所示。
打開畫面
退出
圖4組態(tài)工具模塊程序
首先啟動組態(tài)工具模塊程序，根據(jù)操作消息 進行元件和布線等繪圖操作，之后確定是否需要 形成畫面，如果需要即可存儲為畫面矢量數(shù)據(jù)， 之后彈出是否退出消息，如果無其他操作即可點 擊退出程序。
3.2.4通訊管理模塊程序
通訊管理模塊是井下電力監(jiān)測系統(tǒng)的組成部 分，是完成井下供電系統(tǒng)與地面控制中心信息傳輸 的重要紐帶，控制流程包括數(shù)據(jù)信息傳輸和控制指 令傳輸兩部分，具體如圖5所示。
圖5通訊管理模塊控制流程
為了驗證設計完成的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的應用 效果，在黃陵礦業(yè)一號煤礦進行試運行，為期半年 跟蹤記錄。應用結果表明，井下電力監(jiān)控系統(tǒng)運行 穩(wěn)定可靠，能夠滿足設計要求，實現(xiàn)了井下供電系 統(tǒng)的實時監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)存儲調用。圖6為調用的 部分中央高壓歷史數(shù)據(jù)曲線，可以觀察得出電壓的 變化趨勢，指導供電系統(tǒng)維修人員進行故障診斷與 排查。
統(tǒng)計結果表明，相較于改進之前的供電系統(tǒng), 新監(jiān)控系統(tǒng)的引入，故障排査時間縮短近15%, 井下采煤設備利用率提高近10%,降低了約10% 供電系統(tǒng)維護成本，預計為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益 200 萬 /a。
5安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案
5.1概述
針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。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)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(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)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站quan方位的控制和管理，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)濟運行提供了堅實的保障。
5.2應用場所
適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。
5.3系統(tǒng)架構
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1 實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。
5.4.2 電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。
5.4.3 曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。
5.4.4 運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數(shù)。
5.4.5 實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
5.4.6 歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
5.4.7 電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。
5.4.8 用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。
5.4.9 網(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。
5.4.10 電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。
5.4.11 遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。
5.4.12 故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
5.4.13 事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。
5.4.14 Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。
5.4.15 APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。
5.5系統(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 |
電力監(jiān)控系統(tǒng) | Acrel- 2000Z |
| 電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。 |
網(wǎng)關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數(shù)據(jù)傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數(shù)據(jù)；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC 220V，導軌式安裝。 |
35kV/10kV/6kV 微機保護裝置 | AM6-* AM5SE-* |
| 適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護 |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | ||
ARB5-S |
| 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； | |
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
35kV/10kV/6kV 高壓柜除凝露溫濕度控制器 | WHD72面板式 |
| 支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 |
WHD20R導軌式 |
| 支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 | |
變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； |
0.4KV低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； |
ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
0.4KV低壓柜內環(huán)境溫濕度 | AHE100 |
| 無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發(fā)射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換） |
ATC600 |
| 兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，1路485,2路報警出口。 | |
0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表 | AEM96 |
| 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露 |
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表 | AEM72 |
| 三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 |
6結 語
供電系統(tǒng)作為煤礦企業(yè)正常運行的基礎，對其工作的安全可靠性要求越來越高。針對黃陵礦業(yè)一號煤礦井下電力系統(tǒng)故障問題頻發(fā)的現(xiàn)狀，開展了井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的改進設計工作。試運行結果表明系統(tǒng)應用穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了井下供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)存儲調用。相較于改進之前的供電系統(tǒng)，新監(jiān)控系統(tǒng)的應用使供電系統(tǒng)故障排查時間縮短近15%,采煤設備利用率提高近10%,降低了約10%供電系統(tǒng)維護成本。
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[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2023.01版
作者簡介:
任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。
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