1 引言
煤礦供電質(zhì)量對礦井安全和正常生產(chǎn)有著直接影響，隨著采煤機械化程度的提高，煤礦供配電系統(tǒng)運行的可靠性和合理性顯得更為重要。完善的電力監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地保證井下電網(wǎng)的安全運行，并能實現(xiàn)供電的“移峰填谷”，給煤礦帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益[1]。
我國很多煤礦所使用的供電系統(tǒng)還都是原始的人工停送電模式，暴露出生產(chǎn)成本和管理模式上的種種不足。隨著電子信息技術(shù)、自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤炭行業(yè)應(yīng)用的逐漸成熟，建立一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)是煤炭行業(yè)發(fā)展的大趨勢。本文闡述了基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的煤礦電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在戚家坡煤礦的具體應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下及地面各變電所供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且提高了工作效率，具有推廣應(yīng)用價值[2]。
2 工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)
工業(yè)以太網(wǎng)是一種符合IEEE802.3（以太網(wǎng)）和802.11（無線局域網(wǎng)）標準的高性能的局域網(wǎng)絡(luò)。通過工業(yè)以太網(wǎng)，用戶能建立高性能寬范圍通訊網(wǎng)絡(luò)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通訊。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式的控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管控一體的綜合自動化功能。
現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)[1,3,4]。
3 基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
根據(jù)系統(tǒng)功能需要，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)模式，由監(jiān)控計算機、變電所監(jiān)控站、綜合保護單元等組成。電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按縱向分為調(diào)度中心層、電網(wǎng)監(jiān)控中心層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場設(shè)備層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
（1）調(diào)度中心層：通過調(diào)度中心主機將電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成在礦井綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)測，便于集中調(diào)度與管理，調(diào)度中心通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與電網(wǎng)監(jiān)控中心實現(xiàn)互聯(lián)。
（2）電網(wǎng)監(jiān)控中心層：為電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控的主站，采用分布式、開放式的設(shè)計，組態(tài)完成站內(nèi)監(jiān)控功能，全面提供設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視及控制、保護信息記錄與分析等功能。主要由操作員工作站（一用一備）及工程師工作站組成，對于事故分析處理指導(dǎo)和培訓等專家系統(tǒng)，以及用戶要求的其它功能的工作站則可根據(jù)需要增減。電網(wǎng)監(jiān)控中心通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)層通訊管理機實現(xiàn)互聯(lián)。
（3）網(wǎng)絡(luò)層：主要完成調(diào)度中心層與電網(wǎng)監(jiān)控中心層、電網(wǎng)監(jiān)控中心層與現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場設(shè)備層之間的通訊，采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與RS485總線，標準的IEC60870-5-103通訊規(guī)約，通訊介質(zhì)選用屏蔽網(wǎng)線及光纖。
（4）現(xiàn)場設(shè)備層：保護測控裝置、自動裝置層。它對相關(guān)設(shè)備進行保護、測量和控制。各間隔單元均保留應(yīng)急手動操作跳、合手段，各間隔單元互相獨立、互不影響，通過通信網(wǎng)互聯(lián)，并同電網(wǎng)監(jiān)控中心層的設(shè)備通信，取消了原本大量引入主控室的信號、測量、控制、保護等使用的電纜，節(jié)省投資，提高系統(tǒng)可靠性。
系統(tǒng)主干信道是光纖以太環(huán)網(wǎng)到各變電所，通過網(wǎng)絡(luò)交換機的數(shù)據(jù)接口將變電所開關(guān)數(shù)據(jù)接入主傳輸系統(tǒng)；在變電所內(nèi)安裝電網(wǎng)監(jiān)控站，采用現(xiàn)場總線RS-485方式采集變電所開關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)，實現(xiàn)就地集中數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)備控制的功能，主站對采集到的信息進行處理，集中上傳到系統(tǒng)主機。井下變電所內(nèi)開關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)通過綜合保護單元采集并輸出，電力監(jiān)控站和開關(guān)綜合保護單元之間采用RS-485(隔爆設(shè)備信號輸出通過安全隔離器作本安隔離處理)，變電所的電力參數(shù)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)诫娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)后臺[1,5]。
3.1電網(wǎng)監(jiān)控中心和地面變電所
戚家坡煤礦地面共有1個35kV變電所，3個配電室。在35kV變電所構(gòu)造全礦電網(wǎng)監(jiān)控中心。該監(jiān)控中心有2套HS5000全礦電網(wǎng)監(jiān)控主站系統(tǒng)，2臺HSX5020通訊管理機、1套GPS對時系統(tǒng)、1套模擬屏。通訊網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)有綜合自動化環(huán)網(wǎng)平臺，具體電網(wǎng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 電網(wǎng)監(jiān)控中心及地面變電所結(jié)構(gòu)圖
3.1.1地面35kV變電所
將35KV保護屏上保護裝置、6KV開關(guān)柜上保護裝置、6KV無功自動補償裝置、0.4kv進線及0.4kv母聯(lián)保護裝置、GPS對時系統(tǒng)等通過485總線接口接入1#通訊管理機，通訊管理機以以太網(wǎng)通信方式進35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機。
3.1.2副井絞車房配電室
將6KV開關(guān)柜上保護裝置通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機，通訊管理機以以太網(wǎng)通信方式進35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機。
3.1.3制氮機房配電室
將0.4kv進線及0.4kv母聯(lián)保護裝置等通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機，通訊管理機以以太網(wǎng)通信方式進35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機。
3.1.4風機房配電室
將0.4kv進線及0.4kv母聯(lián)保護裝置等通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機，通訊管理機以以太網(wǎng)通信方式進35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機。
3.2井下變電所
戚家坡煤礦井下共有3個變電所，分別是中央變電所、北翼采區(qū)變電所和南采區(qū)變電所。具體電網(wǎng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。
圖3 中央變電所結(jié)構(gòu)圖
3.2.1中央變電所
在6KV礦用一般型開關(guān)柜上使用1臺HSX5020通訊管理機，將6KV綜合保護裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)；低壓0.66KV進線及母聯(lián)通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)，均接入通訊管理機，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接入變電所環(huán)網(wǎng)分站，如圖3所示。
3.2.2北翼采區(qū)變電所和南采區(qū)變電所
北翼采區(qū)變電所共有14臺高爆的保護裝置為HW3000型微機保護測控裝置，并在環(huán)網(wǎng)分站內(nèi)使用通訊管理機1臺；南采區(qū)變電所共有17臺高爆的保護裝置為HW3000型微機保護測控裝置，在環(huán)網(wǎng)分站內(nèi)使用通訊管理機1臺，均符合無人值守變電站微機保護測控單元功能要求。
6KV高爆的保護裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)、660V低爆保護裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)，均接入通訊管理機，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接入變電所環(huán)網(wǎng)分站，如圖4所示。
圖4 采區(qū)變電所結(jié)構(gòu)圖
4 電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能
4.1數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理
系統(tǒng)通過前置機與各受控站設(shè)備通訊，完成數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制任務(wù)，并負責向各受控站校對時鐘。系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集遙測量(電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電度等)與遙信量(斷路器刀閘位置、保護自動裝置動作信號等)數(shù)據(jù)。采集的信息在這里經(jīng)過預(yù)處理后存儲到系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中供其它模塊使用。本系統(tǒng)支持多種部頒規(guī)約（如CDT、1801、101、104等），并支持前置機主備冗余與通道主備冗余。
4.2開放的數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)
系統(tǒng)可以把采集和計算的數(shù)據(jù)提供給其它系統(tǒng)，可以采用標準通訊方式、SQL歷史數(shù)據(jù)訪問方式、API接口方式。標準通訊方式可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上級調(diào)度或模擬屏等系統(tǒng)；SQL訪問方式和API接口方式可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供給MIS系統(tǒng)。
4.3畫面制作與運行狀態(tài)監(jiān)視
通過繪圖軟件（UTGraphic）可以制作各受控站主接線圖、地理圖、光字牌，定義各種類型曲線、棒圖、餅圖，可以自行定義各種圖元（變壓器、接地線、斷路器、隔離刀閘等），可以在圖形中定義各種動態(tài)關(guān)聯(lián)點（遙信量、遙測量等）。
繪制好的圖形可以在系統(tǒng)運行時由人機界面程序顯示，其中的動態(tài)點可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況動態(tài)顯示。
4.4控制和調(diào)節(jié)
控制命令分遙控遙調(diào)兩類，遙控一般用于控制斷路器的合分，遙調(diào)用于控制主變分接頭位置。每次控制過程均產(chǎn)生一條控制記錄，包括操作人、監(jiān)護人、控制內(nèi)容、控制結(jié)果。該記錄可以通過操作事件查詢來觀看，操作事件可以打印到打印機。
4.5報警管理
包括兩類報警信息：變電站運行事件信息（遙信變位、遙測越限），監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)事件信息（如網(wǎng)絡(luò)通訊故障）。當報警事件發(fā)生時系統(tǒng)自動彈出報警窗口，同時伴有語音、音響報警，并可同時打印到打印機。
4.6數(shù)據(jù)處理
對于采集的數(shù)據(jù)可以進行進一步的統(tǒng)計、計算、旁代處理。
4.7自診斷
本系統(tǒng)包括一個獨立的自診斷模塊，該模塊可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)實時運行程序的各類故障。當其發(fā)現(xiàn)某一模塊有問題時可以自動終止該模塊的運行，并重新啟動該模塊，恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。
4.8報表管理
報表分定時報表和召喚報表，定時報表在用戶指定的時間時刻自動生成，召喚報表在用戶手工召喚時生成報表。
可以定義各類日報表、月報表、季報表，這些報表都可以設(shè)置是定時打印還是召喚打印。
對于召喚報表，可以在報表生產(chǎn)后直接修改報表中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，修改結(jié)果可以保存到數(shù)據(jù)庫中。
5 結(jié)論
戚家坡煤礦應(yīng)用基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的煤礦電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)后，該礦的井下及地面各變電所供電系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，達到無人值守。實踐證明，該系統(tǒng)不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且還提高了工作效率，具有推廣應(yīng)用的價值。同時該系統(tǒng)具有通訊技術(shù)先進、功能豐富實用、性能安全可靠以及可擴展性強等優(yōu)勢，必將在煤礦電力系統(tǒng)運行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計方面發(fā)揮重要作用。
作者簡介
韋耀杰(1983-) 男 碩士研究生，現(xiàn)就讀于中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，研究方向為電力系統(tǒng)無功功率補償。
參考文獻
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