浅谈煤矿智能电力监控系统的研究与应用

摘要：文章详细介绍了KJ36A型煤矿电力监控系统的3层网络结构形式，即综合监控信息管理层、信息处理与监控层、现场控制层，并分析了这3层网络所实现的功能，阐述了KJ36A型煤矿电力监控系统的功能与特点。该系统采用嵌入式技术、分布式网络技术，可对煤矿供电系统实施一体化的实时监控，实现矿井电网的安全运行及变电所的无人值守功能。实际应用表明，该系统运行效果好，完全满足当前矿井安全生产和管理的要求。

关键词：煤矿；电力监控系统；网络结构；软件；应用

0引言

随着煤矿机械化和自动化程度的不断提高，为保证各个生产环节的正常运行，对安全供电的依赖性更强。由于煤矿井下供电设备的故障，给煤矿的安全生产带来更大的安全事故，因此，煤矿供配电系统运行的可靠性和合理性就显得十分重要。尽管近年来煤矿供电管理部门在改进井下配电装备、应用新技术成果的同时，不断强化人员素质的管理，使煤矿井下供电系统的可靠性得到了提高，但由于人为因素造成的供电事故时有发生，影响了煤矿的安全生产。另外，供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，劳动生产率较低。因而，对井下供电系统实施微机保护和监控以及实现变电所无人值守就显得十分迫切。就目前的煤矿供电系统而言，虽然微机保护和监控系统也得到了应用，但主要是针对地面供电系统，用于井下的微机保护和监控装置还不多，大部分是在防爆开关中设置漏电保护、过载保护、短路保护、欠压保护、断相保护等保护功能,釆区内配电设备的联网功能较弱。实现井下变电所无人值守，就是要实现“遥测、遥信、遥控、遥调"四遥功能和各种保护功能以及遥视功能：能检测釆区变电所每次出线的电流、电压、功率、因数、开关内温度等模拟量;检测开关的位置状态及实验按钮状态；能对开关进行正常分、合闸操作；能在上位机对馈电开关进行保护动作值整定。随着井下无人值守变电所推广面的扩大，由于井下供电网络结构复杂,釆区变电所和工作面配电点供电服务对象主要是采煤、掘进、运输以及排水等主要生产环节，供电负荷种类繁多、区域分布广、负荷工作场所地质条件复杂，且存在着瓦斯、煤尘、水等有害介质，影响供电系统运行的不确定因素也较多，有可能存在安全隐患，所以装备安全可靠、技术先进、功能更为完善的煤矿安全供电系统是非常必要的。KJ36A型煤矿电力监控系统是针对煤矿供配电系统的特点，采用地面电力自动化系统的*新技术、嵌入式技术、分布式网络技术等开发的新一代煤矿电力监控系统，可对煤矿地面和井下10kV及以下供电系统实施一体化的实时监控，实现矿井变电所的无人值守。该系统为矿井电网的安全运行提供了现代化的管理手段。

1.KJ36A型煤矿电力监控系统结构

1.1综合监控信息管理层

本系统根据用户的不同要求，在地面建立面向全矿的计算机监控信息管理网络。网络具有对图形、语音、数据和文字等多媒体的存储传输和交互作用等处理能力。系统平台基于Windows操作系统，以VC卄为开发工具，实现以多任务调度系统管理SCADA系统平台及平台上的应用，并调整运行过程中的数据和功能。系统采用功能和数据复制型冗余策略，运行不同计算机或同一台计算机上的多个进程，通过相互之间的信息交换，由多任务调度系统监视整个系统的运行状况。

SCADA系统平台实现了矿井电力系统调度自动化、变电站(变电所)自动化的应用，包括实时数据采集、实时数据库管理、历史数据库管理、画面制作及显示、报表制作及打印、告警判别及发布、数据处理及时钟系统等丰富的功能。该平台还包括了诸如网络通信系统及任务调度系统和远程诊断及维护系统，除了关键的实时数据库和图形技术外，还包括了一些常用的工具软件，这些工具软件对系统的使用很有帮助。SCADA系统平台的功能主要有：

可实现地面变电所的监控及井下中央变电所、采区变电所及各配电点的电力监控；

视频图象网上压缩传输，在各个工作站既能看到所有数据信息，又能同时观察到每个摄像点的信号；

对外接口丰富，与其它系统汇接方便，除主流的OPC_Server方式夕卜，同时还保留了DDE、ODBC等方式；

实现“遥测、遥信、遥控、遥调"四遥功能和各种保护功能以及遥视功能；

所有信息在工作站上都可用浏览器浏览，并实现远程信息的传输和故障诊断功能。

地面变电所采用变电站综合自动化系统，提供以部颁CDT通信规约(或其它标准规约)为数据协议的标准RS232/RS485/LAN通信接口，通过设在地面的环网交换机将地面变电站综合自动化系统接入KJ36A型煤矿电力监控系统的后台计算机，实现远程监控功能。

井下变电所内开关设备的运行参数和状态通过开关综合保护单元采集并输出，电力监控站和开关综合保护单元之间采用RS485/CAN通信(隔爆设备信号的输出需通过安全隔离器作本安隔离处理)，变电所的电力参数由电力监控站通过设在各个变电所的环网交换机接入井下以太网，采集的数据通过以太网传输到KJ36A型煤矿电力监控系统的后台计算机。

1.2信息处理与监控层

信息处理与监控层以监测和控制中产生的信息为来源，通过网络直接参与对各开关的操作及相关环节之间的调度协调。

（1）主干网络结构形式

本系统主干网络釆用环型冗余结构光纤传输(工业以太网100Mbps/1000Mbps),能将矿井各变电所信息连接到系统平台上，本系统往下能对矿井内各高低压开关发布控制命令，监视设备的运行状态，收集所需的参数以及整定开关数值;往上能连接信息管理网，实现管理信息的交换功能。

根据煤矿的特点，系统控制网络满足以下要求：

设备选型符合有关标准和行业标准，满足防爆、防尘、抗高温潮湿和电磁干扰的要求。在物理上和逻辑上考虑了网络信道的冗余，确保网络通路的安全。当系统某一子系统的通信或元器件出现故障时，不影响其它子系统的通信和整个网络的传输性能。随着矿井建设规模进程能做到整体规划、分步实施，并能随着技术的发展方便升级，可靠性高、稳定性强、人机界面友好、操作简单、维护方便。充分考虑了系统平台和数据的安全性。具有可靠的身份认证机制、数据备份和病毒防护功能，具有防止黑客侵扰的有效措施。

（2）网络控制层

基于以太网TCP/IP协议的工业以太网技术，传输介质采用双绞式单模矿用阻燃型光缆，网络结构釆用基于光纤以太网的环形架构。与传统的总线传输方式相比，釆用工业以太环网后,解决了电力系统信息量大、通信接口不畅、传输速率低的问题。各变电所的数据信息均汇集到以太环网中传输，维护简单。

从空间分布上看，系统的节点设备从地面一直延伸至井下。井下节点设备可以是变电所的主站，也可以是某个区域的信息采集监控站，或者是协议转换器。

（3）网络产品的选型

由于煤炭行业的特殊性，普通交换机在抗干扰性能、电磁兼容性、可靠性、可用性等方面不能完全适应其环境的要求，且不能形成高速冗余环的连接方式，使用寿命也会大大降低。因而选用工业级的以太网交换机，本系统以摩莎公司生产的工业以太网交换机系列为核心，开发出矿用环网接入器：支持多种网络拓扑结构和多重冗余方式，所有冗余结构在切换时，传递的数据延迟小于20ms,不会造成数据丢失问题。

（4）网络冗余方式

为了进一步提高网络的可靠性，釆用单环或双环、多总线网络结构实现网络冗余功能。光纤环网冗余结构通过建立一个环状的光纤以太网结构实现网络冗余功能，减少了网络单点故障，增强了整个通信网络在突发情况下的适应能力。

（5）光纤传输

由于井下的工作环境复杂，大型设备会产生大量的电磁干扰，普通的铜质通信电缆极易受到这些干扰的影响，从而影响整个通信系统的正常运行。由于铜质通信电缆传输距离有限，不得不增加中继设备，相应增加了成本和发生故障的可能性。采用矿用光缆可克服上述缺点，获得较长的通信距离及较强的抗干扰能力，是用于井下环境的理想通信线路。

1.2数据釆集设备

（1）电力监控主站

KJF88和KJF99电力监控主站作为井下电力监控系统的关键设备，具有数据处理、远程控制、图象显示及网络远程通信等功能。电力监控主站以嵌入式工控机为核心部件，基于WinCE操作系统，具有红外人机对话接口，可同时釆集32路开关信息，有数据釆集处理能力和丰富的图形操作工具，具有较高的可靠性和稳定性；配有接入2路视频的嵌入式视频服务器，将釆集的图形以MPEG4格式通过以太网上传，配合数据监控系统可实现变电所的无人职守。电力监控站的主要功能有：嵌入式计算机、液晶触摸屏，红外遥控；友好的人机界面，全汉化分层菜单式操作；以太网络、CAN总线、485总线等各种接口；内置交换机，独立连成光纤以太网；数据、视频和语音传输；®故障录波，统一对时；内置后备电源，为设备提供不小于4h的供电能力；监测控制保护功能独立，完全不依赖于通信网；友好灵活的组态平台。KJA9安全隔离器采用光电隔离技术，隔爆开关智能综合保护单元的通信信号通过安全隔离器接入电力监控主站，实现监控设备非本安RS485信号转为远距离传输本安RS485信号，以确保电气性能的安全。

1.3现场控制层

现场控制层主要包括直接针对供电设备的高、低压开关的智能综合保护器、电力参数变送器、监测装置等。

（1）智能综合保护器

CZB1系列智能综合保护器适用于煤矿井下电网中性点不接地供电系统或中性点经消弧线圈接地系统，可对高爆开关进行监控和保护，及时将设备的电气参数信息、设备工况以及故障信息及故障录波数据通过电力监控主站发送到地面调度中心，同时也能够接收地面调度主站发出的遥控、定值设定和信号复归等命令，实现远程操作功能。智能综合保护器的特点：集保护、遥测、遥信、遥控及电量的积分累计功能于一体；以工业级DSP为主体，性能稳定、可靠。釆用表贴芯片、多重光电隔离、软、硬件滤波、看门狗电路等技术，从硬件到软件的设计都充分考虑了保护器的抗干扰能力；每周波24点釆样，采用快速傅里叶算法，具有很高的保护和测量精度；大容量的高速存储器用于保存保护定值和保护器动作事件,存储故障录波数据；大屏幕液晶显示信息，红外遥控，菜单操作、调试方便；后备电源能够可靠运行2h以上，实现故障数据实时上传和就地显示功能；实时时钟显示功能，能就地修改和远方自动校时；RS485或CAN总线网络，可直接与微机监控或保护管理机联网通信；故障事件追忆、长期记忆保护动作跳闸原因、故障动作时刻、故障动作值。多用途、高智能化的电力参数变送器.在一些煤矿井下变电所及各配电点可能还有许多老开关无电信号输出。以高性能单片机为核心的KGD4B型电力参数变送器具有体积小、安装方便等特点，可以直接安装在开关内，有遥测、遥信和遥控等多种功能，可以直接釆集及显示各类电参数，并具有事件顺序记录和实现时钟同步功能，特别适合井下采区变电所等场合老开关的改造使用。同时还可以直接与中心站主机通信，将电力参数变送器送来的信息经安全隔离器隔离后，送到地面主机。

（2）系统主要功能与特点

可监测电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电量、开关合/分闸状态等电力参数。具有过载、短路、断相、漏电、绝缘监视等综合保护功能。可在地面主机上对井下智能隔爆开关进行分/合闸控制、定值整定、故障诊断等。实时数据显示报警事件记录，具有不同的告警权限和告警方式。电网运行设备发生故障时，自动记录继电保护、控制装置和断路器动作的时间和状态,实现图表、曲线、事故追忆的数据釆样和保存功能。丰富的图形编辑及显示功能，在画面上可以根据设备的具体情况直接控制设备，对保护设备进行查询、调整和复归操作等。具有报表制作、显示、打印功能，可统计和计算数据。提供GPRS时钟或计算机时钟对时，包括对监控站、微机保护装置等的统一对时，便于判断电网开关越级跳闸等故障,并具有故障录波分析功能。使用网络浏览器，通过局域网或拨号网络完成系统数据保存功能，包括画面、报表、系统运行信息的査看。系统接口、协议丰富，易于异构系统的互联互通集成，实现与全矿井综合自动化系统的无缝连接。系统扩展性好，本系统以变电所为单位，变电所的增加只需将数据通道接入主传输通道。通过网络实现系统远程诊断、复制更改用户系统的配置文件和系统数据等功能。

2.安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

2.1概述

针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和全面管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站全方位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

2.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

2.3系统架构

Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

2.4系统功能

（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

（4）运行报表：查询各回路或设备时间的运行参数。

（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

（6）历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

（7）电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。

（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

（11）遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

（13）事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

（14）Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

2.5系统硬件配置

应用场合	型号	图 片	保护功能
电力监控系统	Acrel- 2000Z

	电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。
网关	ANet- 2E8S1

	8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GBSD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC220V，导轨式安装。
35kV/10kV/6kV 微机保护装置	AM6-*AM5SE-*

	适用于6-35kv配电线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等中高压柜微机保护
35kV/10kV/6kV 弧光保护	ARB5-M

	主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
ARB5-E	扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
ARB5-S

	弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测	APView500

	相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35kV/100kV/6kV 高压柜智能操控、 节点测温	ASD500		5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量	APM830

三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示；

35kV/10kV/6kV 高压柜除凝露温湿度控制器

WHD72面板式

	支持测量并显示2路温度，2路湿度。
WHD20R导轨式

	支持测量并显示2路温度，2路湿度。
变压器绕组 温度检测	ARTM-8

	8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出；
0.4KV低压进出线柜接头测温	ARTM-Pn-E

	无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
0.4KV低压柜内环境温湿度	AHE100

	无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换）
ATC600

	两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。
0.4KV低压进线柜多功能电力仪表	AEM96

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露
0.4KV低压出线柜多功能电力仪表	AEM72

三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

3.结语

KJ36A型煤矿电力监控系统利用网络技术使电网调度人员可迅速而准确地获得各变电所运行的实时信息，完整地掌握变电所的实时运行状态，及时发现电力设备运行中的故障，并作出相应的决策和处理，同时可以使值班管理人员根据设备运行情况进行负荷分析、合理调度、远控合分闸、避峰填谷，以减少和避免误操作、误判断,缩短事故停电时间。该系统已在柴里矿、许厂矿和梁宝寺矿等几十个煤矿安装使用，具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特点，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]王海波，史友仁.煤矿电力监控系统的研究与应用

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

审核编辑 黄宇