浅谈煤矿电力监控系统的设计与应用

摘要：本文介绍了自动化电力控制系统的概念、优势和组成，简要分析了电力监控设备软件设计的不足，并指出了电力监控系统在煤矿多种场合的应用，期望给煤矿电力设备自动化监管平台建设提供有益的思考。

关键词：煤矿，自动化，电力监控系统

0引言

随着科学技术的进步，许多煤矿企业为不断降低生产成本、减轻员工的劳动强度在生产过程中引入自动化电力监控设备,大大提高了企业生产效率。目前，煤矿企业普遍釆用的供电系统电力监控设备主要依靠微机设备实现，虽然该技术投入使用时间较长，技术成熟度较高，但在监控软件设计、自动化控制、系统程序优化等方面存在不足。为了实现对煤矿电力系统的高效监控，需要加强优化电力软件和系统设计能力，将完善的电力监控体系引入煤矿建设和生产，实现在煤炭工业中多方面的应用。

1自动化电力控制系统的概述

1.1自动化控制技术概念

自动化控制技术是一项在工农业领域广泛使用，包含机械、电气等学科自动化设计及自动化控制的相关理论和技术的总和。自动化技术的显著特点是智能化、信息化，通过现代化的控制技术和手段，解放了劳动力，提高了单位生产效率，避免了员工置身于危险、繁重、低效的工作环境中。自动化控制技术反映了现代工业的发展进步,煤炭工业电力控制系统也在不断完善自动化电力管网建设，使得煤矿生产更加安全、高效。近年来,物联网、5G技术等技术的兴起为电力系统自动化建设提供了物质和技术支撑，国家和社会层面逐渐深入讨论了自动化技术发展和应用,煤矿企业应加强电力自动化技术研究，充分挖掘自动化技术在电力监控系统的应用渠道，以推动我国煤炭工业长期健康发展。

1.2自动化控制的优势

传统煤矿开采属于人员密集性行业，井下生产大多依赖人工方式,工作效率低下，人员暴露在高温、高湿、多粉尘的作业环境中，存在多种安全生产隐患。而自动化控制的显著优势是将运行过程和管理方式自动化，大大减少了从业人员的投入数量，提高了电力设备运行的安全性。在煤矿电力设备监管中引入自动化技术和装备，一方面，可以降低劳动者暴露在危险环境的频次，保障从业人员的生命和企业财产安全;另一方面，可以提升煤矿井下装备利用自动化的水平，以及对危险介质和因素监测的精度和效率,克服了以往人工监测的弊端，有利于建立监测、分析、预警为一体的电力设备自动化监测平台。电力监控系统自动化平台建设可以实现24h不间断、全方位的有效监测，有效衔接电气设备监管的各环节，以提升电力设备安全管理的水平。一旦电力设备任意环节出现故障，通过自动化监测平台能够快速监测故障来源，判断故障类型和危害度，为后续电气设备检修提供有益的方案，有效避免了人工监视易产生的疏漏、监管不力等弊端,提高了井下电气设备安全监管能力，延长了设备的使用寿命。

1.3煤矿电力监控系统的组成

目前，我国多数煤矿电力监控系统的结构大致可以分为地面监控系统、监控和通讯设备以及其他保障设备3层。地面监控系统是自动化电力监控平台的核心部件，也是煤矿地面安全监控网络建设的重要内容。地面监控系统包括监控计算机、操作软件、网络服务器、USP电源等设备，地面监控系统的操作软件具有客户端和浏览器的双重功能，拓宽了装置运营环境,采用与煤矿运营要求相符的组态软件可以进一步优化电力监控网络层级，达到信息共享和远程监控的目的。煤矿电力监控平台正常运作主要依靠以太网的桥梁作用，在地面监控站与地下接收站、通讯接口与通讯接口、通讯接口与接收分站之间均依靠以太网进行信息远距离传送，从而实现对井下工作环境和设备状态的全天候、不间断监视和管理。煤矿电力监控自动化平台体系的基础是设备层,其主要包括高、低压配电柜、配电开关、继电保护设备、电力传感设备、电路信号测量设备等，应搜集关于井下电气设备各项运行参数的详细信息，并通过以太网传送给地面电力监控平台进行分析和处理。

2煤矿电力监控系统的设计

2.1远程控制和监视系统的设计

在煤矿自动化电力设备监控系统的建设过程中，一个直接的用途是实现变电设备的远程遥控和监视功能，而上述功能的实现需要大量电气监测数据的支持，为此，需要在井下变电站传输单元配置防爆千兆光纤传输设备，以保障数据传输的需要。利用智能终端收集井下电气设备工作参数，将控制设备开关的断路器连接在每个智能终端，方便电气设备管理人员在安全范围内远程操作变电站断路器的断开与闭合，实现对电力设备的智能化远程监控。建设煤矿电力设备监控设备时，在变电站调度室安装自动追踪摄像探头，不间断监视变电站重要装置参数和断路器，并根据需要调整监控探头的角度，达到远程监视员工行为和重要电气设备的目的。要想顺利运转上述的远程控制和监视系统，除了需要安装防爆千兆电缆，还需要构建变电站环形网络，对电气设备的信息数据进行分类、分组传输，以避免发生数据拥挤、数据延迟等数据传输故障。

2.2变电站自动化监控软件的设计

变电站自动化监控软件设计的初衷是为井下中央变电室的电源系统提供安全保护，防止高压电路电流出现过载现象，下文以SCADA自动监控系统为例进行说明。煤矿重点变电站过载保护装置主要由馈线保护、总线耦合器和母线接收器等部件组成，当中央变电站馈线保护系统监测到电路电流超过规定值的80%时,过载保护单元发送故障信号。当馈电线路故障进一步恶化，接近甚至达到馈线保护程度的设定值时，过载保护会引导断路器跳闸防止灾害扩大。过载保护可以加快电流过载故障判定的速率，使电气设备安全指数更高，因此，煤矿自动化电力监控软件SCADA体现了电气监控系统的安全性与稳定性。但该监测软件使用过程也暴露出一些问题，例如，软件代码稳定性不足导致储存信息碎片化、分布式模块设计将相同功能分配至不同板块、通信设备和服务器的待机模式无法提高系统可靠性等问题，需要煤矿电气工程技术人员根据具体应用需求进一步优化相关设计。

2.3电力自控系统内部的设计

设计电力自控系统内部时，应根据煤矿企业对自动控制模块的功能要求开展相对应的设计工作。井下电力系统监控应具备“四遥”功能，包括CPU模块、数据存贮模块、控制模板和GPRS/CDMA数据通信模块，要求各部分模块相互配合，快速査找故障节点，根据信息反馈的故障类型采取处置手段，并将故障检修过程记录后保存在数据库以备日后查验。井下电力自控系统搭载的保护装置应具备联网功能，方便升级改造系统软件;根据不同电力控制设备的类型和应用场景，综合考虑设置保护参数及多种控制策略，以满足井下生产对电力控制调节的要求。此外，电力自控系统应实时监测各设备的运行状态，及时分析采集的数据，并汇总成图表和历史曲线，方便电气设备操作人员更加快速、直观地了解电气设备运行参数，进而根据生产变化调节保护参数，确保各电气装置顺利开展工作。

3自动化电力监控系统在煤矿的应用

3.1煤矿电力智能化监控平台的应用

煤矿电力智能化监控平台能有机整合本矿区所有电气设备，主扇风机机房、提升机房、主泵机房等动力设备通过集控技术整合，经过交换机和光纤设备实现信息交换,调控各系统间的参数细节,*终利用数据传输终端连接现场数据与远程控制中心，实现井下电气设备运行状况的平台化管理。在煤矿自动化控制平台环境中，电气设备管理人员可通过一个用户界面的数据库管理井下多台电气设备,大大节省了系统接口的成本，减少了电气设备的配件釆购和应用数量。此外，工程技术人员维护和保养电气设备时，借助智能化监控平台,依靠数字化编程和监控软件的应用，可不断优化电气设备检修程序，缩小非必要、重复性检修范围，大大节省了电气设备管理和维护成本。

3.2在煤矿变电站场所的应用

变电站是维持煤矿电气设备正常运转的核心设备，将自动化、智能化控制手段引入煤矿中央变电站控制平台，可实现计算机技术与煤矿输电供电技术的深度融合，便于煤矿电网数字化、自动化管理。在煤矿变电站的日常管理中，解决不同电源间的电位差问题保障电气设备正常工作是重点话题,这需利用等电位连接技术。鉴于煤矿电气设备内部结构比较复杂，若不能有效控制等电位的连接方式，极有可能造成电气设备实际功率不稳定而发生故障。因此，需要将电气自动化技术引入煤矿变电站管理平台，一方面严格控制等电位连接路径，另一方面合理规划电气设备网络分布，不断优化相似功率电气设备位置分配，提高电气设备等电位连接的可靠性。同时，煤矿电力监控智能平台可将电气装置模拟数据、脉冲数据等实时运行数据反馈至中央控制室，方便电气设备控制人员远距离调节断路器的断开和闭合，*终实现井下电气设备的平稳高效运转。

3.3在电气设备管理方面的应用

在电气设备管理方面，一些煤矿企业倾向于采用人工方式管理电气设备，很容易因人员主观因素导致电气设备运行偏差，高度依赖电气工程技术人员的个人经验，经过多次检验排查后才能消除电气设备故障，增加了企业生产性成本。为此,煤矿企业管理人员应高度重视自动化电力监控设备的使用价值，引入*新的电力监管设备和技术充实现有电气设备管理模式。现代煤矿电气设备管理通常釆用以太网作为信息沟通的桥梁，引入多种煤矿开采机械化设备和运输设备,充分整合矿山电力监控系统、煤炭运输及保护系统、井下通风排水系统等自动化远程控制平台，将多设备、多功能的监控技术应用在煤矿生产，降低了煤矿企业电力设备运营成本，提升了企业电气设备整体的安全性和稳定性。

3.4在电力通信方面的应用

在电力通信设备应用方面，煤矿自动化电力监视系统也有广泛的应用环境。数据服务器作为一种电气信号数字化处理中枢，不但能监控智能控制平台的参数，还能利用Web服务器进行适当的数字运算，大大拓宽了电气设备监管平台的应用场景，例如，数据服务器可以估算电气设备运行参数的上、下限模拟量，并针对电气设备釆集电路学参数进行周期性存储，方便随时调用电气设备的运行数据。在通讯服务器环节，釆用防爆千兆光纤传输数据,将数据服务器、监控工作站以及变电所之间通过数据连接，利用以太网模式将各服务器接口模式兼容,实现了电气设备监控数据、数字信号转化、数字格式化等工作的高效衔接。在实际电力通信设备管理中，许多煤矿企业采用双机备用系统以保障井下、井上电气设备的连通，在不影响电力监控设备使用需求的前提下，实现电力设备互为备用，避免单一设备损坏影响整体电力监控系统的正常运行。

4.安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

4.1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。

4.2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。

4.3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、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

4.4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。

4.5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

5结论

综上所述，自动化电力监控系统是一项推动煤矿企业监视和调节电气设备运行的关键性技术，值得煤矿企业管理人员高度重视。目前，在煤矿企业普遍推进数字化管理的背景下，通过优化远程控制和监视系统设计、变电站自动化控制系统设计、电力自控系统内部设计，满足了自动化电力监控设备在监控平台建设、变电站场所、电气设备管理和电力通信设备的应用，实现了电力设备的自动化、智能化管理，应不断将煤矿电力监测系统推向更加正确、科学的管理模式。

参考文献

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[2]曾祥林.基于多协议融合的煤矿电力监控系统在智能电网中的应用研究[J].今日电子,2018(9):61-62.

[3]梁智清.煤矿电力监控系统的设计与应用

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

审核编辑 黄宇