基于开放式结构的煤矿电网实时预警系统设计与实现

孙学军

（中原工学院信息商务学院，河南省郑州市，450007）

基于开放式结构的煤矿电网实时预警系统设计与实现

孙学军

（中原工学院信息商务学院，河南省郑州市，450007）

介绍了基于开放式结构的煤矿电网预警系统的结构及软件体系设计情况，该预警系统可以在良好的系统开放性基础上，充分调用矿井生产中的各种数据，提供电网安全预警与防控。

开放式结构 煤矿电网 预警系统

1 引言

目前，煤矿电力系统安全运行所依赖的调度控制中心功能从初期的系统监控和数据采集（SCADA）发展为能量管理系统（EMS），从“经验型”调度逐步提高到“分析型”调度，少数调度控制中心扩展了在线动态安全分析应用，初步具备了部分安全预警功能，但尚未提出和形成安全预警技术体系的整体框架。

随着现代电网规模的不断扩大，电网的运行显得越来越复杂，许多电网事故的起因往往是由于一些局部的、小的故障没有得到及时有效地处理，或者是一些已经存在的电网安全隐患没有得到及时发现和重视，最后发展成大范围的、失控的电网事故。同时，在实际运行中，目前的自动化监控系统提供大量的SCADA数据，各种报警信息涌入运行人员工作站，运行人员往往被大量数据“淹没”，很难做出决策，错失处理事故的良机。

2 系统结构

煤矿电网实时安全预警系统是根据开放系统结构（Open Systems Architecture）和面向对象的系统设计思想而开发的管控一体化系统。系统采用面向煤炭电力系统对象的设计方法，支持从支撑平台层到应用层的全面开放。应用软件建立在开放的国际工业标准基础上，不仅提供站级和调度级的自动化运行管理功能，而且还提供丰富的电力系统专家决策支持功能。

遵循系统开放性原则选择网络设备、操作系统、数据库管理系统和软件开发环境等符合国际标准的产品，采用模块化设计思路构建开放性的系统体系结构；在系统的支撑平台软件、软件的设计中尽量减少软硬件之间的依赖程度以及软件之间的耦合程度，以提高系统的开放性、兼容性、可移植性和可维护性。系统的网络结构配置见图1。

系统采用多主机分层、分布式结构配置。网络可采用星型/总线型以太网（单双网、光纤或双绞线模式可选）。以太网络采用10/100/1000 M高速工业以太网。其中前置通信网络既可单独组网也可与后台监控共用网络。具体网络构成描述如下：

图1 系统的网络结构配置

（1）前置通信服务器。前置通信服务器是系统通信转换通道，负责变电站通信接入，收集实时数据并负责转换为后台服务可识别信息并上传到调度中心。同时，接收并转换后台服务实时数据并下发至变电站。

（2）SCADA实时处理服务器。SCADA实时处理服务器与SCADA历史处理服务器合并配置用以提供实时数据转换处理、网络数据通信、生成报警事件、控制请求响应等系统基础服务。

（3）SCADA历史数据服务器。负责SCADA历史数据存储和备份（可与SCADA实时处理服务器合并配置），提供历史数据定时或变化存储及访问、事件存储及访问、事故追忆存储及访问等。

（4）操作员工作站/应用工作站/维护工作站。负责电力系统日常运行监控（可与SCADA实时处理服务器合并配置），操作员工作站/应用工作站提供变电站运行工况监视，远程控制操作功能，以及防误闭锁及操作票、电压无功控制、继保及故障信息管理等应用功能；维护工作站提供系统配置变更维护，如设备添加、监控画面制作等。

（5）报表工作站。负责日常运行报表制作与浏览打印（可与维护工作站合并配置），提供报表制作与定义、报表打印、浏览服务。

（6）Web发布服务器。负责在安全区进行SCADA实时信息的Web发布服务，提供监控中心实时信息Web发布、历史信息Web方式查询浏览、为非区用户提供自动化系统实时信息。

3 软件体系设计

3.1 功能设计

（1）数据采集与数据处理。来自矿井运行的实际电力数据是电力监控系统决策和动作的依据，数据采集系统通过通信通道自动获取、人工置数获取和人工召唤3种方式获取，依照断点续传支持、多数据源支持、数据传送优先级支持和动态重载阈值4种数据采集策略，对矿井电力系统的电力模拟量（电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、温度）、状态量（断路器双位置接点、隔离开关、接地闸刀位置、设备投切状态、自动装置投切状态、远方/就地切换开关位置、事故总信号、主要设备故障异常信号、继电保护及自动装置的动作信号、继电保护及自动装置的异常状态信号、充油电缆告警信号、断路器的机构及控制回路异常信号、直流接地检测装置故障信号、UPS故障信号等）、电度量、步量位置等数据进行采集和处理，为电力系统的监测和控制提供数据支持。

（2）矿井电力实时监测和控制。矿井内各人机工作站应能够单独按照不同的管理单位需求，划分为不同的责任分区，按厂站屏蔽和开放各自所管辖厂站的画面索引和厂站画面，满足不同的管理需求；责任分区信息可以在线定义和管理，责任区定义与用户权限管理相结合，实现各司其职。实时信息可以按照责任分区的定义发送到指定的分区相对应结点上，实现信息的分流处理。可以按照变电站或以电压等级划分为不同的责任分区或安全级别，每个设备都可以建立在相同的责任区内进行关联，实现信息分流。系统还可以对矿井内可控制元件进行远方控制及调节。

（3）事件定义与报警处理。通过系统数据库对电力运行中某些量的特征变化、应用程序的某些过程、系统设备状况变化等矿井电力系统运行状况进行运算和比较，依据系统建模标准对异常数据进行定义，对电网系统异常时间进行预警。并提供对应的解决方法和远程处理动作。

（4）防误闭锁及操作票系统。防误闭锁目的就是在设备的运行状态切换过程中保证控制操作的可行性和安全性。集成系统运行监控向五防机发送请求遥控，五防机允许后，监控执行遥控操作。五防机向监控发送请求遥控，监控执行相应遥控，平时监控遥控全部闭锁。由一体化监控内置防误闭锁系统提供逻辑闭锁及规则库编辑。运行值班人员接到上级调度部门下达的操作任务后，首先要在监控主机上开具该操作任务的操作票，在开票过程中五防模块对每一步操作进行逻辑判断，若操作正确则允许进行下一步操作，反之则报警提示错误原因，提示操作人员更正，拒绝所有违反“五防”原则的操作。开票结束后，通过通讯适配器将操作票内的一次设备操作序列传输到电脑钥匙中，操作人员使用电脑到现场进行解锁操作。操作时电脑钥匙自身显示当前倒闸操作的项目，允许人员将电脑钥匙插入相应的设备编码锁内，通过其编码头检测操作对象是否正确。若正确，则电脑钥匙发出允许操作命令，同事开放其闭锁回路或机构，可以进行倒闸操作；若走错间隔或误操作，电脑钥匙用语音发出错误警告，提示操作人员错误操作的类型，并用液晶显示器显示当前错误操作的设备编号及应操作设备编号，达到强制闭锁的目的。在操作过程中若遇到需要监控后台进行操作的项目，将电脑钥匙拿到主控室并插到通讯适配器上向五防汇报已经结束的操作并刷新虚点（监控采集不到的一次设备状态）信息。汇报结束后在监控机上进行相应的操作，操作完成后格局提示信息继续下面的操作。

（5）区域无功电压控制（AVQC）。在电压优化调节层面：矿井内同级变电所之间，在正常电压范围内，通过控制本级电网内无功功率的合理流向，实现无功功率就地分层平衡，提高受电功率因数；等级不同的变电所在同电压情况下根据计算来决策优先投入对象；同一变电所内不同电容器组的功率分配依据计算决策。在无功优化补偿层面：在无功功率流向合理前提下，变电站母线超限（超上限或超下限）运行时，根据同电源、同电压等级变电所和上级变电所电压情况，采取调节本变电所有载主变分接开关或者调节上级电源变电所有载主变分接开关档位实施优化补偿；电压合格范围内，实施逆调压。实现减少主变并联运行台数以降低低谷期间母线电压。实施有载调压变压器分接开关调节次数优化分配。实现热备用有载调压变压器分接开关档位联调。

在无功电压综合优化层面：当变电所10 k V母线电压超上限时，首先降低主变分接开关档位，其次切除电容器；当变电所10 k V母线电压超下限时，首先投入电容器，再提高主变分接开关档位，尽可能保证电容器投入量达到最合理值。

（6）电网运行安全管理。对用户进行分类、分组、分级管理，系统对应不同用户提供不同的操作功能和访问界面。配置病毒防护服务器，与地区主站端的一级病毒防护服务器连接，实现病毒库和补丁的自动更新。系统在不同的安全边界部署物理网络隔离设备或架设防火墙对系统数据通信实施安全防护，采用严格的安全访问控制机制，对终端用户进行身份验证，用口令管理和权限管理结合的方法来规避非法用户对系统的恶意操作。系统中发生的重要操作和事件处理都采用系统日志方式予以记录保留。在网络设备安全层面，通过配置多层交换机上网络访问列表，检验试图访问核心服务器用户身份及权限，避免合法用户的错误操作，对于跨网用户的访问，通过配置路由器的访问控制列表来允许经过授权的网络地址访问权限内允许的数据资源，禁止未经授权的网络用户非法登录，从而避免通过修改配置文件来非法访问网络资源。充分利用网关节点的安全手段，尽可能地减少直通请求。在网关节点上安装的防火墙软件和硬件，起到监测网络信息的作用。

（7）电网系统运行管理。对电网操作记录、运行日志、交接班、生产安全、设备管理、继电保护等电网日常运行记录和数据进行管理。

3.2 软件体系设计

系统业务需求层次多内容丰富，考虑到集成第三方专业软件系统，因此系统软件必须具备良好的开放性和标准实施以利于集成；系统软件相应地也需建立自己的层次体系，并在各层次上都能提供充分的二次开发接口及配置工具以利于可能的业务需求的变更和扩充；系统软件还需面向电力系统对象来进行模型建立、业务逻辑处理和应用界面组织以利用系统的使用和推广。系统软件体系结构见图2。

图2 煤矿电网实时预警系统软件体系结构图

3.3 EMS基础算法设计

（1）网络拓扑。根据电力系统各个元件的连接关系，通过实时遥信信息，确定电网的拓扑结构。网络的结线分析包括对厂站的结线分析和对系统的结线分析。

（2）潮流计算。采用交流法潮流计算分析支路开、断后系统的潮流分布，电力系统中有很多可能的预想故障，但有的故障发生对系统影响严重，有的影响不严重。自动故障选择的功能是按候选的预想故障开断对系统安全影响的严重程度排序。自动给出哪些事故是重要的，哪些事故是不重要的，以及它们之间相对重要性的信息。

（3）状态估计。采用软件手段，在硬件测得的量测信息基础上，利用数学的方法计算出系统的状态变量的值，进一步计算出所有关心的量。充分发挥已有硬件的潜力，提高数据精度，补充已有量测的不足，排除不良数据的影响，提高实时数据的可靠性和质量，获取电网的运行状态。

4 结语

基于开放结构的煤矿电网监控系统，采用多主机分层、分布式结构配置，通过系统建模和EMS运算，为煤矿电力系统安全运行提供数据采集、矿井电力检测和控制、事件定义与报警、区域无功电压控制等功能，系统具有跨平台、高可靠、智能化和层次化等特点，为煤矿电力管理提供了良好保证。

［1］ 李建峰.兴隆庄煤矿采区变电所电网监控改造［J］.煤矿机械，2010（2）

［2］ 徐颖秦，谢林柏.基于总线网络的企业电网监控系统［J］.工业仪表与自动化装置，2009（6）

［3］ 王晓静，焦恩喜.变电站综合自动化系统及监控自动化系统设计［J］.中小企业管理与科技，2009（6）

［4］ 于飞，胡平.变电站综合自动化系统设计［J］.微计算机信息，2008（33）

Design and application of real－time warning system for power grids of coal mines based on open architecture

Sun Xuejun
（College of Information and Business，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450007，China）

The structure of warning system for power grids of coal mines based on open architecture and the software design were introduced.The warning system could call up all kinds of production data from the coal mines to provide warning，prevention and control for the security of power grids.

open architecture，power grids of coal mine，warning system

TD65

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孙学军（1971－），男，河南南阳人，研究生学历，研究方向：企业信息化与电子商务。

（责任编辑 张艳华）