电力监控系统在煤矿井下变电所的应用

黄家林

摘 要：变电所承担着向煤矿井下各类电气设备提供稳定、充足电力能源的职能。但是由于井下变电系统的结构组成较为复杂，加上作业环境的特殊性，很容易发生电气事故，进而对煤矿的正常生产以及井下人员的安全构成威胁。因此，必须要对变电系统进行实时、动态监控，根据监控结果，为日常维护、故障排查提供必要的支持。本文根据电力监控系统在我矿实际运用情况出发，首先概述了煤矿井下电力监控系统的设计需求和关键技术，随后分别从地面监控主站和井下电力监测分站两部分，对软硬件的组成及其功能的实现展开了简要分析。

关键词：电力监控系统;井下变电所;智能采集;双向反馈

中图分类号：TD676 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0149-02

0引言

近年来煤矿井下作业中，因为电力系统发生故障而引发的安全事故和造成的经济损失，均有上升趋势。受到供给侧结构改革的影响，煤炭企业（煤矿）在技术创新、设备更新等方面给予了高度的重视和大力的支持。在这一背景下，电力监控系统得到了推广使用。该系统可以实时获取井下变电系统的运行参数，然后同步到地面监控中心。管理人员根据反馈信息，掌握电力设备运行情况，并发送相应的调控指令，从而保障了井下变电系统的稳定、安全运行[1]。

1煤矿井下电力监控系统的设计需求

随着矿井生产自动化、机械化水平的不断提升，煤矿井下供电系统的结构也越来越复杂。但是调查发现，很多矿井公司还是采取人工值守的方式，不仅增加了人工成本，而且由于不能及时掌握电力设备运行情况，对事故隐患的排查力度较弱，事故发生率较高。针对这些客观存在的问题，在设计井下电力监控系统时，应着重关注以下需求：首先，要实现自动监测、无人值守。能够将井下所有电力设备全部纳入监控范畴，并且能够自动获取其运行参数，通过参数分析，代替人工实现监管，在监测到异常参数后及时报警。其次，还要实现智能分析、精准判断。不同电力设备的故障发生原因、故障具体表现多种多样。该系统应当基于大数据分析，能够对各类异常参数进行精准分析，识别具体的故障类型、故障位置、发生原因。从而为电力系统维护和电气故障检修提供必要的参考。最后，该系统还要具有快速响应能力，在确定故障后及时进行短路切除，对其他设备起到保护作用，控制损失。除了快速性外，监测灵敏性、运行可靠性等也都是系统设计与运行的基本要求[2]。

2煤矿井下电力监控系统的关键技术

2.1智能采集技术

井下电力监控系统各类功能的实现，都是基于数据采集、数据分析实现的。因此，只有掌握了足够多的有效数据，才能更加全面、直观的反映电力设备的运行工况，为监控工作开展奠定基础。但是井下供电系统结构复杂、设备多样，运行中产生的海量数据，很大一部分并没有利用价值。如果全部收集起来，除了会占用存储空间外，还会增加数据分析压力和系统运行负担。因此，在电力监控系统的设计中，必须使用智能采集技术，根据监控需要有选择性的获取数据，从而实现智能监控。智能采集器具有体积小、功耗低、稳定可靠、抗干扰强等优点，能够满足井下特殊环境的数据采集、设备监控需要，是电力监控系统的重要硬件设备[3]。

2.2实时通信技术

利用传感器、智能采集器获取前端设备的运行参数后，还必须将这些数据实时反馈到地面监控中心的计算机中。由于井下环境相对封闭且十分复杂，给设备通信带来了负面影响，信号延时等情况十分普遍。如果信号质量差、延时问题严重，就会影响地面管理部门实时掌握煤矿井下供电系统的运行情况，不利于对故障的精准识别、有效防控。因此，在电力监控系统设计中，还必须使用实时通信技术，实现通信数据的低延时、高效率、高质量传输。可以使用工业以太环网技术，使用100M高速光纤网络连接主站与分站，增强通信能力。

2.3双向反馈技术

电力监控系统除了动态监测井下供电系统的实时运行状况外，还应当支持地面管理人员发送调控指令，实现远程管理。因此，为了让地面管理人员发送的调控制定可以快速、准确的传达到电力设备中，还必须引进双向反馈技术。数据上传和指令下达应采用双线通道，可以提高信息传输效率，防止出现串扰的情况。

3煤矿井下电力监控系统的主要组成

该系统主要包括了3个子模块，分别是地面监控主站、井下监测分站，以及电力测控单元。其中：（1）地面监控主站由接收机、计算机、数据库服务器、通信服务器、交换机、控制柜等。其功能是根据井下监测分站传输的相关数据，进行筛选、分类、统计、分析，然后将分析结果与数据库内存储的标准参数进行对比。如果實时运行数据不在标准范围以内，则将异常工况判定为故障。然后根据故障数据的来源，反推出发生故障的设备。为管理人员进行电力系统的故障排查提供参考。（2）井下监测分站由智能采集器、各类传感器、通信单元、光端设备等。其功能是实时监测并采集井下电力设备的运行数据。然后将数据打包后，传输给地面监控中心。（3）电力测控单元。负责数据的采集和转发，以及指令的接受与执行[4]。

4地面监控主站的设计

4.1地面生产调度中心的硬件设计

调度中心是整个电力监控系统的核心组成，其硬件组成主要包括3台数据采集服务器，其中2台正常使用，1台作为备用。在有需要的情况下，该服务器还可以临时作为数据库服务器。另有工业控制计算机、数据库服务器以及web数据库若干。数据库服务器用于存储系统运行产生的数据，支持系统运行的程序，以及采集到的电力系统运行参数。Web服务器支持网络运行和通信传输。由调度中心SCADA数据采集服务器进行数据采集，PC操作员站和工程师站实现HMI功能，建立实时和历史数据库及关系型数据库，并进一步的增大信息处理、分析和提升实现生产平台的信息化，实现“管控一体化”的建设。

4.2地面电力监控中心的软件设计

地面监控主站的软件包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件主要包括操作系统和数据库系统等。两台工业控制机采用两套西门子WinCC、还有西门子公司出的DataMonitor、Adult等应用软件。应用软件采用VC6.0集成开发环境，软件包括应用程序基础平台、数据库模块、通讯管理模块、组态工具、定值管理模块、实时监控模块、Web服务模块、文件下载工具等。软件部分采用可扩展设计，后期随着井下设备数量和种类的增加，以及电力监控系统功能实现的需要，可以继续进行系统开发和功能扩展，从而降低了该电力监控系统的开发成本，提高了使用价值[5]。

5井下电力监测分站的设计

5.1硬件部分

硬件部分按照功能不同，可以分為两个部分，即负责数据采集的硬件和响应控制指令的硬件。考虑到井下环境的封闭性，为了实现实时通信，以及提高抗干扰能力，需要设置综合保护器。监测主机由2台计算机组成，1台常用，1台备用。主机故障后可以立即投切到备机，保证监测的连续性。信息采集装置采用高精度的智能采集器。同时串联信号放大器和滤波器，起到降低干扰、增大信号的作用，保证地下监测和传输信号的可用性。井下电力监测分站采用颐坤公司的KJ275-F电力监测系统。井下电力监测分站主要是采用高性能工业嵌入式通讯服务器、供电电源、光端设备等组成。KJ275-F采用分层分布式系统，除了具有一般分层分布式系统的高可靠性、灵活性和可扩展性之外，还具备变电站综合自动化系统的所有功能。

5.2软件部分

井下监测分站包括的软件有操作系统和数据库系统。操作系统安装Windows10，数据库系统采用SQL2000数据库系统，采用目前流行的CenturyStar组态软件进行设计。CenturyStar组态软件是一个实时界面实用程序生成器，可以产生在现场级别和管理级别上的监控和数据采集系统。它由开发系统CSMaker和运行系统CSViewer两部分组成。

CSMaker具有图形自动生成功能，可以根据监测所得的数据，将其自动转化为更加直观的图像、曲线。这样既可以为监控人员掌握电力设备的运行信息，减轻了监控压力，同时又方便参照时间轴进行横向对比，有助于提高地面监控系统对异常工况和潜在故障的准确判断。所有数据在传输给地面监控中心后，CSMaker还支持历史记录查询功能，方便管理人员随时调取历史数据。CSViewer可以支持智能报警，对于电力监控系统无法自行解决的故障问题，发出警报，同时在显示屏上提供故障码。根据故障码，管理人员可以对故障发生位置、故障产生原因等有一个基本的了解，为制定故障排除方案提供了参考。

6煤矿井下电力监控系统的应用效果

电力监控系统在我矿井下变电所中推广使用后，除了代替人工完成监控，减轻管理人员工作压力外，还取得了以下应用效果：（1）电力设备状态参数实时监测、自动更新，方便地面控制中心的管理人员远程掌握每一台高压真空配电装置、移动变电站的实时情况。（2）实现了远程控制，地面管理人员可以通过控制台，编辑和发送相关的指令或是调整相关的参数。这些指令、参数同步传递到基层单元，并准确的作出相应的动作。（3）通信数据传递速度快、信号质量好，控制周期短。从井下采集电力设备运行数据到地面控制中心接收到数据，整个过程控制在10s以内，效率较高。（4）扩容升级方便，预留的开放式数据接口，可以采用USB直插的方式烧录程序，方便进行系统升级和功能增减。

7结语

在电力信息化背景下，煤矿井下变电系统中引进电力监控装置，可以实现对各类电力设备运行工况的实时监测、精准控制，通过提高监控成效，为管理人员提供方便，也保证了电力设备的稳定运行。对于煤矿公司来说，一方面要积极推进管理信息化进程，通过引进应用和持续开发，让电力监控系统的价值得到更好的发挥。另一方面还要做好后期的软硬件维护工作，才能保证电力监控系统的持续、稳定运行。

参考文献

[1] 范冠军，曹海波，吕刚.螺旋式空气压缩机余热回收系统在高山煤矿的应用[J].内蒙古煤炭经济，2019（8）：59-63.

[2] 郭印众.基于PLC的煤矿井下中央变电所远程监控系统应用研究[J].水力采煤与管道运输，2019（1）：70-71.

[3] 马晓辉.电力监控及防越级跳闸系统在煤矿供电系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2019（22）：127-128.

[4] 范冠军，于彬.电力监控系统在高山煤矿井下变电所的应用[J].山东煤炭科技，2019（4）：117-118.

[5] 谭昆云，侯景彬.煤矿电力监控系统的发展与应用[C].中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集，2012.