晋北煤业变电站二次设备监测系统的研究

王海华

（霍州煤电集团有限责任公司 供电分公司，山西 霍州 031400）

1 概 况

随着煤矿领域技术水平的快速提升，煤矿中使用的机电装备正朝着重型化、智能化等方向发展，机电装备的用电功率大幅度提升，对运行可靠性要求越来越高。煤矿变电站作用是对整个矿井进行供电，其运行稳定性和可靠性对煤矿安全高效生产有着重要影响。煤矿变电站如果出现故障无法正常运行，就会影响采煤设备的正常运行，降低煤矿生产效率，严重时可能引发安全生产事故，造成重大经济损失和人员伤亡。为了提升煤矿变电站运行可靠性，本文针对晋北煤业变电站二次设备设计监测系统，并应用到工程实践中，取得了良好的效果，对于提升变电站运行稳定性，保障煤矿生产安全具有一定的实践意义。

2 煤矿变电站二次设备状态监测信息

晋北煤业供电系统整体上由两大部分构成，分别为地面部分和井下部分。地面变电所通过高压配电柜实现井下移动变电站的供电，同时还需要对地面用电设备进行供电。煤矿供电系统中使用的变电站等级主要有35 kV 和110 kV 两种。煤矿整体环境非常复杂且恶劣，变电站二次设备工作时特别容易受环境因素影响出现故障，因此需要对其状态进行监测。对二次设备状态进行监测时，总体上可以分成为两大类型，分别为设备自身运行状态和通信链路状态。

2.1 设备自身运行状态监测

晋北煤业变电站二次设备需要重点监测的有交换机、综合保护装置、智能IED 等。通过对以上设备的运行状态进行监测，能及时发现设备运行中存在的故障问题，安排人员对故障设备进行更换或者维修，根据监测结果还可以更加科学地安排设备的检修周期。图1 为变电站二次设备状态监测具体内容。

图1 变电站二次设备状态监测具体内容Fig.1 Condition monitoring of substation secondary equipment

2.2 通信链路状态监测

监测系统除对设备自身运行状态进行监测外，还需对通信链路状态进行监测，具体包括跳合闸信号、开关量信号、故障信号以及模拟量信号等，以上信号基于报文方式进行传输。通过对通信链路状态进行监测，获取报文数据，通过这些数据可以对设备的运行进行准确评估，能更好地掌握二次设备的运行状态。图2 为变电站二次设备通信报文具体信息。

图2 变电站二次设备通信报文具体信息Fig.2 Specific information of substation secondary equipment communication message

2.3 状态评估基本流程

基于上文分析可以看出，针对每个监测对象需要监测的内容较多，如何根据这些内容判断设备运行状态是问题的关键。晋北煤业变电站二次设备状态评估基本流程如图3 所示。

图3 二次设备状态评估基本流程Fig.3 Basic process of secondary equipment condition assessment

由图3 可知，首先通过专家对各个状态信息的权重进行打分，并设置各专家的权重，在此基础上建立评价指标集并对评价结果进行归纳。然后依次建立层次结构模型、判断矩阵，通过三角直觉模糊算法对数据进行处理，实现各指标的单层排序。最后按照权重大小获得模糊总排序，实现设备状态的评估。

3 监测系统的软件设计

3.1 系统软件结构设计

智能化是未来煤矿领域的发展趋势，也对监控主机的性能要求较高。本系统基于Altova XMLspy软件平台对晋北煤业变电站二次设备监测系统的软件部分进行编写，采用的编程语言为SCL 语言。监测系统的软件结构如图4 所示，比较重要的有数据采集单元、数据处理与分析单元、应用单元。数据采集单元作用是对变电站二次设备运行中的数据信息进行实时采集，单元可以拓展多个千兆网口和百兆网口；数据处理与分析单元作用是对报文数据信息进行接收、管理、分析、压缩存储、上传服务器等，采用四核处理器，基于64 位MIPS 64 架构设计，每个核对待处理内容进行分工，其中一个用于状态评价、一个用于数据分析、一个用于数据接收及管理、一个用于数据上传，该单元设置有3 个千兆网口，分别接收SV 网、GOOSE 网和MMS 网报文；应用单元的作用是实现人机互动，每个应用功能可以单独通过子程序实现。

图4 监测系统的软件结构Fig.4 Software structure of monitoring system

3.2 监测系统数据库设计

（1）数据信息传输方式。系统中所述的煤矿变电站基于IEC61850 标准进行建立。变电站中的合并单元和智能终端为过程层设备，通过SV 网和GOOSE 网对报文信息进行上传；保护监测设备为间隔层装置，通过MMS 网对报文信息进行上传。为了对相关数据信息进行采集，设计的监测系统直接接入变电站系统的中心交换机。

（2）数据建模。煤矿变电站和二次设备之间进行通信时，采用的是IEC61850 标准，数据建模时需要综合考虑逻辑设备、服务器、逻辑节点以及数据对象等内容。

（3）具体配置流程。利用配置工具将SCD 文件导入软件平台上，然后设定监测对象的安全阈值，即上限和下限。系统运行时一旦监测发现数据信息超过了设计的安全阈值，会通过监控大屏进行超限警报，监测系统与保护装置之间基于MMS 网建立连接，保护装置采集得到的遥测量、遥信量数据会通过MMS 网进行上传。系统对上传的信息进行解析、处理，可判断二次设备的运行状态。

4 监测系统的应用效果分析

为了验证煤矿变电站二次设备监测系统运行的稳定性和可靠性，根据以上设计方案，将其应用到晋北煤业变电站中。应用前期对监测系统的功能进行调试，确保各项功能都能稳定实现后正式投入应用。目前监测系统在工程中的应用时间超过3 个月，根据技术人员反馈，监测系统的实践应用效果良好，可以对变电站二次设备的状态信息进行实时准确监测。

监测系统设置有监控大屏，可以对监测获得的数据信息进行可视化展示。煤矿变电站中各级变电所高压配电关开关通过不同颜色的矩阵图标进行表示，在监控大屏上可以直观地看到各级变电所的运行状态。开关闭合状态通过不同颜色进行区分，其中橙色表示合闸，绿色表示分闸保护装置不动作。系统运行时一旦发现变电站二次设备存在故障问题或安全隐患，会在监控大屏上进行警告提示。工作人员根据系统提示能快速定位故障位置，并第一时间对故障问题进行处理，将安全隐患处理在萌芽阶段或者缩短故障处理时间。监测系统具有历史数据查询、历史曲线查询、历史报表以及故障录波等功能。

晋北煤业变电站二次设备监测系统的成功实践应用，使得变电站的运行稳定性和可靠性显著提升，故障率降低了15%以上，为煤矿开采过程的连续性奠定了坚实的基础，在促进煤矿生产效率和保障煤矿生产安全方面发挥着重要作用。

5 结 语

以晋北煤业变电站为研究对象，设计研究了二次设备监测系统，监测系统可以对二次设备本身状态信息以及通信链路状态信息进行实时监测，基于监测数据并利用三角直觉模糊算法可以对二次设备的状态进行评估。将二次设备监测系统应用到晋北煤业变电站中，整体效果良好，监控系统可以对设备状态信息进行准确、实时监测，故障率降低了15%以上，有效提升了变电站运行过程的可靠性，为企业创造了良好的安全效益和经济效益。