煤峪口矿井下电力监控系统设计研究

韩 旭

（晋能控股集团煤峪口矿，山西 太原 037000）

1 概况

煤峪口矿井田含煤地层为侏罗系大同组，目前在采6 号煤层，该煤层厚度2.45～13.84 m，最大倾角为12°，采用综合机械化放顶煤采煤方法开采，顶板采用全部垮落处理。煤矿井下用电设备多、供电系统复杂，采用多级短电缆组成干线式电网结构进行供电[1]，供电保护系统则为短路保护与阶段式电流保护结合的方式，各段线路首末端间短路电流幅值无法精确测算[2]，因此传统的电流整定级差保护方式不能保证各级开关电流速断保护有效配合，经常会出现越级跳闸状况[3]。2021 年煤峪口矿将供电保护系统按照定时限过电流保护模式进行重新配置，虽然在一定程度上保证了跳闸的选择性和灵敏性，但由于供电系统层级复杂，继电器本身具有时间灵敏度要求，导致中间时间差太小，进而出现故障不跳闸现象，供电保护系统功能性受到抑制[4]。因此研究一套适应煤峪口矿供电工况的井下电力监控系统，对供电安全具有重要现实意义。

2 井下电力监控系统设计

基于煤矿井下用电工况设计的电力监控系统共分为井上电力监控主站、井下电力测控分站以及高开综合保护器三个系统层级。其中，高开综合保护器内配置先进数字式矿用综合保护装置，配合矿用隔爆型电流保护控制器和数据通信系统，利用零时限电流保护技术避免保护系统的越级跳闸问题。

2.1 监控主站

井下电力系统监控主站核心硬件为数据服务器、通信系统以及监控工作站。数据服务器是系统监控终端采集的原始数据、系统控制过程的运算数据和结果数据的主要储存硬件[5]，同时也是系统的Web 服务器，设置两台，互为备用；通信系统为监控工作站从数据服务器数据调用、数据交换、规约转换、通道监视等提供渠道[6]；监控工作站对系统监控原始数据进行分析、管理，对井下电网运行工况监视，通过逻辑运算和程序控制进行开关动作指令的发出，系统监控状态直接显示在监控工作站平台，操作人员可以进行历史数据查询、报表打印等交互作业。软件架构如图1。

图1 监控主要集成软件平台功能架构图

1）数据管理功能

软件采用DL451-91 和MODBUS 通信协议能够动态定义通信口和参数，并实时更新内存数据库，是软件人机交互界面实现SCADA功能的数据来源。硬件之间的数据传输采用以太网形式，保证数据传输速度和数据传输容量。

2）组态功能

系统组态功能包含有人机界面监控界面的组态、数据报表的组态以及通信拓扑结构数据点表的组态。监控界面的组态通过电力专业标准图元、监测控制仪表图形等在上位机根据系统监控需求设计的可以直观展现系统监测、控制元器件状态和实时运行工况的界面，监控数据动态实时更新，操作者还可以通过监控界面进行系统数据修改、控制指令发出等操作。数据报表为EXCEL 表格格式，对系统监测的时段内电力电量、各级开关变位次数等数据统计结果的显示，且能够自定义运算公式，提升电力监控拓展性。通信拓扑结构及数据点表组态可以对通信口参数进行设置，对通信规约进行设定，并设定系统与外部系统的交互提供控制逻辑。

3）报警功能

报警子系统为相对独立的子系统，在监控值超过阈值达到报警设定值时，主控制系统自动调用报警系统触发报警。鉴于井下供电特殊性，报警功能按照不同故障工况分为三个等级：严重、一般、轻微。报警系统触发时，上位机自动弹出报警界面，显示优先级为最高，显示内容为报警类型、报警内容以及故障点等主要信息，界面报警灯闪烁，直到操作人员人为确认。报警阈值可以通过人机界面在线修改，但各项报警值设定范围由系统管理员设定，操作人员只能在设定范围内修改报警参数。

4）故障录波分析

系统的录波通道有各开关状态、监测点位三项电流电压以及保护系统电压和电流等，操作人员能够在上位机进行录播通道筛选，并对波形进行放大和缩小操作，波形图上任意位置均对应特定数值的有效数据和时间信息等。通过故障录波分析功能可以定位故障点、故障持续时间和故障类型。

2.2 监控分站

监控分站除了对电力数据进行采集外，最重要的功能是改善原来供电保护系统的越级跳闸问题。分站的防越级跳闸保护控制器硬件原理如图2 所示，主要包括了CPU 模块、开关量和模拟量输入输出单元、绝缘监视模块、交流采样合并单元以及通信单元等。控制器CPU 采用STM32F207 芯片，兼具RS-485 和以太网接口，集成了A/D 转换模块、串口控制器和定时器。开关量输入输出单元实时采集供电电路中开关状态，输出信号经过光电隔离模块，能够极大屏蔽电磁干扰，由CUP 控制单元接收。绝缘监视模块通过外接直流电源与电阻系统实现绝缘在线监测功能。监视模块实时测量外接电阻两端电压，与正常工况下进行对比，如监测值电压偏小，则表明电路出现断路故障；如监测电压偏大，则表明电路出现短路故障。交流采样合并单元能够将接收到的电压和电流信号通过电压/电流互感器传输给合并单元，进行A/D 转化后将模拟信号传输给CPU 模块。通信单元主要是依托CPU 集成的以太网控制器进行GOOSE 配置和GOOSE 收发。

图2 防越级跳闸控制单元原理图

防越级跳闸闭锁保护控制器的软件设计流程如图3，主要通过电路的电流检测实现故障判定。程序初始化完成后首先检测电流信号，如系统检测到故障电流，则延时T1 后进行是否接收到下级GOOSE 闭锁信号判断。如未接收到闭锁信号，则发送跳闸指令进行保护器动作指令执行，并向上级发送解除闭锁信号；如接收到闭锁信号，则继续执行延时T2 后检测是否接收到闭锁信号，未接收则结束程序，接收到闭锁信号，则对保护控制器发出动作指令进行保护动作执行，并向上级发送解除闭锁信号。

图3 防越级跳闸闭锁保护控制器软件设计流程

3 系统运行效果

3.1 变电所运行监控功能

井下电力监控系统上位机显示变电所运行状态，界面中断路器采用矩形图形表示，通过矩形不同颜色显示指示断路器运行状态，监控界面上状态转变准确清晰。在录波显示界面，通过移动鼠标可以观测各波段点位的数据，便于故障分析。

3.2 防越级跳闸功能测试

为检测设计的电力监控系统的防越级跳闸保护功能，根据煤峪口矿的供电流程进行试验系统搭建，搭建的试验系统如图4。将高压开关装置于10 kV 的高压开闭所中（K2），将保护器DMP5211 装置于开关柜，高压防爆开关K2、K3、K4、K5、K6 均配置一台保护器，进行短路跳闸试验。线路K2K3、K4K5 选择光纤差动方式来对过流进行保护，线路K6 将速断过流保护当作系统的主保护，然后对所有线路设置出速断保护装置。

图4 试验电路示意图

分别进行D1、D2 和D3 短路点测试，结果显示D1 点短路时，K2 和K3 跳闸，未发生越级跳闸现象；D2 点短路并且使K4 开关失灵时，K3 限时速断保护正常工作，K3 跳闸；D2 点短路且K4 和K5 正常工作时，K4 和K5 跳闸，未发生越级跳闸现象；D3 点短路且K6 开关失灵时，K5 限时速断保护正常工作，K5 跳闸；D3 点短路且K6 开关正常时，K6 跳闸，未发生越级跳闸现象；当K2 末端发生两相短路时，K2-K3 光纤差动保护正确切断故障。通过试验可以看出，设计的井下电力监控系统的防越级跳闸保护功能有效。

4 结语

针对煤峪口矿电力监控系统采用电流整定级差保护方式，导致经常会出现越级跳闸状况的问题进行井下电力监控系统优化设计，形成以下结论：

1）井下电力监控系统由井上电力监控主站、井下电力测控分站以及高开综合保护器三个系统层级构成，分别对主站、分站和防越级跳闸控制器进行设计，实现高效保护煤矿供电网络安全，避免越级跳闸问题的出现；

2）防越级跳闸闭锁保护控制器以STM32F207为控制核心，进行软件流程设计，兼顾电力保护系统动作灵敏度的同时，精准进行故障断闸，防止越级跳闸；

3）对设计的井下电力监控系统的状态监控、录波功能以及防越级跳闸功能进行测试与试验，试验结果表明该电力监控系统电力监测与开关控制功能有效，能够避免越级跳闸问题出现。