淺談煤礦電力監控系統設計與產品選型

王丹丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了解決原有電力監控系統存在的通信混亂、傳感器采集速度慢、數據集中處理能力較差等問題，對煤礦電力監控系統進行了設計，即對電力系統地面主站調度監控系統、井下電力監控分站和礦用綜合保護測控裝置進行了設計，并對其運行原理進行了分析，解決了通信混亂、傳感器采集速度慢、數據集中處理能力差等問題，為其他煤礦電力監控系統的設計提供了一定的參考，也為煤礦電網的穩定運行做出了一定的貢獻。

關鍵詞：電力監控；傳感器；綜合保護；監控分站

0引言

中國煤炭資源儲量豐富。伴隨著煤炭資源的大量開采，開采煤炭資源所需要的能源也在逐步增加。電力資源是維持煤礦生產的重要資源，供電性能直接影響著煤礦的正常生產。由于煤礦電路負載不穩定、井下環境惡劣等問題，煤礦電力系統極易發生故障且故障檢修十分復雜，這均使得煤礦電網面臨較大的挑戰。據統計，中國煤礦電力系統主要故障可分為相間斷路、單相接地、斷線等。為了保證煤礦電網運行安全，供電管理部門需對煤礦供電人員進行培訓，同時對井下自動化提出更高的要求[1-2]。目前，中國大部分煤礦均逐步完善了自動化系統，煤礦電網的運行穩定性得到了一定幅度的提升。但部分煤礦電力監控系統存在通信混亂、傳感器采集速度慢、數據集中處理能力較差等問題，所以提升電力監控系統的運行效率和穩定性是煤礦供電的重要研究課題。此前較多學者對此進行了一定的分析和研究[3-4]，本文在前人的理論基礎上，設計了新型電力監控系統，為煤礦穩定供電做出一定的貢獻。

1.電力監控系統簡介

電網為煤礦安全生產提供了動力，不同于其他工業生產，需要在煤礦電力系統各個環節提升安全系數，在進行電力監控系統設計時，保證監控系統能夠有效地對煤礦電網進行監測。一般煤礦電力監控系統主要由3個部分組成，分別為地面主站調度監控系統、井下電力監控分站、礦用綜合保護測控裝置。每個變電站的保護裝置與監控系統相連，從而形成整體總線網，同時各監控測站通過光纖與地面的監控調度系統連接，形成光纖以太網。

設計的電力監控系統需要滿足電網正常運行的數據匯總需求，包括無功功率、電壓、電流、有功功率、功率因數等，并且能夠準確判斷負載的用電計量。電力監控系統需要對變電所的運行參數進行監測，并將監測數據顯示于控制屏幕，同時對系統過載、漏電、斷相、短路等進行緊急處理，避免出現因故障而損壞的情況。

2.電力監控系統設計

2.1地面主站調度監控系統設計

地面主站調度監控系統主要由數據服務器、通信柜、網絡設備等組成。數據服務器對系統的運行數據進行儲存，便于后期查看；通信服務器將變電所管理站與數據服務器間的數據進行互換，達到數據信息傳遞的目的。在地面電力監控調度中心配置電力集控軟件，監控主機運行過程中，備用機與監控主機進行數據交換，當監控主機發生異常時，備用機及時代替監控主機，進行冗余設置。

2.2井下電力監控分站設計

電力監控分站是井下電網控制的第一關，是電力監控系統的基礎部分。本文設計的電力監控分站采用KJ519-F型礦用隔爆兼本安型監控站，其可以實時管理高爆開關，監控電網運行狀態。電力監控分站內部有電源模塊、以太網交換機、后備電源等。電力監控分站的工作電壓為AC127V，內部配有2組NI-MHD8500mA12V備用電源，共有4路通信線路，通信傳輸方式有RS485、半雙工、主從3種，*大傳輸距離為1km，傳輸速度為9600bit/s。分站內部控制箱是分站的核心，控制箱內部有繼電器、PLC（ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器）、電源、接觸器等，其主要實現電壓和電流數據的采集。同時，控制箱內部有PLC，設備能夠實現控制輸出，控制箱能夠實時顯示系統內部監測數據，較好地實現人機互換。

2.3礦用綜合保護測控裝置設計

對礦用綜合保護測控裝置進行設計，首先需要對微機監控保護裝置進行設計。微機監控保護裝置選用GWZB-10型微機保護裝置，其主要用于額定電壓3300V和頻率50Hz的電網環境。微機保護裝置核心為32位單片機，高精度的微型互感器及工業級的外圍芯片是保護裝置的輔助部分，其具有較高的靈敏度和可靠性，內部同時匹配多種抗干擾措施，避免信息傳輸過程中的外部干擾。保護裝置具備自我檢測功能和硬件閉鎖保護功能，通過不斷地進行自我檢測，從而保證設備正常運行，提升監控系統的穩定性。

微機保護裝置內部設計有隔爆遙控器，使用者可以通過遙控器進行遠程系統操作，很大地提升了操作系統的效率。同時由于利用遙控器控制，可舍棄設備上的按鍵，省去礦井設備的復雜按鍵改造，提高系統改造效率。另外，保護裝置內部通過設定控制值進行控制，控制值可以查詢和修改。保護裝置定時對自身運行狀態進行檢查，當發現設備存在故障時，能夠定位故障芯片。保護裝置配備有RS-485/RS-232標準通信接口，能夠較好地匹配電力監控系統的接口。

煤礦電網線路較短，阻抗較小，在發生短路事故時產生的電流很大，為了保證供電系統穩定運行，設計了防越級跳閘保護系統。防越級跳閘保護系統采用光纖閉鎖信號，對系統線路段進行電流閉鎖保護。防越級跳閘系統主要包括智能光纖控制服務器SU20、礦用智能光纖保護PA61和PA63。PA63防越級跳閘微機保護集控制、通信、測量、防越級等多種功能于一體；智能光纖控制服務器SU20主要用于收集閉鎖信號，收集信號后對信號進行統一匯總，后轉發至上級電路。

3.安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

3.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

3.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

3.3系統架構

Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

3.4系統功能

（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、告警等信號。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

（5）實時告警：具有實時告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

（7）電能統計報表：系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況。

（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

（9）網絡拓撲圖：支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

（10）電能質量監測：可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。

（11）遙控功能：可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩態信息。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。

3.5系統硬件配置

4.結語

基于前人研究，設計了煤礦電力監控系統。根據煤礦的實際供電需求及電網工作性能分析，對電力監控系統的地面主站調度監控系統、井下電力監控分站和礦用綜合保護測控裝置進行了設計，并對這三大模塊的運行流程及運行原理進行了深入分析，可以為煤礦電網的安全運行提供一定的參考與借鑒。