煤矿电力监控系统的研究与应用.pdf

第 7期 2 0 0 9年 7月 工矿 自 动化 I n d us t r y a n d M i n e Au t oma t i o n No ． 7 J u 1 ．2 0 0 9 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 7 ～0 1 3 0 --0 4 煤矿电力监控系统的研究与应用 王海 波 ， 史友 仁 煤炭科学研究总院常州 自动化研究院， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 文章详细介绍了 K J 3 6 A型煤矿电力监控 系统的 3层网络结构形式， 即综合监控信息管理层 、 信息 处理 与监控层 、 现场控 制层 ， 并分析 了这 3层 网络所 实现 的功 能 ， 阐述 了 K J 3 6 A 型煤矿 电力监控 系统 的功 能 与特 点 。该 系统采 用嵌入式技 术 、 分 布式 网络技 术 ， 可对煤矿 供 电系统 实施 一 体化 的 实时监控 ， 实现矿 井电 网的安全运行 及 变电所的无人值 守功 能 。实际应用表 明 ， 该 系统运行 效果好 ， 完全 满足 当前矿 井安 全生产和 管理 的要 求。 关键词 煤矿 ；电力监控 系统 ；网络 结构 ；软件 ；应 用 中图分 类号 T D 6 1 1 ． 2 文献标 识码 A O 引言 随着 煤矿 机 械化 和 自动化 程度 的不 断 提 高 ， 为 保证各个生产环节的正常运行 ， 对安全供 电的依赖 性更强。由于煤矿井下供电设备的故障 ， 给煤矿 的 安全生产带 来更大 的安全事故 ， 因此 ， 煤矿供 配电 系 统运行 的可 靠 性 和 合理 性 就 显 得 十分 重 要 。尽 管 近年来煤矿 供 电管 理 部 门在改 进 井 下配 电 装备 、 应 用新技术成果的同时， 不断强化人员素质的管理， 使 煤矿井下供电系统的可靠性得到 了提高 ， 但 由于人 为因素造成 的供 电事 故 时有发 生 ， 影 响 了煤 矿 的安 全生产 。另外 ， 供 电部 门每天 用 于值 班 和线 路 维护 的工作人员 较多 ， 劳 动生产率 较低 。因而 ， 对 井下供 电系统实施 微机保护 和监控 以及实现 变 电所 无人值 守就显得十分迫切。就 目前的煤矿供电系统而言， 虽然微机保 护和监 控 系统 也得 到 了应用 ， 但 主要 是 针对地面供电系统 ， 用于井下的微机保护和监控装 置还不多 ， 大部分是在防爆开关 中设置漏电保护、 过 载 保护 、 短路保护 、 欠 压保护 、 断相保 护等保护 功能 ， 采区 内配 电设备 的联 网功能 较弱 。实 现井下 变 电所 无人值守 ， 就是要实现“ 遥测 、 遥信、 遥控、 遥调” 四遥 功 能和各种 保护功 能 以及 遥视 功 能 能检 测 采 区变 电所每次 出线的 电流 、 电压 、 功率 、 因数 、 开关 内温度 等模拟量 ； 检 测开关 的位置状 态及实 验按钮状 态 ； 能 对开关进行正常分、 合闸操作 ； 能在上位机对馈 电开 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 2 5 作者简介 王海泼 1 9 7 5 一 ， 男 ， 工程 师 ， 现 主要从事煤 矿电 力 监控系统的设计与应用工作。E ma i l w h b l s 1 6 3 ． t o m 关进行保护动作值整定。随着井下无人值守变电所 推广面的扩大 ， 由于井下供电网络结构复杂， 采区变 电所 和工作 面配 电点供 电服 务对 象 主 要是 采 煤 、 掘 进、 运输以及排水等主要生产环节 ， 供 电负荷种类繁 多、 区域分布广、 负荷工作场所地质条件复杂， 且存 在着瓦斯、 煤尘、 水等有 害介质， 影响供 电系统运行 的不确定因素也较多， 有可能存在安全隐患， 所以装 备安全可靠 、 技术先进、 功能更为完善的煤矿安全供 电系统是非常必要的。 KJ 3 6 A型煤矿电力监控系统 是针对煤矿供配电系统的特点， 采用地面电力 自动 化系统的最新技术 、 嵌入式技术 、 分布式网络技术等 开发 的新一代 煤矿 电力 监控 系 统 ， 可对 煤 矿地 面 和 井下 1 0 k V及 以下 供 电 系 统 实 施 一 体 化 的实 时监 控 ， 实 现矿井 变 电所 的无 人 值 守 。该 系统 为矿 井 电 网的安全运行提供了现代化的管理手段 。 1 K J 3 6 A型煤 矿电力监 控 系统 结构 K J 3 6 A型煤矿 电力监控系统从整体上划分为 3层网络结构的形式 ， 即由综合监控信息管理层、 信 息处理与监控层、 现场控制层组成 ， 如图 1所示。 自动化技术和网络技术 的迅速发展， 使工业以 太 网和现场 总线技术 已经在 电力 自动化 系统 中得 到 广泛 应用 。本 系统采 用工业 以太 网加现场 总线 的控 制网络结构模式， 以太环网到各变电所为主干信道 ， 通过网络交换机的数据接 口将变电所的开关数据接 入主传输系统 。在变电所内安装电力监控主站或变 电站 综 合 自动 化 系 统 ， 采 用 现 场 总 线 RS 4 8 5或 C A N方式采集变电所开关设备的运行参数和状态 ， 实现 就地集 中数据监 测和设 备控制 功能 。电力监控 2 0 0 9年第 7期 王 海波等 煤矿 电 力监 控 系统 的研 究与应 用 1 3 1 主站对采集到的信息进行处理 ， 并将处理结果集 中 上传到系统监控主机 。系统后台以网络方式将数据 视频服务器 监控主机 传输到全矿井综合 自动化平台， 实现数据共享和网 络 发布 功能 。 监控备机 网络服务器 一一 茭 ⋯ 一 一 复⋯一 一 j 一 ． 壹 里 ⋯一 一 墼 堡 ⋯一 j 鉴 曼 鎏 置 _些 兰整 生 蔓 曼 图 1 K J 3 6 A型煤矿电力监控系统结构图 整个系统较传统的集 中监测系统性能增强、 功 能更为完善 ， 是煤矿监控系统的发展方向之一。 1 ． 1 综合 监控 信 息管理层 本 系统 根据 用 户 的不 同 要求 ， 在 地 面建 立 面 向 全矿的计算机监控信 息管理网络。网络具有对 图 形 、 语音 、 数据和文字等多媒体的存储传输和交互作 用等处理能力。系统平 台基于 Wi n d o ws 操作系统 ， 以 VC 为 开发工 具 ， 实 现 以多任 务 调度 系 统管 理 S C AD A 系 统平 台及 平 台上 的应 用 ， 并 调 整 运 行 过 程 中的数 据和 功能 。系统 采用功 能 和数据 复制 型冗 余策略 ， 运行不 同计算机或同一 台计算机上的多个 进程， 通过相互之间的信息交换 ， 由多任务调度系统 监 视整个 系统 的运行 状况 。 S C A DA 系统平 台实 现 了矿 井 电力 系统 调度 自 动 化 、 变 电站 变 电所 自动化 的应用 ， 包括 实 时数据 采集 、 实时数据 库 管 理 、 历 史数 据 库 管 理 、 画 面制 作 及显示 、 报表 制作 及 打 印 、 告警 判 别 及 发 布 、 数据 处 理及时钟系统等丰富的功能。该平台还包括了诸如 网络通信系统及任务调度系统和远程诊断及维护系 统， 除了关键的实时数据库和图形技术外 ， 还包括了 一 些常 用 的工具 软件 ， 这 些 工 具 软件 对 系统 的使 用 很有 帮助 。S C ADA系统 平 台的功能 主要 有 1 可 实现地 面 变 电所 的监 控及 井 下 中央 变 电 所、 采区变电所及各配电点的电力监控 ； 2 视频图象 网上压缩传输 ， 在各个工作 站既 能看到所有数据信息 ， 又能 同时观察 到每个摄像点 的信号 ； 3 对外 接 口丰 富 ， 与其 它 系 统汇 接 方便 ， 除 主 流 的 OP C S e r v e r方 式 外 ， 同 时 还 保 留 了 D DE、 OD B C等方 式 ； 4 实 现“ 遥 测 、 遥 信 、 遥 控 、 遥 调 ” 四遥 功 能 和 各 种保 护功 能 以及 遥视 功能 ； 5 所有信 息在 工作站上都可用浏览器浏 览， 并 实现 远程 信息 的传输 和故 障诊 断功 能 。 地面变电所采用变电站综合 自动化系统 ， 提供 以部颁 C D T通信规约 或其它标准规约 为数据协 议的标准 R S 2 3 2 ／ R S 4 8 5 ／ L AN通信 接 口， 通过设在 地 面 的环 网交换 机将 地面 变 电站综合 自动 化系统 接 人 K J 3 6 A 型煤 矿 电力监 控系 统 的后 台计 算机 ， 实 现 远程 监控 功能 。 井下变电所内开关设备的运行参数和状态通过 开关综合保护单元采集并输 出， 电力监控站和开关 综合保护单元之 间采用 R s 4 8 5 ／ c AN通信 隔爆设 备信号的输 出需通过安全隔离器作本安隔离处理 ， 变 电所 的电力参 数 由 电力 监控 站通 过设 在各个 变 电 所 的环 网交换 机接 入 井 下 以太 网 ， 采 集 的数 据通 过 以太 网传输 到 K J 3 6 A 型煤 矿 电力 监 控 系统 的后 台 计算机。 1 3 2 工矿 自动化 2 0 0 9年 7月 1 ． 2信 息处理与监控 层 信息处理 与监控层 以监测 和控制 中产生 的信息 为来源 ， 通过 网络直 接参 与 对 各开 关 的操 作 及相 关 环节之间 的调 度协调 。 1 ． 2 ． 1 主干网络结 构形式 本系统主干 网络采用环型冗余结构光纤传输 2 1 2 业 以太 网 1 0 0 Mb p s ／ 1 0 0 0 Mb p s ， 能将 矿井 各 变电所信息连接到系统平台上， 本系统往下能对矿 井内各高低压开关发布控制命令 ， 监视设备 的运行 状态， 收集所需的参数以及整定开关数值； 往上能连 接信息管理网， 实现管理信息的交换功能。 1 根据煤 矿 的特点 ， 系统 控 制 网络 满 足 以 下 要求 ① 设备选型符合有关 国家标准和行业标准， 满 足防爆 、 防尘、 抗高温潮湿和电磁干扰的要求。 ② 在物 理上 和逻辑 上考虑 了 网络 信道 的冗余 ， 确保网络通路的安全。当系统某一子系统的通信或 元器件 出现故 障时 ， 不影 响 其它 子 系统 的通信 和 整 个网络的传输性能。 ③ 随着矿井建设规模进程能做到整体规划、 分 步实施 ， 并能 随着技 术 的发 展 方便 升级 ， 可靠 性 高 、 稳定性 强 、 人机界 面友好 、 操作简 单 、 维护 方便 。 ④ 充分考 虑 了系统 平 台和数 据 的安 全 性 。具 有可靠的身份认证机制 、 数据备份和病毒防护功能， 具有防止黑客侵扰的有效措施。 2 网络 控制层 基 于 以太 网 T C P ／ I P协议 的工业 以太 网技术 ， 传输介 质采用双 绞式 单 模矿 用 阻燃 型 光 缆 ， 网络 结 构采用基 于光纤 以太 网的环形架 构 。与传 统 的总线 传输方式相比， 采用工业以太环网后 ， 解决了电力系 统信息量大、 通信接口不畅、 传输速率低的问题。各 变电所的数据信息均汇集到 以太环 网中传输 ， 维护 简单 。 从 空 间分布 上 看 ， 系统 的节 点设 备从 地 面一 直 延伸 至井 下 。井 下节 点 设备 可 以是 变 电所 的主 站 ， 也可以是某个区域的信息采集监控站， 或者是协议 转换器 。 3 网络 产品 的选 型 由于煤 炭行 业 的特 殊性 ， 普 通交 换 机在抗 干 扰 性能 、 电磁兼容性 、 可 靠性 、 可用 性 等方 面 不能 完 全 适应其环境的要求， 且不能形成高速冗余环的连接 方式， 使用寿命也会大大降低。因而选用工业级的 以太 网交 换机 ， 本 系 统 以摩 莎公 司 生产 的工业 以太 网交换机 系列为 核心 ， 开 发出矿用 环 网接 入器 支 持 多种网络拓扑结构和多重冗余方式 ， 所有冗余结构 在切换时， 传递的数据延迟小于 2 0 r f l s ， 不会造成数 据丢 失问题 。 4 网络冗余 方式 为了进一步提高 网络的可靠性， 采用单环或双 环、 多总线网络结构实现网络冗余功能。 光纤 环 网冗余 结构通 过建立一 个环状 的光纤 以 太网结构实现网络冗余功能， 减少了网络单点故障， 增强了整个通信网络在突发情况下的适应能力。 5 光纤传输 由于井下的工作环境复杂， 大型设备会产生大 量 的 电磁 干扰 ， 普 通 的铜 质 通信 电缆极 易 受 到这 些 干扰 的影 响 ， 从 而 影 响 整 个 通 信 系 统 的 正 常 运 行 。 由于铜质通信电缆传输距离有限， 不得不增加中继 设备， 相应增加 了成本和发生故障的可能性 。采用 矿 用专用 光缆可 克 服上 述 缺点 ， 获 得较 长 的通信 距 离及较强的抗干扰能力 ， 是用于井下环境 的理想通 信 线路 。 1 ． 2 ． 2 数据采集设备 1 电力监控主站 KJ F 8 8和 KJ F 9 9电力 监 控 主站 作 为 井下 电力 监控 系统 的关键 设 备 ， 具 有数 据 处理 、 远 程 控制 、 图 象 显示及 网络远 程通信 等功 能 。电力 监控主 站以嵌 入式工 控机为 核心 部 件 ， 基 于 Wi n C E操 作 系统 ， 具 有红外人机对话接 口， 可同时采集 3 2路开关信息， 有超强的数据采集处理能力和丰富的图形操作工 具 ， 具有 较高 的可靠性 和稳定性 ； 配有 接人 2路视频 的嵌入式视频服务器， 将采集 的图形以 MP E G4格 式通过以太网上传， 配合数据监控系统可实现变电 所 的无 人职守 。电力 监控站 的主要 功能有 ① 嵌入式计算机、 液晶触摸屏 ， 红外遥控； ② 友好的人机界面 ， 全汉化分层菜单式操作 ； ③ 以太 网络 、 C AN 总线 、 4 8 5总线等各 种接 口； ④ 内置交换机 ， 独立 连成光纤 以太 网 ； ⑤ 数据 、 视频 和语音传 输 ； ⑥ 故障录波 ， 统一对时； ⑦ 内置后备电源， 为设备提供不小于 4 h的供 电能力 ； ⑧ 监测 控制 保护 功能 独立 ， 完 全不 依赖 于通信 网 ； ⑨ 友好 灵活 的组态平 台 。 2 K J A9安全隔离器 采 用光 电隔离 技 术 ， 隔爆 开关 智能 综 合保 护单 元 的通信 信号通 过 安 全 隔离 器接 入 电力 监 控 主站 ， 2 0 0 9年 第 7期 王海 波等 煤 矿 电力监控 系统 的研 究与应 用 1 3 3 实现监控设备非本安 R S 4 8 5信号转为远距 离传 输 本安 R S 4 8 5信号 ， 以确保 电气性能的安全 。 1 ． 3现 场 控 制 层 现场控制层主要包括直接针对供电设备的高、 低压开关的智能综合保护器、 电力参数变送器、 监测 装置 等 。 1 智能综合保护器 C Z B 1系列智能综合保护器适用于煤矿井下 电 网中性 点不 接地供 电系 统或 中性点 经消弧 线 圈接地 系统 ， 可对高爆开关进行监控和保护， 及时将设备的 电气参数信息、 设备工况 以及故障信息及故障录波 数据通过电力监控主站发送到地面调度中心 ， 同时 也能够接收地面调度主站发出的遥控、 定值设定和 信号复归等命令 ， 实现远程操作功能。智能综合保 护 器的特 点 ① 集保护、 遥测 、 遥信、 遥控及电量的积分累计 功能于 一体 ； ② 以工 业级 D S P为 主 体 ， 性 能 稳定 、 可靠 。采 用 表贴 芯片 、 多重光 电隔 离 、 软 、 硬 件滤 波 、 看 门狗 电 路等技术， 从硬件到软件的设计都充分 考虑 了保护 器 的抗 干扰能 力 ； ③ 每周波 2 4点采样 ， 采用快速傅里叶算法， 具 有很高的保护和测量精度 ； ④ 大容量的高速存储器用 于保存保 护定值和 保护器动作事件， 存储故障录波数据 ； ⑤ 大屏幕液晶显示信息 ， 红外遥控 ， 菜单操作、 调试方 便 ； ⑥ 后备电源能够可靠运行 2 h以上 ， 实现故障 数据实时上传和就地显示功能； ⑦ 实时 时钟显 示功 能 ， 能就 地修 改和 远方 自动 校 时 ； ⑧ R S 4 8 5或 C AN总线 网络， 可直接与微机监 控或保护管理机联网通信； ⑨ 故障事件追忆 、 长期记忆 保护动作 跳 闸原 因、 故障动作时刻、 故障动作值。 2 多用途、 高智能化的电力参数变送器 在一 些煤 矿井下 变 电所及各 配 电点可能 还有许 多老开关无电信号输出。以高性能单片机为核心的 K GD 4 B型电力参数变送 器具有体积小 、 安装方便 等特点 ， 可以直接安装在开关内， 有遥测 、 遥信和遥 控等多种功能， 可以直接采集及显示各类电参数 ， 并 具有事件顺序记录和实现时钟 同步功能 ， 特别适合 井下采区变电所等场合老开关的改造使用 。同时还 可以直接与中心站 主机通信， 将电力参数变送器送 来的信息经安全隔离器隔离后 ， 送到地面主机。 2 系统 主要 功能 与特 点 1 可监测 电压 、 电流 、 有功 功率 、 无功 功率 、 功 率因数 、 电量 、 开关合／ 分闸状态等电力参数。 2 具有过载、 短路 、 断相、 漏电、 绝缘监视等综 合 保护 功能 。 3 可在 地面 主机上 对井 下智 能 隔爆 开关 进行 分／合 闸控制 、 定值整定、 故障诊断等 。 4 实时数据显示报警事件记录， 具有不 同的 告警权 限和告警方式 。 5 电 网运行 设 备发 生 故 障 时 ， 自动 记 录 继 电 保护 、 控制装置和断路器动作的时间和状态 ， 实现图 表、 曲线、 事故追忆的数据采样和保存功能。 6 丰富的图形 编辑及显示功能 ， 在画面上可 以根据设备的具体情况直接控制设备， 对保护设备 进行查询 、 调整和复归操作等。 7 具 有报 表 制作 、 显 示 、 打 印 功 能 ， 可统 计 和 计算数据 。 8 提供 G P R S时钟或计算机 时钟对时， 包括 对监控站 、 微机保护装置等的统一对时， 便于判断电 网开关越级跳 闸等故障， 并具有故障录波分析功能。 9 使 用 网络 浏 览 器 ， 通 过 局 域 网 或拨 号 网络 完成 系统数据保存功能 ， 包括 画面、 报表、 系统运行 信息的查看 。系统接 口、 协议丰富， 易于异构系统的 互联互通集成 ， 实现与全矿井综合 自动化系统 的无 缝连接 。系统扩展性好 ， 本系统以变电所为单位， 变 电所的增加只需将数据通道接入主传输通道。 1 0 通过 网络 实现 系统 远程 诊断 、 复 制更 改用 户系统的配置文件和系统数据等功能 。 3 结 语 K J 3 6 A型煤矿 电力监控 系统利用 网络技术 使 电网调度人员可迅速而准确地获得各变电所运行的 实时信息， 完整地掌握变 电所的实时运行状态， 及时 发现 电力设备运行 中的故障， 并作 出相应的决策和 处理 ， 同时可以使值班管理人员根据设备运行情况 进行负荷分析、 合理调度 、 远控合分闸、 避峰填谷 ， 以 减少和避免误操作 、 误判断 ， 缩短事故停电时间。该 系统 已在柴里矿、 许厂矿和梁宝寺矿等几十个煤矿 安装使用， 具有可靠性高、 抗干扰能力强、 实时性好 及维护简单等特点， 具有 良好的应用前景。