煤矿电力监控系统的研究与应用

第7期　2009年7月
工矿自动化
Industry and Mine Automation
No.7　
J ul.2009　
文章编号:1671-251X (2009)07-0130-04
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　213015)
摘要:文章详细介绍了K J 36A 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 36A 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 D611.2 文献标识码:A 收稿日期:2009-05-25
作者简介:王海波(1975-),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。

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0　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
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。

K J 36A 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10kV 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 J36A 型煤矿电力监控系统结构
K J 36A 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RS485或CAN 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
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
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。

图1　K J36A 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Windows 操作系统,以VC ++为开发工具,实现以多任务调度系统管理SCADA 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。

SCADA 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。

SCADA 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O PC _Server 方式外,同时还保留了DDE 、ODBC 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CD T 通信规约(或其它标准规约)为数据协议的标准RS232/RS485/LAN 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入K J 36A 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RS485/CAN 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 36A 型煤矿电力监控系统的后台计算机。

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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(工业以太网100Mbp s/1000Mbp 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TCP/IP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20ms,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
K J F88和K J F99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WinCE操作系统,具有红外人机对话接口,可同时采集32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;配有接入2路视频的嵌入式视频服务器,将采集的图形以M PEG4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、CAN总线、485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4h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,
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实现监控设备非本安RS485信号转为远距离传输本安RS485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
CZB1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DSP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24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2h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;
⑧RS485或CAN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KGD4B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GPRS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。

(10)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 J36A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。

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