智能電力監(jiān)控系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用與探討

摘要：隨著煤礦建設(shè)的智能化程度越來越高，構(gòu)建智能電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)的有效監(jiān)控至關(guān)重要。首先分析了礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題，其次重點介紹了基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程，后提出了加強智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的措施，以保障智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的正常使用。

關(guān)鍵詞：智能礦山；電力監(jiān)控系統(tǒng)；應(yīng)用方法

       礦山開采工作較為復(fù)雜，涉及礦山井下開采人員、設(shè)備以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理等。隨著智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化信息技術(shù)與自動控制技術(shù)也不斷發(fā)展，對智能礦山的建設(shè)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)一般應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不能實現(xiàn)井下設(shè)備的控制，無法及時反饋環(huán)境信息和設(shè)備情況等。

因此，在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算等完成礦井監(jiān)測的可視化、調(diào)度的綜合化以及控制的自動化，有利于提升煤礦的安全性，加強生產(chǎn)業(yè)務(wù)的管理水平。由此可見，對基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方法進(jìn)行研究具有重要意義。

       目前，雖然對電力監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備做了很多研究，但是缺少對數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用，而且數(shù)據(jù)庫需要存儲大量關(guān)于電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測值，這也是電力監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的重點問題。在實際應(yīng)用過程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下問題。

1.1 工作人員不能根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

       監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測礦下的信息參數(shù)，不能很好地處理異常數(shù)據(jù)，且缺少對數(shù)據(jù)的預(yù)測功能，通過人機交互界面不能保證工作人員提前了解信息參數(shù)。

1.2 缺少對安全監(jiān)控信息的深入分析與利用

       大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析方法，能夠找出數(shù)據(jù)背后的價值信息，從而為科學(xué)決策提供依據(jù)，在各個行業(yè)當(dāng)中都有著廣泛的應(yīng)用。煤礦開采也要加強對數(shù)據(jù)信息的分析與應(yīng)用，保證監(jiān)控的多元融合。

1.3 預(yù)測模型的智能化程度低。

       電力監(jiān)控系統(tǒng)主要注重對安全信息的監(jiān)測與控制，并進(jìn)行簡單反饋，不能實現(xiàn)危險度的判斷以及事故預(yù)警等。此外，斷電控制、分級報警以及區(qū)域斷電等功能需要進(jìn)一步完善，所以須提高電力監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。

2.1系統(tǒng)設(shè)計

       電力監(jiān)控系統(tǒng)采用了3種技術(shù)，分別是自動化技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息化技術(shù)，集保護、監(jiān)測、控制、通信等多種功能于一體，具有開放式、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、組態(tài)化的特點。電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計有客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）結(jié)構(gòu)，同時還具有能夠支持Web瀏覽，即瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采取變電所的一次主設(shè)備實現(xiàn)“五遙”功能，即遙測、遙信、遙控、遙調(diào)以及遙視，同時實時采集高、低壓開關(guān)柜的相關(guān)電氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過高、低壓柜的運行數(shù)據(jù)判斷負(fù)載設(shè)備的運行情況，對二次設(shè)備和輔助設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理，并與煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的較全智能管理

2.2　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

       系統(tǒng)的設(shè)計采用了分布式、模塊化思想，主要分成5層，如圖1所示，分別是設(shè)備層、間隔層、控制層、管理層以及決策層。控制層和間隔層通過以太網(wǎng)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；間隔層和設(shè)備層通過Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進(jìn)行通信。充分考慮數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，對數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，根據(jù)現(xiàn)場不同的系統(tǒng)來實現(xiàn)各煤礦的電力監(jiān)控功能。

       設(shè)備層主要包含一些電力系統(tǒng)采集設(shè)備的終端，如電力保護裝置、功能儀表、電力監(jiān)測裝置等。電力監(jiān)控系統(tǒng)的間隔層設(shè)備采用間隔分散式的安裝方法，各設(shè)備之間相互獨立，僅通過通信網(wǎng)絡(luò)連接。井下間隔層設(shè)備通常采用Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進(jìn)行通信Modus-RTU通過井下電力分站就近接入井下控制環(huán)網(wǎng)交換機，通過光纖接入地面生產(chǎn)指揮中心。控制層包括主站監(jiān)控系統(tǒng)、通信服務(wù)器，其中主站監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制等功能，通信服務(wù)器完成網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、智能設(shè)備接入和遠(yuǎn)程主站通信。在信息層構(gòu)建自動化數(shù)據(jù)展示平臺，通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對于安全性能、監(jiān)測數(shù)據(jù)等不同的信息完成綜合處理，從而為科學(xué)決策和管理提供參考。管理層主要作為生產(chǎn)過程中的執(zhí)行系統(tǒng)，主要包括集成平臺管理、運行維護、設(shè)備運行管理以及生產(chǎn)數(shù)量控制等多個功能。通過對生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理，能夠有效解決管理層與過程控制層中存在的斷層問題，從而提升作業(yè)管理效率，提高信息化水平。決策層根據(jù)信息層匯報的監(jiān)測信息，并結(jié)合實際情況做出決策。決策的實施需要各個部門協(xié)同工作，并綜合子系統(tǒng)的各項信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速整合，后形成一個科學(xué)合理的決策方法。

       系統(tǒng)能夠兼容多種協(xié)議形式的監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，與多個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)以變電所為單元，變電所的功能是將數(shù)據(jù)通道接入主傳輸通道。系統(tǒng)還具有歷史趨勢曲線打印、報表查詢等功能，按用戶要求可以定制各種報表、圖形與曲線。應(yīng)用數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布自動報警和預(yù)測分析功能。此外，結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)地面、井下變配電無人值守、有人巡視的目的。

2.3　子系統(tǒng)接入設(shè)計

2.3.1　子系統(tǒng)接入方式

根據(jù)子系統(tǒng)的設(shè)計特點，可以應(yīng)用3種接入方式。

上位機接入。該方式是在服務(wù)器的幫助下，通過以太網(wǎng)和對象鏈接與嵌入的過程控制（OLEforProcessControl，OPC）等接口協(xié)議完成和子系統(tǒng)主機之間的信息交換。接入結(jié)構(gòu)如圖2所示。

       可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicCantroller，PLC）接入。對于自動化控制系統(tǒng)而言，利用服務(wù)器通過以太網(wǎng)和PLC接口相連，并且安裝在采集服務(wù)器的OPCServer中，實現(xiàn)和生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器之間的信息交換功能。接入結(jié)構(gòu)如圖3所示。

       嵌入式控制接入。對于嵌入式控制的子系統(tǒng)，利用內(nèi)部的OPCServer，服務(wù)器通過以太網(wǎng)和接口協(xié)議實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的連接。接入結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)智能礦山子系統(tǒng)的設(shè)計特點，采用PLC接口方式，當(dāng)子系統(tǒng)接入后，把采集好的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合與分析形成圖表，從而為管理層的決策提供參考。

2.3.2　數(shù)據(jù)交互方式

       數(shù)據(jù)交互方式主要包括3種，分別為OPC、開放數(shù)據(jù)庫互連（OpenDatabaseConnectivity，ODBC）、文件傳輸協(xié)議（FileTransferProtocol，F(xiàn)TP）。其中，OPC通過微軟組件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，利用C/S架構(gòu)模式，能夠處理本地與網(wǎng)絡(luò)等節(jié)點的服務(wù)器信息，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行直接讀取，安全性較高。ODBC以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)進(jìn)行交互，雖然實時性較差且效率比較低，但是可以根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過訪問數(shù)據(jù)接口，把實時性較差的數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，使得電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠獲取數(shù)據(jù)庫接口，完成信息的獲取。FTP是一種基于文件的交互方式，它的實時性較差，工作效率低，主要是作為傳輸工具將設(shè)置好的文件格式傳輸?shù)讲杉?wù)器中，便于電力監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)解析。

3.1　傳感控制器的發(fā)展

       在電力監(jiān)控系統(tǒng)工作的過程中，傳感控制器起到了非常重要的作用，保障好傳感控制器的穩(wěn)定性和安全性非常重要?，F(xiàn)階段，常用的傳感器基本能夠滿足電流、電壓等生產(chǎn)需要，但是仍然存在一些問題需要引起高度的關(guān)注。在傳感器的壽命、性能、可靠性等方面，和國外的相關(guān)產(chǎn)品對比，仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。為了滿足整體生產(chǎn)的性能要求，需要加強對傳感控制器的研究和改進(jìn)。

3.2　引入監(jiān)測煤礦新技術(shù)

       現(xiàn)階段，電力監(jiān)控系統(tǒng)基本能夠滿足運行的需求，但是在安全系數(shù)等方面，其性能依然具有一些缺陷，如一些產(chǎn)品存在跳閘、定位速度慢等問題。針對這一問題，需要加強對目標(biāo)技術(shù)的研究與設(shè)計。此外，通過斷流的方式可以避免出現(xiàn)由于電壓波動而停電的問題。高壓選擇性漏電保護系統(tǒng)不會受到電弧電源等因素的影響，并且對過渡電阻有著較強的抵抗性和靈敏度。這些技術(shù)都在一定程度上提升了系統(tǒng)的安全性，增強了數(shù)據(jù)處理和采集的能力。

3.3　對電力監(jiān)控系統(tǒng)中主站的改進(jìn)

       在礦山的電力監(jiān)控中心，可以安裝6臺監(jiān)控服務(wù)器和工業(yè)電力監(jiān)控計算機，從而避免出現(xiàn)計算機病毒破壞等問題。此外，為了進(jìn)一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性，可以應(yīng)用Linux中文操作系統(tǒng)進(jìn)行升級與安裝，主要包括千兆網(wǎng)絡(luò)交換服務(wù)器、光纖網(wǎng)絡(luò)交換服務(wù)器、電源系統(tǒng)以及信息發(fā)布系統(tǒng)等。

4.1 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(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和管理。監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了堅實的保障。

4.2 應(yīng)用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設(shè)計、施工和運行維護。

4.3 系統(tǒng)架構(gòu)

        Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

4.4 系統(tǒng)功能

4.4.1 實時監(jiān)測：

直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

4.4.2 電參量查詢：

在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細(xì)電參量。

4.4.3 曲線查詢：

可以直接查看各電參量曲線。

4.4.4 運行報表：

查詢各回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)。

4.4.5 實時告警：

具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

4.4.6 歷史事件查詢：

對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.4.7 電能統(tǒng)計報表：

系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況。

4.4.8 用戶權(quán)限管理：

設(shè)置了用戶權(quán)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(quán)限。

4.4.9 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：

支持實時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.4.10 電能質(zhì)量監(jiān)測：

可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。

4.4.11 遙控功能：

可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

4.4.12 故障錄波：

可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

4.4.13 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(wěn)態(tài)信息。

4.4.14 Web訪問：

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

4.4.15 APP訪問：

設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

 

 

4.5 系統(tǒng)硬件配置

       通過對智慧礦山智能電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方法開展研究，智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用和改進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)地下變電站的無人看守，不僅減輕了工作人員的工作壓力，提升了工作效率，而且提高了礦山供電網(wǎng)絡(luò)的自動化水平。隨著智慧礦山的發(fā)展，要求煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)要向著網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展，同時融合控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機技術(shù)等多種智能化技術(shù)。因此，要合理應(yīng)用智能電力監(jiān)控系統(tǒng)，給生產(chǎn)提供重要的安全保障，促進(jìn)煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。