浅谈煤矿电力监控系统的设计

摘要：为了解决原有电力监控系统存在的通信混乱、传感器采集速度慢、数据集中处理能力较差等问题，对煤矿电力监控系统进行了设计，即对电力系统地面主站调度监控系统、井下电力监控分站和矿用综合保护测控装置进行了设计，并对其运行原理进行了分析，解决了通信混乱、传感器采集速度慢、数据集中处理能力差等问题，为其他煤矿电力监控系统的设计提供了一定的参考，也为煤矿电网的稳定运行做出了一定的贡献。

关键词：电力监控；传感器；综合保护；监控分站

0引言

中国煤炭资源储量丰富。伴随着煤炭资源的大量开采，开采煤炭资源所需要的能源也在逐步增加。电力资源是维持煤矿生产的重要资源，供电性能直接影响着煤矿的正常生产。由于煤矿电路负载不稳定、井下环境恶劣等问题，煤矿电力系统极易发生故障且故障检修十分复杂，这均使得煤矿电网面临较大的挑战。据统计，中国煤矿电力系统主要故障可分为相间断路、单相接地、断线等。为了保证煤矿电网运行安全，供电管理部门需对煤矿供电人员进行培训，同时对井下自动化提出更高的要求[1-2]。目前，中国大部分煤矿均逐步完善了自动化系统，煤矿电网的运行稳定性得到了一定幅度的提升。但部分煤矿电力监控系统存在通信混乱、传感器采集速度慢、数据集中处理能力较差等问题，所以提升电力监控系统的运行效率和稳定性是煤矿供电的重要研究课题。此前较多学者对此进行了一定的分析和研究[3-4]，本文在前人的理论基础上，设计了新型电力监控系统，为煤矿稳定供电做出一定的贡献。

1.电力监控系统简介

电网为煤矿安全生产提供了动力，不同于其他工业生产，需要在煤矿电力系统各个环节提升安全系数，在进行电力监控系统设计时，保证监控系统能够有效地对煤矿电网进行监测。一般煤矿电力监控系统主要由3个部分组成，分别为地面主站调度监控系统、井下电力监控分站、矿用综合保护测控装置。每个变电站的保护装置与监控系统相连，从而形成整体总线网，同时各监控测站通过光纤与地面的监控调度系统连接，形成光纤以太网。

设计的电力监控系统需要满足电网正常运行的数据汇总需求，包括无功功率、电压、电流、有功功率、功率因数等，并且能够准确判断负载的用电计量。电力监控系统需要对变电所的运行参数进行监测，并将监测数据显示于控制屏幕，同时对系统过载、漏电、断相、短路等进行紧急处理，避免出现因故障而损坏的情况。

2.电力监控系统设计

2.1地面主站调度监控系统设计

地面主站调度监控系统主要由数据服务器、通信柜、网络设备等组成。数据服务器对系统的运行数据进行储存，便于后期查看；通信服务器将变电所管理站与数据服务器间的数据进行互换，达到数据信息传递的目的。在地面电力监控调度中心配置电力集控软件，监控主机运行过程中，备用机与监控主机进行数据交换，当监控主机发生异常时，备用机及时代替监控主机，进行冗余设置。

2.2井下电力监控分站设计

电力监控分站是井下电网控制的一关，是电力监控系统的基础部分。本文设计的电力监控分站采用KJ519-F型矿用隔爆兼本安型监控站，其可以实时管理高爆开关，监控电网运行状态。电力监控分站内部有电源模块、以太网交换机、后备电源等。电力监控分站的工作电压为AC127V，内部配有2组NI-MHD8500mA12V备用电源，共有4路通信线路，通信传输方式有RS485、半双工、主从3种，*大传输距离为1km，传输速度为9600bit/s。分站内部控制箱是分站的核心，控制箱内部有继电器、PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）、电源、接触器等，其主要实现电压和电流数据的采集。同时，控制箱内部有PLC，设备能够实现控制输出，控制箱能够实时显示系统内部监测数据，较好地实现人机互换。

2.3矿用综合保护测控装置设计

对矿用综合保护测控装置进行设计，首先需要对微机监控保护装置进行设计。微机监控保护装置选用GWZB-10型微机保护装置，其主要用于额定电压3300V和频率50Hz的电网环境。微机保护装置核心为32位单片机，高精度的微型互感器及工业级的外围芯片是保护装置的辅助部分，其具有较高的灵敏度和可靠性，内部同时匹配多种抗干扰措施，避免信息传输过程中的外部干扰。保护装置具备自我检测功能和硬件闭锁保护功能，通过不断地进行自我检测，从而保证设备正常运行，提升监控系统的稳定性。

微机保护装置内部设计有隔爆遥控器，使用者可以通过遥控器进行远程系统操作，很大地提升了操作系统的效率。同时由于利用遥控器控制，可舍弃设备上的按键，省去矿井设备的复杂按键改造，提高系统改造效率。另外，保护装置内部通过设定控制值进行控制，控制值可以查询和修改。保护装置定时对自身运行状态进行检查，当发现设备存在故障时，能够定位故障芯片。保护装置配备有RS-485/RS-232标准通信接口，能够较好地匹配电力监控系统的接口。

煤矿电网线路较短，阻抗较小，在发生短路事故时产生的电流很大，为了保证供电系统稳定运行，设计了防越级跳闸保护系统。防越级跳闸保护系统采用光纤闭锁信号，对系统线路段进行电流闭锁保护。防越级跳闸系统主要包括智能光纤控制服务器SU20、矿用智能光纤保护PA61和PA63。PA63防越级跳闸微机保护集控制、通信、测量、防越级等多种功能于一体；智能光纤控制服务器SU20主要用于收集闭锁信号，收集信号后对信号进行统一汇总，后转发至上级电路。

3.安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

3.1概述

针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和全面管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站全方位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

3.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

3.3系统架构

Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

3.4系统功能

（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

（4）运行报表：查询各回路或设备指定时间的运行参数。

（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

（6）历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

（7）电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。

（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

（11）遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

（13）事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

（14）Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

3.5系统硬件配置

4.结语

基于前人研究，设计了煤矿电力监控系统。根据煤矿的实际供电需求及电网工作性能分析，对电力监控系统的地面主站调度监控系统、井下电力监控分站和矿用综合保护测控装置进行了设计，并对这三大模块的运行流程及运行原理进行了深入分析，可以为煤矿电网的安全运行提供一定的参考与借鉴。

参考文献

［1］高正中，王亚男，牛慧晖，等.用于矿井电网电压同步频率检测的改进型 DSOGI-PL［J］.工矿自动化，2020，46(8)：75-81.

［2］王清亮，杨博，高梅，等.基于等效电导的矿井电网智能漏电保护方法［J］.工矿自动化，2020，46(6)：59-64.

［3］王文欣，郝鹏坤，宋亮亮.大数据可视化监控系统在电网集控运维中的应用［J］.农村电气化，2021(3)：39-40.

［4］谢枫，岳虎，王莉，等.基于数据集成的电网全渠道一体化监控系统设计［J］.电子设计工程，2021，29(17)：152-155.[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

［5］刘波.煤矿电力监控系统设计研究.

［6］安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者简介

陈芳芳，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，销售工程师，主要负责电力监控系统的研发、应用。