煤矿井下电力监测监控系统的设计与实践

摘要：针对现在阳煤集团开元煤矿在矿井开采中，井下供电系统发生事故时，无法对其进行及时的判断和处理，很容易影响矿井安全生产的问题，提出引入煤矿井下电力自动化远程监测监控系统。介绍了此系统的开发背景、实际应用中的系统软硬件结构、系统能够实现的功能、系统主要技术指标以及系统运行后的实用价值。
关键词：电力监控；Wincc；实时数据库；井下监控分站

O 引言
    随着社会的发展与科学技术的进步，计算机技术、自动化技术和网络传输技术也迅速的运用于煤矿的生产及安全管理。任何煤矿的安全问题都是重中之重，必须将其放在首位。煤矿井下供电系统的安全更是不容忽视，因此遵循可靠性、实用性和经济性的原则，参照国内最先进的设计准则，在标准化的平台上开发出一套功能实用、使用简单、维护方便、易于扩展的煤矿井下电力自动化远程监测监控系统。显得很
有必要。
    在现在的矿井开采中，井下供电系统经常出现开关保护误动的现象，造成井下局部或者更大面积的停电事故。事故发生后，由于缺乏电网的实时监测监控，对事故发生的地点和原因不详，恢复供电需要很长的时间，很容易影响矿井安全生产。因此，对井下电力实现自动化远程监测监控管理，对供电系统的运行状态、故障诊断、技术参数以及停送电操作的管理很有必要。因此山西阳煤集团开元煤矿对其井下供电系统进行了改造，引入了煤矿井下电力自动化远程监测监控系统，使之更适合现代化煤矿发展的需要。

1 系统结构
    系统主要由地面集控站、以太网数据交换中心、井下监控分站三大部分组成，可实现快速故障诊断，保证控箭的实时性、确定性和可靠性。系统结构图如图l所示。


1．1 井下监控分站
    此部分主要由电力监测单元(综保)、井下电力监控站和井下隔爆交换机组成。
    电力监测单元(综保)：负责变电所设备的数据采集与转发，并下发执行中心发出的遥控命令。
    通过调研确定原有矿用隔爆型高压开关内均有智能型综合保护装置，但大部分都不具备远程控制及上传接口。现更换为具有智能通讯接口的华鑫公司的ZB-113系列综合保护装置。井下变电所隔爆高压开关以现场485总线方式连接，直接进入KJ392-F矿用隔爆兼本安型分站。
    井下电力监控站：中心主站和电力监测单元之间的桥梁，主要用于与井下高压开关内的综合保护装置的通讯。完成配电室／变电所的当地监控，同时完成综合保护与地面中心主站之间的数据上传及命令下达，其可靠性对整个系统的运行起着至关重要的作用。该系统选用的是阳煤集团华鑫公司的KJ392-F矿用隔爆兼本安型电力监控分站。
    井下隔爆交换机：主要完成井下各个电力监控站的互联及和地面数据交换中心的数据通讯。该系统选用了KJJ102矿用防爆(工业以太网)交换机。
1．2 数据交换中心
    此部分主要由数据采集服务器和两台互为冗余的网路交换机组成。
    数据采集服务器：主要通过井下隔爆交换机把井下各个电力监控分站的数据采集汇总到此服务器，完成数据处理及数据备份。
    选用了IBM X3500服务器一台，做了RAID5磁盘镜像。
    网路交换机：采用了双交换机、冗余设计，保证了地面集控站与数据交换中心的数据链路安全。
    选用了CISC029系列的两台网络交换机。
1．3 地面集控站
    此部分主要配置包括两台互为双机热备的电力监控服务器(选用IBM X3500服务器)和两台操作员站(选用DELL工控机)。
    主要根据采集的电网数据和友好的软件平台，实现电网的运行监视和控制管理。另外，地面集控站预留了视频及WEB接口，便于将来扩充视频服务器和WEB服务器。视频服务器主要用于将井下和地面的配电室及变电所现场安装的摄像头采集的视频信号进行监视和保存；WEB服务器则用于将系统采集的电网数据以网页的形式发布到公司的办公系统网络中，公司领导只要在自己的办公室打开电脑就可以观看到全矿的电网实时数据。
    综述，以上体系结构符合集控系统的体系结构原理，满足了系统功能和性能要求，并且符合实时性、安全性和可靠性原则。关键设备用了冗余配置。

2 系统软件
2．1 系统组态软件
    选用了具有良好的开放性和灵活性的SIMATIC WinCC组态软件，布置在地面集控站的监控服务器上，实现用户的监控需求。采用此软件主要有以下优点：
    (1)包括所有的SCADA功能在内的客户机／服务器系统。最基本的WINCC系统仍能够提供生成可视化任务的组件和函数，而且最基本的WINCC系统组件即涵盖了画面、脚本、报警、趋势和报表的各个编辑器。
    (2)强大的标准接口。WINCC提供了OLC、DDE、ActiveX、OPC等接口，可以很方便地与其他应用程序交换数据。
    (3)使用方便的脚本语言。WINCC可编写ANSI-C和Visual Basic脚本程序。
    (4)具有向导的简易(在线)组态。WlNCC提供了大量的向导来简化组态工作。在调试阶段还可以进行在线修改。
2．2 系统数据库软件
    系统选用了力控实时数据库，它以其强大的功能，为企业信息化建设提供了完整的实时管理工具，能够提供及时、准确、完整的产生和统计信息，为实施企业管控一体化提供稳固的基础和有力的保证。其性能主要有：
    (1)真正的分布式结构，同时支持C／S和B／S应用；
    (2)实时数据库系统具有高可靠性和数据完整性；
    (3)灵活的扩展结构可满足用户各种需求；
    (4)高速的数据存储和检索性能；
    (5)实现了毫秒级数据采集和采集器的时间同步；
    (6)以高压缩比保存数据，实现了历史数据的海量存储；
    (7)支持OPC、DDE、ODBC、ActiveX等标准；
    (8)可以从DCS、PLC以及其它SCADA系统中读写过程数据；
    (9)每台力控实时数据库服务器能采集10万个不同的数据点。
2．3 操作系统软件
    监控服务器和数据采集服务器选用windows server 2003企业版；
    操作员客户机选用windows xp professional。
    以上软件系统满足实时应用的及时性和高可靠性，具有开放性、可维护性，并且具有分布式体系和面向对象技术。

3 系统功能
3．1 数据采集
    数据采集的内容包括遥测量、遥信量等数据：
    (1)遥测量主要包括：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度(单回路有功、无功电量，可设置分、谷时段远程计量)等。
    (2)遥信量主要包括：断路器和刀闸位置、保护自动装置动作信号、事件顺序记录。
3．2 保护及自动化信息的采集
    (1)接收监控站上送的运行信息及变电所内的其它变化信息。
    (2)查询并远方整定微机保护装置定值和微机保护装置的自检、动作信息。
3．3 数据统计、计算和采样
    (1)电压等测量值的越限判别、以及在此基础上的合格率计算。
    (2)电网有功、无功功率的电度积分和总加、电网有功电能量总加及功率因数计算。
    (3)任意测量值在一段时间内最大、最小、平均值的统计，并记录最大、最小值出现的时间。
3．4 控翻和调节功能
    遥控功能：
    (1)对断路器、隔离开关等进行分合闸操作。
    (2)电容器、电抗器的远方投切。
    (3)顺序控制，系统按照事先定义好的由多个控制命令组成的系列控制命令对设备进行控制，包括控制的安全性检查和延迟等。
    遥调功能：
    遥调功能用于设定各种智能模块的运行参数，既计算机根据屏幕操作指令或计算机根据对系统分析判断结果，对智能模块的设定值和故障保护值进行远程整定。
3．5 事件顺序记录
    井下设备运行发生事故时，系统在监控站或综合保护器的配合下，按顺序记录继电保护、自动装置和断路器动作的时间，并保存到数据库中(事故录波)，供事故分析用。
3．6 运行报警
    系统运行过程中发生了某些变化，则会立即提示出来，告知调度人员。
    (1)报警类别包括事故、遥信变位、遥测越限、保护动作、遥控操作、系统运行等。
    (2)不同类别的信息具有不同优先级，同时有多个信息需要提示时，优先提示级别较高者。
    (3)分类保存告警信息。
3．7 画面显示及人机交互操作
    提供了友好的、易于操作的画面风格，画面上显示了电压、电流、有功功率、功率因数等值及开关的状态，可以查看实时历史曲线，查看报警记录等。可完成的交互操作主要包括：挂牌操作、人工置数、保护操作、系统内主要设备参数及操作运行日志的浏览和检索。
3．8 报表系统
    报表系统提供了整点记录、日报表，月报表、年报表等不同形式的报表格式，内容包括系统运行、设备健康状态级报表、电能平衡报表、电压监察报表、事故(故障)明细报表等；可实行报表管理、报表定义、报表打印等功能。
3．9 安全管理
    所有的系统操作员(系统管理员、系统维护员、操作员等)根据其需要被赋予不同管理范围和操作权限，依登录的权限控制操作人员的读、写、维护、执行等行为。
    重要遥控实行口令字控制，在执行遥控操作时进行口令字校验，以确保无关人员不能执行遥控操作。
    所有登录(退出)和修改口令、权限、重要操作都能按时记录备查。

4 系统主要技术指标
    系统最大容量：每台分站最多可以外挂64台综合保护器。
    传输介质：
    (1)地面集控站到井下监控分站之间的传输介质为光纤；
    (2)井下监控分站到综合保护器之间的传输介质为通信电缆。
    传输方式：
    (1)地面集控站到井下监控分站之间为IEP／IP协议；
    (2)井下监控分站之间TCP／IP协议；
    (3)井下监控分站到综合保护器之间为RS485。
    传输速率：光缆传输速率为10 Mbps，通信电缆传输速率为2 400 bps。
    传输距离：KJ392-F矿用隔爆兼本安型分站与综合保护器之间的距离为2 km。

5 结束语
    目前，在阳煤集团开元矿运行的该系统安全稳定，能够实时监测井下供电系统各级电压值，负载电流值，功率值及开关的运行状态，并能够查看相关值的历史曲线；能对各个高低压开关的保护值进行整定和在线修改，通过在客户机端的操作实现远程分合闸；能够对井下电网的数据实时采集处理，对其出现的短路、过载、过压、漏电等各种系统故障进行实时告警和定位；另外，系统还预留了视频及WEB接口，便于将来系统的扩展。通过在该矿的实际应用，说明了该系统技术先进、功能完善、可靠性高，提高了生产效率，为煤矿的井下电力安全提供了很好的保障，产生了很好的经济和社会效益。