基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

成澤軍

(霍州煤電集團(tuán) 汾源煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000)

0 引言

煤礦供配電系統(tǒng)是維持整個煤礦采掘、運輸、通風(fēng)、排水等重要電氣設(shè)備正常工作及提供日常照明等用電的重要支撐，其運行可靠性及穩(wěn)定性是煤礦安全高效生產(chǎn)的重要技術(shù)保障。由于煤礦供配電系統(tǒng)時常會出現(xiàn)負(fù)荷波動劇烈、無計劃停電、越級跳閘及故障排查困難等問題，因此極易引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等嚴(yán)重安全事故。為了有效減少煤礦事故發(fā)生概率，提高煤礦供配電綜合管理水平及效率，需對煤礦供配電系統(tǒng)采用一體化實時監(jiān)控方案，進(jìn)而更好地實現(xiàn)煤礦各變電所的無人值守功能。

本文針對霍州市汾源煤礦35 kV及以下變電站安全監(jiān)控開發(fā)研制了KJ410煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)《山西焦煤集團(tuán)有限公司煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(試行)的技術(shù)要求，對該煤礦現(xiàn)有的電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，主要內(nèi)容包括地面電力調(diào)控中心優(yōu)化設(shè)計及地面35 kV變電所、1360水平井下變電所、1100水平井下變電所優(yōu)化設(shè)計，采用以太環(huán)網(wǎng)及RS485對通訊系統(tǒng)進(jìn)行重新架構(gòu)，并對井下變電所內(nèi)的監(jiān)控分站和高低壓開關(guān)綜保裝置等重要設(shè)備進(jìn)行智能化升級，從而建立了一套技術(shù)先進(jìn)、功能完整、易于管理的煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)。

1 煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別為地面監(jiān)控主站、電力監(jiān)控分站及綜合保護(hù)單元，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面監(jiān)控主站主要由兩臺監(jiān)控計算機、打印機、交換機和UPS電源等設(shè)備組成，用于井下供電運行數(shù)據(jù)的實時顯示及高開綜保裝置遠(yuǎn)程操作等指令的下達(dá)，其中監(jiān)控主站采用雙機熱備份方式，保證系統(tǒng)可靠性[1-4]。電力監(jiān)控分站用于井下各供電設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，其中高低壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置的通訊信號作為一組共同接入監(jiān)控分站[5-7]。系統(tǒng)的通訊平臺架構(gòu)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)加現(xiàn)場總線的組合通訊方式，井下各變電所內(nèi)電氣設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)由井下電力監(jiān)控分站通過RS485總線通訊方式及協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地集中監(jiān)測。同時監(jiān)控分站通過光纖以太環(huán)網(wǎng)與監(jiān)控主站實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將各運行數(shù)據(jù)集中上傳至監(jiān)控主站。

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 GPS對時子系統(tǒng)

為保證全系統(tǒng)運行顯示時間準(zhǔn)確一致，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計了GPS對時子系統(tǒng)，通過地面調(diào)控中心加裝的GPS對時裝置從GPS衛(wèi)星獲取標(biāo)準(zhǔn)時間信號，并將該時間信號通過各類接口實時傳輸至監(jiān)控主機、綜保裝置、故障錄波器、遠(yuǎn)程RTU等需要時間信息的主要通訊設(shè)備，從而使整個系統(tǒng)的運行時間達(dá)到同步，GPS對時子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPS對時子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)

本文設(shè)計了數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)用于加強對井下各變電所及供電設(shè)備的實時監(jiān)控，通過在電力系統(tǒng)平臺中加裝的網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機和現(xiàn)場的固定式及云臺攝像頭對井下所有供電場所及設(shè)備進(jìn)行實時數(shù)字視頻采集。同時配置大容量硬盤將所有錄像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時存儲，存儲時間不低于一個月。數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件方案設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計方案主要分為地面調(diào)控中心硬件設(shè)計及井下供電監(jiān)控硬件設(shè)計。其中地面調(diào)控中心硬件除原系統(tǒng)具備的數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計算機、UPS電源外，還包括GPS對時子系統(tǒng)及數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)中的GPS對時器、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機等設(shè)備。井下硬件設(shè)計方案主要包括各井下監(jiān)控分站及高低壓開關(guān)綜保裝置的升級改造，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷運行及防越級功能。

本文采用K系列GPS對時裝置實現(xiàn)全系統(tǒng)運行時間的實時校準(zhǔn)同步，K系列GPS對時裝置采用GPS/BD2雙系統(tǒng)精密授時，支持單GPS/北斗、雙GPS/北斗及GPS/北斗聯(lián)合授時等多種授時方式，并可通過串口、面板菜單等途徑修改授時方式。裝置內(nèi)部的授時單元采用智能馴服算法，晶體選用高精度恒溫晶體振蕩器，授時精度高，每日時鐘自走時誤差≤0.6 ms，輸出接口為RS232、RS422及RS485，傳輸距離可達(dá)上千米[8]。

數(shù)字視頻錄像子系統(tǒng)中的硬盤錄像機選用DS-7732N-K4/16P型NVR，其內(nèi)部具有32路網(wǎng)絡(luò)視頻輸入、1路HDMI及1路VGA輸出，可支持4K高清視頻的播放存儲及最大16路的同步回放。設(shè)備搭載了4個SATA1接口，單獨接口的最大支持容量達(dá)到6TB，同時還具有豐富的外部接口，包括8路報警輸出、16路報警輸入、3個USB接口、4個串行接口、17個網(wǎng)絡(luò)接口及1個語音對講輸入，可保證錄像子系統(tǒng)可靠運行。

井下監(jiān)控分站是實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)上傳及監(jiān)控主站控制指令執(zhí)行的重要設(shè)備，本系統(tǒng)選用KJ410-F型礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站對數(shù)據(jù)進(jìn)行雙分站分段采集，其內(nèi)部主要由通訊服務(wù)器、冗余光纖交換機、人機交互界面及UPS電源等設(shè)備組成，具備2路傳輸接口，傳輸方式采用TCP/IP以太網(wǎng)光信號，傳輸速率可達(dá)自適應(yīng)10 Mb/s～100 Mb/s，最大傳輸距離可達(dá)10 km，滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及采集需求。

由于井下高壓電網(wǎng)大多數(shù)供電線路較短，線路阻抗小，且運行方式差異較大，在發(fā)生短路故障時極易發(fā)生越級跳閘，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。因此，本文對原系統(tǒng)井下高低壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置進(jìn)行改造，將其更換為具有防越級跳閘功能的智能保護(hù)器，并增設(shè)遠(yuǎn)近控模塊實現(xiàn)井下分合閘智能控制。本系統(tǒng)選用ZNCK-6A3及ZNBH-11-A型防越級礦用智能保護(hù)裝置對井下高壓開關(guān)及低壓饋電開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，該系列裝置除了具備常規(guī)保護(hù)裝置的功能外，還可通過系統(tǒng)級聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與地面保護(hù)形成實時防越級跳閘網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)在井下所有高壓開關(guān)、低壓饋電及照明綜保等受控設(shè)備內(nèi)部增設(shè)FTI044型智能控制模塊進(jìn)行遠(yuǎn)近控改造，從開關(guān)引出的線纜接入井下監(jiān)控分站，監(jiān)控分站通過控制中間繼電器實現(xiàn)遠(yuǎn)近控，系統(tǒng)改造線路如圖4所示。通過該遠(yuǎn)近控改造后系統(tǒng)可在任意時刻分閘，而合閘需在遠(yuǎn)近控狀態(tài)下進(jìn)行，從而保證安全檢修。

圖4 FTI044智能控制模塊接線圖

3 軟件方案設(shè)計

KJ410煤礦電力監(jiān)控平臺主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)管理等，軟件具體功能如圖5所示。

圖5 KJ410煤礦電力監(jiān)控平臺軟件功能圖

其中系統(tǒng)及線路的負(fù)荷率統(tǒng)計可根據(jù)采集數(shù)據(jù)對風(fēng)機、中央變電所等位置的電壓、電流等主要電參數(shù)進(jìn)行實時曲線繪制，可從地面調(diào)控中心更直觀監(jiān)測系統(tǒng)各個部分的運行狀態(tài)，電壓及電流數(shù)據(jù)記錄界面如圖6、圖7所示。

圖6 電壓數(shù)據(jù)記錄界面 圖7 電流數(shù)據(jù)記錄界面 圖8 時間順序記錄界面

在常規(guī)報警功能基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還添加了時間順序記錄功能，當(dāng)井下供電設(shè)備發(fā)生故障并報警后，系統(tǒng)可自動按時間順序記錄繼保裝置及斷路器開斷的時間并上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器用于后續(xù)事故分析。時間順序記錄界面如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文為適應(yīng)霍州汾源煤礦供電安全監(jiān)控要求，基于工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線通訊技術(shù)設(shè)計了一套監(jiān)測參數(shù)全面、數(shù)據(jù)交互性強的智能煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，并增加了GPS實時授時、數(shù)字視頻錄像及防越級跳閘等功能，可實現(xiàn)煤礦供電設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與調(diào)控，保證煤礦供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。