煤礦電力監控系統研究與應用

摘" 要：該文介紹綠水洞煤礦為監控井下供電系統，采用安設一套井下電力監控系統。通過改造高、低壓開關設備綜合保護器模塊，安裝帶RS485通信功能的綜合保護器，并為各設備提供兼容的通信協議，實現監控井下變電所的高、低壓開關設備的技術。同時結合礦井工業視頻監控系統，實現變電所無人值守和遠程監控的運行模式，保障井下工業環網、智能化工作面等重要設備供電需求，達到降低成本和安全供電的目的，從而提高煤礦井下安全生產工作效率和管理水平。

關鍵詞：電力監控系統；煤礦；RS485通信；遠程監控；設備改造

中圖分類號：TD611" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0193-04

Abstract： This paper introduces the installation of a set of underground power monitoring system in Lushuidong Coal Mine to monitor the underground power supply system. Through the transformation of the integrated protector module of high and low voltage switchgear， the integrated protector with RS485 communication function is provided， and a compatible communication protocol is provided for each equipment， thus realizing the technology of monitoring the high and low voltage switchgear of underground substations. At the same time， according to the mine industrial video surveillance system， the operation mode of unattended substation and remote monitoring is realized， which ensures the power supply demand of important equipment such as underground industrial ring network and intelligent working face， and achieves the purpose of cost reduction and power supply safety. As a result， the work efficiency and management level of coal mine safety production are improved.

Keywords： electric power monitoring system; coal mine; RS485 communication; remote monitoring; equipment transformation

為了實現實時監測綠水洞煤礦地面35 kV變電站和12座井下變電站的高壓開關及低壓開關設備運行狀況和電網中電壓電流等實時值，結合綠水洞煤礦現有的供電系統實際情況，采用的煤礦電力監控系統需適用于綠水洞煤礦地面35 kV變電站及井下10 kV、6.6 kV變電所的需求。該電力監控系統需采用先進的計算機網絡通信和控制技術，系統應集成數據分析、安全、保護、遠程控制、通信和管理等功能。

地面電力監控主機可通過現有的礦井井下工業以太環網實現對供電系統的數據采集與處理、監控與監視、人機友好交互等，并通過對供電系統設備進行遠程監控、保護、控制等操作，記錄和處理各種信息。結合變電所內安設的工業視頻，地面監控室可以通過礦井工業視頻監控系統觀看變電所人員出入、操作等直觀畫面，實現變電站的無人值守運行，達到遠程監測控制高壓開關和低壓開關的目的。

1" 設計

將所有需要監控的高壓開關和低壓開關綜合保護器改造為帶有RS485通信功能的設備，并為不同廠家生產高壓開關和低壓開關設備提供兼容的通信協議。在各個變電所分別安裝一臺礦用本安型分站，將各開關的綜合保護器用2芯通信線相互并聯在一起，再與礦用本安型分站相連，并使用RS485通信方式與礦用本安型分站傳輸信號。同時在每個變電所安設一臺或多臺防爆攝像儀，與礦用本安型分站通信采用礦用網絡通信電纜互相連接。礦用本安型分站對相關數據進行分級預處理，攝像儀實時對變電所進行實時監視，通過工業以太環網上傳到監控主機。

2" 系統組成

煤礦電力監控系統由電力監控系統主機、高壓開關、低壓開關、礦用本安型分站及網絡通信接口等設備組成。電力監控系統使用3層結構：地面電力監控系統主機和井下千兆工業以太環網、電力監控系統礦用本安型分站、礦井井下高壓和低壓開關。

礦用本安型分站可采用660 V/380 V/220 V/127 V交流電壓，并提供2路本安RS485通信接口、1路本安CAN通信接口、1路10 Mbps/100 Mbps自適應以太網通信接口及1路百兆以太網單模雙纖光口，實現不同通信協議的設備之間互聯互通。并配置有備用電源，可防止供電系統意外掉電的情況下繼續對井下供電系統進行持續監控。

開關綜合保護器與礦用本安型分站之間使用RS485通信模式傳輸信號，變電所內電力設備各類數據上傳到礦用本安型分站，通過井下千兆工業以太環網傳輸到地面電力監控系統主機。地面電力監控主機將命令下發給礦用本安型分站，本安型分站再將控制命令下發給井下變電所高壓和低壓開關綜合保護器，對設備實現遠程監測控制。地面電力監控系統服務器對電力監控系統中的供電系統數據實現發布與共享功能。綠水洞煤礦井下電力監控系統結構如圖1所示。

3" 井下現場安裝

1）在調度指揮中心安設一臺電力監控系統主機，監控系統主機采用工控機，可兼作服務器。采用網線傳輸信號，網絡就近接入煤礦地面機房礦井工業千兆以太環網之中，用來接受通過礦用本安型分站上傳的井下電力監控系統設備運行數據及設備相關參數，以及下發給各個變電所分站的各類指令。系統主機通過組建Web服務器向綠水洞煤礦局域網內部用戶發布與分享信息，供電系統實時監控畫面、報表、系統運行狀態和歷史數據的查看及保存等。

2）在綠水洞煤礦井下每個變電所內各安裝一臺電力監控系統礦用本安型分站，采用網絡通信線與該變電所的井下千兆工業以太環網交換機相連接并傳輸信號。使用遙控器在分站中設置預先分配好的網絡地址、通信方式、波特率等相關信息。礦用本安型分站接受礦井地面電力監控系統主機下發出的控制、查詢、參數修改等命令信息，上傳變電所內工業視頻攝像儀監控信息與供電設備相關參數數據到地面電力監控系統服務器中。

3）對所有需要監控的高壓與低壓開關綜合保護器進行改造，改造為帶有RS485通信功能的保護器設備。從礦用本安型分站鋪設通信電纜，并聯接到該變電所內每臺開關綜合保護器信號傳輸觸點，在每臺開關上設置相應通信地址、通信模式及波特率等。綜合保護器內部數據通過RS485通信信號方式上傳數據至礦用本安型分站，并接受分站下發的控制、調數、復位及數值修改等控制命令。

4）在礦井每個變電所內安設一臺或多臺攝像儀，采用網線與本安型分站連接，相互傳輸信號。實現對變電所內設備環境狀態、人員行為的直觀監視，為輔助遠程監控人員對變電所內供電系統異常事件進行及時直觀提醒，降低和控制意外事故發生的風險。

4" 實現功能

4.1" 遠程監控

1）在煤礦電力監控系統主機上，可實時監測井下供電系統的電流、電壓、有功功率、無功功率、頻率、功率因數、用電量、零序電壓、零序電流和絕緣監視電阻等電力參數。反映井下變電所高、低壓開關的分閘或合閘實時狀態，保護裝置的動作情況、事件時間順序記錄信息、事故遙信變位等。

2）通過監控中心遠程對井下開關的分閘、合閘操作。遠程控制過程包含有如下幾個步驟：遠程控制操作人員的身份及權限核實驗證、選擇遠控的對象、遠控預發、系統內部核實驗證、終端核實驗證、終端返送核實驗證結果、遠控執行或撤消，記錄操作過程。在遠控進行的過程中無論是系統內部校核未通過還是終端校核未通過以及發生遙信變位，則自動撤消控制并提示操作人員。

3）在監控中心對井下開關的保護器進行保護定值召喚、整定修改等。保護器的定值連續可調，便于上下級開關的定值整定，加上保護器延時的準確性，可防止開關的越級跳閘事故發生。調節過程包括以下幾個步驟：遠控操作人員的身份及權限檢查、選擇調節對象、修改參數值、發送參數值、終端校驗核實、終端返送核驗結果、確認執行或撤消，記錄打印操作過程。在遠程控制進行的過程中需在終端進行校驗核實，則自動撤消控制并提示操作人員。

4）通過監控主機對應工業視頻對變電所進行實時監視，并將視頻、聲音、圖片存儲在服務器上保留一段時間，以供隨時調閱。

4.2" 故障處理、分析

1）當開關保護器動作時，系統可自動啟動電流、電壓波形記錄功能。也可由值班人員在監控主機上下發命令開啟其中一個回路的波形進行記錄，監控中心主站上便能顯示這一回路的電流和電壓的波形圖，以供技術人員分析各個時間刻度的幅值相位等，也可以將波形曲線打印出來，以便礦井對故障時的供電系統參數有更全面的掌握。

2）故障發生后，電力監控系統立即發出報警信號，上傳存儲于保護器中的相關故障信息（故障時電流和電壓參數、故障發生時間、故障原因），通過上傳故障波形記錄數據進行圖形顯示分析，使監控人員能及時了解供電系統故障時的運行狀況。

3）對高壓開關保護器增加后備電源，讓保護器在供電系統意外掉電情況也能正常工作2 h以上，使電力監控系統與保護器繼續正常通信，正常進行數據信息查詢、數據上傳等。以便記錄掉電瞬間供電系統運行狀況進行分析，幫助礦井全面掌握供電系統的運行情況。

4.3" 數據統計、計算

根據計算公式（可由用戶自定義）實現以下功能。

1）供電系統及線路負荷率統計計算。

2）電流電壓等測量值的越限判別，以及在此基礎上的計算電壓合格率。

3）對某一時間段內最小、最大和平均測量值的統計，并對最大值及最小值出現的時間進行標記。

4）供電系統中有功、無功功率的電度積分和總加，有功及無功電能量總加計算。

4.4" 查詢及操作功能

監控主機實時接收多協議網關傳輸數據，以實時狀態圖形方式顯示瀏覽，實現遠程遠整定保護裝置定值和保護裝置的自檢、動作信息，保護信號復歸和復位操作等。通過表格或曲線的形式，對實時或任意時間段歷史記錄進行訪問，同時對異常數據用明亮的色彩進行區分，用醒目的紅色標識出報警信息。

4.5" 報警功能

在電力監控系統運行過程中，實現動態的顯示越限、故障報警，通過自動調出事故回路所在畫面、閃爍、字體變色、聲光報警和信息彈窗等多種組合報警方式，對不同類別的信息進行報警，同時保存告警信息，以便工作人員可隨時掌握、分析供電系統運行狀態。

4.6" 管理功能

具備設備管理功能，可在電力監控系統的圖形系統中對相應的電力設備進行標注，便于供電系統設備的查詢與統計。

具有多級別權限管理功能，系統會自動記錄操作人員的每個操作步驟，并生成操作記錄，實現供電系統安全管理。

4.7" 事件時序記錄功能

當井下供電網絡運行的設備發生事故時，電力監控系統可以在地面監控中心及設備綜合保護器的配合下，按時間順序生成綜合保護器、動作裝置和斷路器發生動作時間的事件記錄，并保存到電力監控系統數據庫中，供事故發生后分析使用。

4.8" 畫面顯示及人機交互操作功能

系統可以制作的畫面包括系統主接線圖、變電所的接線圖、功率總加圖、畫面索引圖、負荷曲線圖、電壓圖、表格圖和保護配置圖等，用來實現對高、低壓開關設備及礦井井下電力供電系統的監視和控制。

系統中圖形工具可以對任意大小尺幅的畫面進行編輯；可隨意放大、縮小、漫游來操作畫面；有圖元引用、操作功能；可提供多種方式調用畫面，如按索引目錄調用、名稱調用、單鍵調用等。

在系統畫面上還可以完成如下交互操作功能。

1）掛牌操作。根據供電網絡中的設備正常運行、維護、故障處理等具體情況，給設備在正常運行、維護、故障狀態欄上打上相應標記。

2）開關操作。在畫面顯示中選中保護裝置的圖標，可直接對保護裝置的事件信息進行查詢、遠程控制、設置參數調整和保護裝置復位等操作。

3）人工置數。操作人員根據授權范圍可修改測量值和狀態，以及潮流方向、運行工況等。

4）完成電力監控系統內主要設備的參數、操作記錄、事件記錄及系統運行日志的瀏覽和檢索。

4.9" 報表的制作、顯示和打印

該系統能夠將根據用戶需求，提供預覽及打印功能。用戶可設置定時打印，能自定義日報表、月報表及特定時間段的報表，并將數據導入用戶定制表格中，完成報表自動打印。對報表修改可自動更新統計、計算結果。

4.10" 保護器的安全

使開關綜合保護器單元中的保護單元功能實現獨立運行，不需要依賴于通信網絡便能正常工作不會受到系統設備是否在線影響。

4.11" 時鐘同步功能

整個供電系統內的礦用本安型分站和開關綜合保護器都以電力監控系統服務器內部時鐘為準，服務器能夠實現對各個本安型分站及綜合保護器的定期自動校時。

4.12" 與信息管理系統及其他系統的數據交換

電力監控系統支持以下3種方式與管理信息系統及其他系統進行數據交換。

1）網橋方式。使用網橋，由網橋連接多個不同系統的網絡，由網橋完成數據的轉發，既可以是報文的方式，也可以直接寫入數據庫。

2）服務器方式。在同一個服務器服務多個不同系統的條件下，電力監控系統可以直接將數據寫入進同一個服務器上的其他系統的數據庫。

3）交換機方式。使用網絡交換機，電力監控系統發往其他系統的數據由交換機轉發，實現數據交換的目的。

4.13" 網頁瀏覽器

電力監控系統中主機可以組建Web服務器，可以讓礦井局域網中的其他用戶使用網絡瀏覽器訪問系統，完成對礦井供電系統實時監控畫面、報表、系統運行狀態和歷史數據的查看及保存。

4.14" 工業視頻監控功能

在每個變電所內安裝帶播音及拾音功能攝像儀，將監控畫面通過工業視頻監控系統集中顯示在礦井調度指揮中心。系統值班員通過攝像儀對變電所內設備及環境進行錄像、監控及對講。

4.15" 變電所無人值守功能

基于礦井電力監控系統及工業視頻監控系統的建設完成。系統值班人員可對進入變電所內工作人員的行為進行分析，對變電所內部環境狀態進行分析，對供電系統設備狀態進行分析，能有效防范預警各類安全事件，降低及控制意外事故發生的風險，實現變電所無人值守功能，提升礦井信息化管理水平。

5" 結束語

井下電力監控系統技術的應用，能有效地實施實時監控煤礦井下供電系統，實現對變電所內的設備遠程操控和實時監測，無人值守，減少維護人員，降低供電系統運維成本，為諸如井下工業環網、智能化工作面等重要設備供電需求提供了保障，對于煤礦企業管理和安全生產有著重要的意義。

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