智能電力監控系統在礦山的應用與探討

任運業

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

摘要：隨著煤礦建設的智能化程度越來越高，構建智能電力監控系統實現對礦山生產的有效監控至關重要。首先分析了礦山電力監控系統存在的主要問題，其次重點介紹了基于智能礦山電力監控系統的設計過程，后提出了加強智能電力監控系統的措施，以保障智能電力監控系統的正常使用。

關鍵詞：智能礦山；電力監控系統；應用方法

礦山開采工作較為復雜，涉及礦山井下開采人員、設備以及生產環節的管理等。隨著智能化技術的迅速發展，現代化信息技術與自動控制技術也不斷發展，對智能礦山的建設提出了更高的要求。傳統的礦山電力監控系統一般應用計算機網絡技術，不能實現井下設備的控制，無法及時反饋環境信息和設備情況等。

因此，在傳統電力監控系統的基礎上，通過大數據技術和云計算等完成礦井監測的可視化、調度的綜合化以及控制的自動化，有利于提升煤礦的安全性，加強生產業務的管理水平。由此可見，對基于智能礦山電力監控系統應用方法進行研究具有重要意義。

目前，雖然對電力監控系統及相關設備做了很多研究，但是缺少對數據的合理應用，而且數據庫需要存儲大量關于電力數據的監測值，這也是電力監控系統需要解決的重點問題。在實際應用過程中，電力監控系統主要存在以下問題。

1.1 工作人員不能根據監控數據發現安全隱患。

監控系統的主要功能是監測礦下的信息參數，不能很好地處理異常數據，且缺少對數據的預測功能，通過人機交互界面不能保證工作人員提前了解信息參數。

1.2 缺少對安全監控信息的深入分析與利用

大數據分析已經成為廣泛應用的數據分析方法，能夠找出數據背后的價值信息，從而為科學決策提供依據，在各個行業當中都有著廣泛的應用。煤礦開采也要加強對數據信息的分析與應用，保證監控的多元融合。

1.3 預測模型的智能化程度低。

電力監控系統主要注重對安全信息的監測與控制，并進行簡單反饋，不能實現危險度的判斷以及事故預警等。此外，斷電控制、分級報警以及區域斷電等功能需要進一步完善，所以須提高電力監控系統的智能化水平。

2.1系統設計

電力監控系統采用了3種技術，分別是自動化技術、計算機網絡技術以及信息化技術，集保護、監測、控制、通信等多種功能于一體，具有開放式、網絡化、模塊化、組態化的特點。電力監控系統設計有客戶端/服務器（Client/Server，C/S）結構，同時還具有能夠支持Web瀏覽，即瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）的結構。該系統采取變電所的一次主設備實現“五遙"功能，即遙測、遙信、遙控、遙調以及遙視，同時實時采集高、低壓開關柜的相關電氣監測數據，通過高、低壓柜的運行數據判斷負載設備的運行情況，對二次設備和輔助設備實現遠程控制和管理，并與煤礦安全監測系統進行數據交互，實現對電力系統的較全智能管理

2.2　系統的結構與組成

系統的設計采用了分布式、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傳輸控制協議/網際協議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）進行數據傳輸；間隔層和設備層通過Modbus-RTU和ModBus協議進行通信。充分考慮數據傳輸方式的不同，對數據傳輸標準進行統一，根據現場不同的系統來實現各煤礦的電力監控功能。

設備層主要包含一些電力系統采集設備的終端，如電力保護裝置、功能儀表、電力監測裝置等。電力監控系統的間隔層設備采用間隔分散式的安裝方法，各設備之間相互獨立，僅通過通信網絡連接。井下間隔層設備通常采用Modbus-RTU和ModBus協議進行通信Modus-RTU通過井下電力分站就近接入井下控制環網交換機，通過光纖接入地面生產指揮中心。控制層包括主站監控系統、通信服務器，其中主站監控系統完成數據實時采集、數據處理、遠程控制等功能，通信服務器完成網絡轉換、智能設備接入和遠程主站通信。在信息層構建自動化數據展示平臺，通過面向對象技術，對于安全性能、監測數據等不同的信息完成綜合處理，從而為科學決策和管理提供參考。管理層主要作為生產過程中的執行系統，主要包括集成平臺管理、運行維護、設備運行管理以及生產數量控制等多個功能。通過對生產過程的精細化管理，能夠有效解決管理層與過程控制層中存在的斷層問題，從而提升作業管理效率，提高信息化水平。決策層根據信息層匯報的監測信息，并結合實際情況做出決策。決策的實施需要各個部門協同工作，并綜合子系統的各項信息，實現數據的快速整合，后形成一個科學合理的決策方法。

系統能夠兼容多種協議形式的監測監控設備，與多個系統進行數據交互。系統以變電所為單元，變電所的功能是將數據通道接入主傳輸通道。系統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。應用數據共享，實現信息網絡發布自動報警和預測分析功能。此外，結合視頻監控系統、門禁系統，實現地面、井下變配電無人值守、有人巡視的目的。

2.3　子系統接入設計

2.3.1　子系統接入方式

根據子系統的設計特點，可以應用3種接入方式。

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

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicCantroller，PLC）接入。對于自動化控制系統而言，利用服務器通過以太網和PLC接口相連，并且安裝在采集服務器的OPCServer中，實現和生產綜合監控系統服務器之間的信息交換功能。接入結構如圖3所示。

嵌入式控制接入。對于嵌入式控制的子系統，利用內部的OPCServer，服務器通過以太網和接口協議實現子系統之間的連接。接入結構如圖4所示。根據智能礦山子系統的設計特點，采用PLC接口方式，當子系統接入后，把采集好的數據信息進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　數據交互方式

數據交互方式主要包括3種，分別為OPC、開放數據庫互連（OpenDatabaseConnectivity，ODBC）、文件傳輸協議（FileTransferProtocol，FTP）。其中，OPC通過微軟組件技術進行設計，利用C/S架構模式，能夠處理本地與網絡等節點的服務器信息，監控系統能夠對數據進行直接讀取，安全性較高。ODBC以數據庫為基礎進行交互，雖然實時性較差且效率比較低，但是可以根據數據結構，通過訪問數據接口，把實時性較差的數據寫入對應的數據庫表中，使得電力監控系統能夠獲取數據庫接口，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置好的文件格式傳輸到采集服務器中，便于電力監控系統完成數據解析。

3.1　傳感控制器的發展

在電力監控系統工作的過程中，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定性和安全性非常重要。現階段，常用的傳感器基本能夠滿足電流、電壓等生產需要，但是仍然存在一些問題需要引起高度的關注。在傳感器的壽命、性能、可靠性等方面，和國外的相關產品對比，仍然需要進一步改進。為了滿足整體生產的性能要求，需要加強對傳感控制器的研究和改進。

3.2　引入監測煤礦新技術

現階段，電力監控系統基本能夠滿足運行的需求，但是在安全系數等方面，其性能依然具有一些缺陷，如一些產品存在跳閘、定位速度慢等問題。針對這一問題，需要加強對目標技術的研究與設計。此外，通過斷流的方式可以避免出現由于電壓波動而停電的問題。高壓選擇性漏電保護系統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。這些技術都在一定程度上提升了系統的安全性，增強了數據處理和采集的能力。

3.3　對電力監控系統中主站的改進

在礦山的電力監控中心，可以安裝6臺監控服務器和工業電力監控計算機，從而避免出現計算機病毒破壞等問題。此外，為了進一步提高監控系統的可靠性和安全性，可以應用Linux中文操作系統進行升級與安裝，主要包括千兆網絡交換服務器、光纖網絡交換服務器、電源系統以及信息發布系統等。

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、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現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、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2 應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3 系統架構

Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

4.4 系統功能

4.4.1 實時監測：

直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、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：

查詢各回路或設備某一時間的運行參數。

4.4.5 實時告警：

具有實時告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。

4.4.6 歷史事件查詢：

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

4.4.7 電能統計報表：

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

4.4.8 用戶權限管理：

設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

4.4.9 網絡拓撲圖：

支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

4.4.10 電能質量監測：

可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。

4.4.11 遙控功能：

可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

4.4.12 故障錄波：

可在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、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態信息。

4.4.14 Web訪問：

展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。

4.4.15 APP訪問：

設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。

4.5 系統硬件配置

通過對智慧礦山智能電力監控系統應用方法開展研究，智能電力監控系統的應用和改進能夠實現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絡的自動化水平。隨著智慧礦山的發展，要求煤礦電力監控系統要向著網絡化、集成化的方向發展，同時融合控制技術、數據庫技術、計算機技術等多種智能化技術。因此，要合理應用智能電力監控系統，給生產提供重要的安全保障，促進煤炭企業的可持續發展。

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[5]  周永亮.基于智能礦山電力監控系統應用方法的探討

[6] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介：

任運業，男，安科瑞電氣股份有限公司，從事電力監控系統的研究與應用。