浅谈煤矿井下智能供电监控系统的设计及应用
张品
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：针对某矿业一号煤矿企业井下电力系统故障问题频发的现状，根据一号煤矿井下供电系统的实际情况，进行了井下供电监控系统的改进设计。相较于改进之前的供电系统，新供电监控系统运行稳定可靠，缩短了供电系统的故障排查时间，提高了采煤设备利用率，降低了供电系统维护成本，增加了企业的经济效益。
关键词：井下供电；监控系统；改造设计
1概况
某矿业一号煤矿始建于1991年，井下供电系统监测采用的是人工值守、综合保护器就地操作模式，监测结果受人为因素影响较大。煤矿井下中央变电所与采煤区的变电所的布置集中性较差，移动变电站随着工作面的掘进需要实时移动，频繁通断电存在较大的电压电流冲击，加之运行环境恶劣,经常出现供电系统故障。故障发生时故障排查工作困难，导致故障影响范围扩大。因此，黄陵矿业一号煤矿决定开展井下供电监控系统的改进设计工作。
2供电监控系统构成
煤矿供电系统主要由地面监控主站、井下监测分站和各个电力监测单元组成，具体衔接关系如图1
地面监测主站配置了供电系统专业版组态软件系统，具有井下供电系统的监测、数据统计处理等功能。井下监测分站作为地面监测中心主站与电力监测单元的信息传输纽带，既能控制井下高压开关的综合保护装置，还能实现故障波、数据传输和存储、供电系统监控等。电力监测单元主要负责井下变电所设备的数据采集工作，接受监控中心发出的实时控制指令，实现用电设备的远程操控。
3供电监控系统设计
3.1硬件设计
3.1.1调度中心硬件配置
调度中心作为供电监控系统的核心，负责井下供电系统实时信息的汇集、显示、分析与存储，监控人员也可以根据井下供电系统实际运行情况发出控制指令，确保整个井下供电系统的稳定运行。调度中心配置2台数据采集服务器，型号为SCADA,兼顾供电系统实时数据库服务器和Web服务器，实现历史数据的发布、备份和存储；配置2台操作监控主站工控机，使用液晶彩色显示器，接入EtherNet/IP系统服务器，实现监控数据的共享与打印等功能；配置2台服务器兼操作员站，供电回路中串联UPS电源，规格为3kVA/2h,保证监控系统断电情况下数据的正常采集处理，避免出现数据间断性丢失问题。
3.1.2地面监控主站系统硬件
监控主站硬件组成如图2所示，主要包括数据服务器、通信服务器和监控工作站。数据采集服务器安装数据采集软件，负责井下供电系统实时监测数据的采集。终端通信参数的设置由数据采集服务器完成，包括数据采集周期、频率、报警阀值、信号范围等。数据采集服务器采用双机备用模式，系统正常运行时可以随时停止其中的任何设备，不影响系统数据的采集。通讯服务器安装基于JAVA技术开发Web综合信息发布系统，能够依据监控系统组成发布对应的网页信息，将井下供电系统实时运行数据传输至信息管理系统进行存储和显示。
监控工作站的主要功能是显示井下供电系统的实时监测数据及故障诊断报警等，包括报警画面、系统诊断画面、在线帮助画面、实时和历史报表画面、参数设置画面、用户登录画面等。监控人员能够根据井下供电系统的实时运行数据及变化趋势判断供电系统是否出现故障，若出现故障能够给出故障的可能位置，指导维修人员及时进行故障排除。同时可以根据井下供电系统实时运行数据的变化趋势，完成相关运行参数的设定，确保井下供电系统运行的安全可靠。
3.1.3井下电力监测分站硬件
井下电力监测分站使用的是KJ275-F系统，由颐坤公司基于分层分布式结构开发而成，具有普通分层分布式系统的功能和变电站综合控制系统功能。井下电力监测分站涉及工业嵌入式通讯服务器、供电电源、光端设备等，主要功能是将井下中央变电所、综合保护器、高低压开关等的运行状态、变电所母线的电压、电流、功率等实时参数值经过采集过滤和数模转换，传输给井下监测分站,由监测分站进行数据计算和真伪判断，之后借助以太网传输至地面控制主站。
3.2软件设计
3.2.1地面监控中心软件
地面监控中心主站所使用的软件主要包括系统软件和应用软件。系统软件主要指操作系统和数据库系统等，2台工控机均采用WindowsXPprofessional版操作系统，安装了WinCC、CentralArchiveServerServer等应用软件。系统使用的应用软件均是在VC6.0集成开发环境下完成，主要有应用程序基础平台、数据库、通讯管理、组态工具等模块组成，采用SQL2000数据库系统。
3.2.2数据库管理程序
数据库管理是井下供电监测系统的重要组成部 分，是监测数据能否可靠接收和存储的关键，工作 流程如图3所示。
图3数据库管理系统程序
先启动数据库管理系统，根据操作信息打开 相应的数据库表，之后系统自动弹出该数据库表能 够进行的操作消息，确定是否需要进行数据库的预 修改。当需要对数据库进行预修改时，即可将需要 修改的参数存入数据库管理系统，之后弹出是否退 出的操作消息，没有其他需要修改的参数即可确定 退出数据库管理系统。
3.2.3 组态工具模块程序
组态工具模块作为井下电力监测系统的一部 分，主要功能是对电力系统监测绘图及矢量数据存 储。绘图功能采用组态王6.0软件包编制完成，组 态工具模块具体工作程序如图4所示。
打开画面
退出
图4组态工具模块程序
首先启动组态工具模块程序，根据操作消息 进行元件和布线等绘图操作，之后确定是否需要 形成画面，如果需要即可存储为画面矢量数据， 之后弹出是否退出消息，如果无其他操作即可点 击退出程序。
3.2.4通讯管理模块程序
通讯管理模块是井下电力监测系统的组成部 分，是完成井下供电系统与地面控制中心信息传输 的重要纽带，控制流程包括数据信息传输和控制指 令传输两部分，具体如图5所示。
图5通讯管理模块控制流程
4井下电力监控系统应用
为了验证设计完成的井下电力监控系统的应用 效果，在黄陵矿业一号煤矿进行试运行，为期半年 跟踪记录。应用结果表明，井下电力监控系统运行 稳定可靠，能够满足设计要求，实现了井下供电系 统的实时监测与历史数据存储调用。图6为调用的 部分中央高压历史数据曲线，可以观察得出电压的 变化趋势，指导供电系统维修人员进行故障诊断与 排查。
统计结果表明，相较于改进之前的供电系统, 新监控系统的引入，故障排査时间缩短近15%, 井下采煤设备利用率提高近10%,降低了约10% 供电系统维护成本，预计为企业产生直接经济效益 200 万 /a。
5安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案
5.1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。
5.2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。
5.3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、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。
5.4系统功能
5.4.1 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。
5.4.2 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。
5.4.3 曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。
5.4.4 运行报表：查询各回路或设备时间的运行参数。
5.4.5 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。
5.4.6 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。
5.4.7 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。
5.4.8 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。
5.4.9 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。
5.4.10 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。
5.4.11 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。
5.4.12 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。
5.4.13 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。
5.4.14 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。
5.4.15 APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。
5.5系统硬件配置
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应用场合 |
型号 |
图 片 |
保护功能 |
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电力监控系统 |
Acrel- 2000Z |
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电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。 |
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网关 |
ANet- 2E8S1 |
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8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GB SD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC 220V，导轨式安装。 |
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35kV/10kV/6kV 微机保护装置 |
AM6-* AM5SE-* |
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适用于6-35kv配电线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等中高压柜微机保护 |
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35kV/10kV/6kV 弧光保护 |
ARB5-M |
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主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口； |
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ARB5-E |
扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号： |
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ARB5-S |
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弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域； |
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35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测 |
APView500 |
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相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。 |
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35kV/100kV/6kV 高压柜智能操控、 节点测温 |
ASD500 |
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5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出； |
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35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量 |
APM830 |
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三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示； |
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35kV/10kV/6kV 高压柜除凝露温湿度控制器 |
WHD72面板式 |
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支持测量并显示2路温度，2路湿度。 |
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WHD20R导轨式 |
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支持测量并显示2路温度，2路湿度。 |
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变压器绕组 温度检测 |
ARTM-8 |
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8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出； |
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0.4KV低压进出线柜接头测温 |
ARTM-Pn-E |
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无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯； |
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ATE400 |
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合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米； |
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0.4KV低压柜内环境温湿度 |
AHE100 |
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无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换） |
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ATC600 |
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两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。 |
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0.4KV低压进线柜多功能电力仪表 |
AEM96 |
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三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露 |
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0.4KV低压出线柜多功能电力仪表 |
AEM72 |
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三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 |
6结 语
供电系统作为煤矿企业正常运行的基础，对其工作的安全可靠性要求越来越高。针对黄陵矿业一号煤矿井下电力系统故障问题频发的现状，开展了井下供电监控系统的改进设计工作。试运行结果表明系统应用稳定可靠，实现了井下供电系统的实时监测与历史数据存储调用。相较于改进之前的供电系统，新监控系统的应用使供电系统故障排查时间缩短近15%,采煤设备利用率提高近10%,降低了约10%供电系统维护成本。
参考文献：
[1]王旭波，李广红.煤矿井下供电安全监控系统的设计及应用[J].电子设计工程
[2]刘文，王瑞海，奂光润.新桥煤矿井下供电监控系统设计与应用[J].中州煤炭
[3]贾永峰.煤矿井下供电监控系统的设计研究[J ].自动化应用
[4]刘建甫，骆瑞松.煤矿井下供电实时监测监控系统在某矿的应用[J].工矿自动化
[5]孙斌，煤矿井下供电监控系统的设计及应用研究
[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册2023.01版
作者简介：张品，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司。手机:18701998662（同微信），QQ：3008064078，邮箱:3008064078@QQ.com
