CAN+OPC构架下的分布式井下电力监测监控系统的开发

史 磊

（山西省自动化研究所，山西太原 030012）

0 引言

煤炭是我国最重要的一次能源，煤炭工业是国民经济的主要基础产业，对国家经济发展起着重要的作用。但是煤炭行业由于资源储存条件特殊、工作环境恶劣等因素。面临着十分严峻的安全生产问题。

为确保煤矿企业安全生产，作为为煤炭安全生产保障的重要部分—煤矿电力系统，其对于安全运行和经济运行的要求较公共电网更高，因此更加迫切需要运用现代的计算机和通信技术实现实时电力系统的安全监测和控制，以确保安全生产所必不可少的供电可靠性。本系统是将煤矿井下配电装置的各种参数上传到地面管理中心，实现实时远程监视与控制，极大地缩短了井下电力线路出现问题的发现时间，降低了管理员的工作强度，提高了企业的生产效率。

1 系统建设的必要性及市场需求分析

1.1 系统建设的必要性

煤矿井下采区变电所供电服务对象为采煤、掘进、运输、排水等重要生产环节，供电负荷种类繁多，区域分布广。负荷工作场所地质条件复杂，事故发生率高，故障排查、停送电周期长，影响了采区的安全生产，供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动生产率。煤炭供电网络自动化控制系统，目前主要应用于煤矿地面供电系统方面，特别是无人值守监控系统也得到广泛应用。

1.2 系统建设的市场需求分析

煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重。国家提倡建设数字化矿山，投资建设煤矿安全生产自动化监测、监控和管理系统，该系统建设是根据我国煤炭企业的现状和煤矿安全生产监测、监控及其管理系统的研究、开发和应用状况，利用信息技术、通信技术、自动控制技术为基础改进煤矿安全生产的现状，逐渐制定规范的技术标准体系，包括井下和地面（远程）监测、监控及其管理系统，改善现有各种监控数据相互独立，不能协调使用的现状，使各系统互通与兼容;立足现有煤矿企业应用基础，利用现有的网络环境对己有煤矿远程监测、监控系统进一步进行优化、完善，以构建数字化矿山。

2 系统主要研究内容及技术关键

2.1 系统主要研究内容

2.1.1 系统结构

该系统采用工业以太网加现场总线模式，主干信道是光纤以太环网到各井下配电室，通过交换机本安RJ45接口将各电力分站接入以太环网。在各配电室内采用分布式的现场总线控制系统，各个开关的综合保护器接入到电力分站。系统结构图如图1所示。

图1 井下电力监测监控系统结构图

系统中，CAN总线将各综合保护器和电力分站连结成分布式现场控制网络［1］。该网络中，电力分站和各个综合保护器都有自己的ID标志，且各ID不重复。由综合保护器采集开关的各种信号参数和保护信息，通过CAN总线送至电力分站，电力分站对采集到的信息进行处理，并集中上传到地面监控计算机。分站也可根据监控计算机的指令对综合保护器进行控制。同时汇集井下配电室的视频信号，最终实现五遥功能（遥信、遥测、遥控、遥调、遥视）。

2.1.2 系统功能

监控系统软件主要由上位机组态软件（WinCC）和数据通信软件程序（OPC）两部分构成，管理界面设计得尽量简单，方便管理人员操作;通信软件设计除了完成正常数据通信外，还要能够自动检测各通信线路的通讯故障和报警信号，以便及时发现和排除故障。系统主要功能有:

（1）实时记录数据（包括:井下综保装置采集的数据、事件记录、故障记录、操作记录）到数据库（数据库采用SQL Server 2005），能够对历史记录进行分析、处理与统计;

（2）实时遥控:选中画面上的开关实时下发遥控命令;

（3）实时和历史曲线:可显示系统内所有遥测点的数据曲线;

（4）事件和报警记录查询:能够实现多种查询功能;

（5）实时和历史报警打印:有报警事件发生时可实时打印相关数据;

（6）能够生成井下配电室每台开关的数据统计日报表、月报表、年报表。

计算机网络技术与通信技术的发展，使得煤炭电力监控系统的覆盖面积越来越大，信息的共享程度越来越高。目前，煤矿电力调度系统的集成不再只是不同厂家现场设备的集成，而有可能是多种不同监控子系统之间的集成［2］，这就要求系统集成商必须开发多种硬件设备与子系统的数据采集软件来满足系统集成的技术要求。

OPC技术可以为该问题提供成熟的解决方案。它是国际现场总线基金会倡导的工业自动化领域中硬件设备与软件系统集成的技术标准。遵照该标准，系统集成商可以用相同的方法实现不同硬件设备系统之间的集成，硬件厂家也可以提供一套驱动程序用于满足不同集成商的需要［3］。采用OPC技术的煤矿井下电力监测监控系统，可实现矿区所有电力变配电监控子系统的信息集成，井下层变电所监控子系统收集现场开关内综合保护装置的数据，并负责向地面层监控系统提供所采集的数据。同时为将来与企业管理系统之间的无缝结合提供了良好的通信平台。这样，层与层之间通过OPC技术实现无缝连接，最后实现现场设备与监控系统之间、不同监控系统之间、监控系统与企业管理系统之间的信息集成。

2.1.3 监控组态软件系统特性

·先进性:监控组态软件作为一个实时界面实用程序生成器，可以产生在管理级别上的监控和数据采集程序。监控组态软件系统集强大功能和使用方便于一体，具有可视化IE风格界面、丰富的工具栏。

·便捷性:监控组态软件系统的网络功能使企业的基层和其他部门建立起联系，现场操作人员和管理人员都可以看到各种数据，优化控制现场作业，提高生产效率和产品质量。

·独特性:监控组态软件可从屏幕抓取点位图提高该系统的运行效率;用户自定义函数功能能精确地控制应用系统;用户自定义图库功能可以不受限制扩充图库或新建图库，以满足不同行业的需要。

3 项目关键技术

3.1 故障录波

故障录波器在电力系统应用广泛，其录波数据是电力系统故障分析、保护动作评价的重要依据。本系统设计的故障录波数据处理模块是将目前井下电力系统中运行的不同类型，采用不同通讯规约的综保装置上的录波数据通过井下环网联网，统一通信规范及录波数据格式，实现在同一平台上接受不同型号录波设备的故障数据文件，并在此基础上实现故障数据综合处理及辅助分析等功能。

3.2 CAN总线的应用

目前，现场总线技术在电力自动化系统中得到了广泛的应用，使电力在线检测系统成为分布式的监测系统，并使整个系统较传统的集中监测系统性能增强、功能更为完善。

本系统采用目前在工业测控系统中被广泛应用的CAN总线构成煤矿电力监控系统。CAN总线采用OSI/ISO模型全部7层中的2层，即物理层和数据链路层，用户可以这2层为基础，根据实际需要开发相应的应用层通信协议。

3.3 井下电力计量

本系统利用井下隔爆开关内安装采集器，对煤矿井下用电进行集中管理。利用采集器对井下各馈电开关进行电量脉冲计数，同时，把脉冲数换算成电度和瞬时功率，累加后保存在永不挥发的RAM中，并具有数字显示功能;处理器是整个系统的通信桥梁，通过循环查询采集器的计数值，并通过串行通信把数据传送到井下分站中;井下分站对井下各馈电开关处的用电情况进行汇集并上传至地面监控中心，然后在系统组态画面中进行实时图表显示、统计汇总、图形分析，查询打印、超量告警等，界面美观，操作简单方便。

3.4 越级跳闸解决方案

本系统配备的新型综合保护装置是最新的电力监控保护装置。在解决越级跳闸等问题上，它独有的解决方案大大提高了保护的可靠性和安全性。其突出特点如下［4］:

（1）三段式保护可分别设定成速断、限时速断及过载保护，各个保护电流和时间定值均可独立设定，便于系统中保护的上下级配合，避免了越级跳闸;

（2）失压保护经电流闭锁，增加了延时设定，避免电压闪动而引起的全所失压跳闸;

（3）保护装置数字化，定值连续可调，保护动作精度高。避免保护误动和拒动;

（4）精确的事件顺序记录和故障录波功能，有助于迅速定位故障，避免故障后试合开关多次顶跳上级开关。

4 系统前景分析

“CAN+OPC构架下的分布式井下电力监测监控系统”用于对煤矿井下供电系统进行实时监测监控以及保障电网的安全运行。该系统利用高性能的工业控制计算机与功能强大的工业组态软件相结合，完成了监测、控制等数据的多种功能，并与供电控制开关内的综合保护装置结合在一起，通过通信网络使开关的各项参数传送到地面工业控制计算机，实现井下电力参数测控的现代化，使地面监控中心的计算机可以方便地对煤矿的用电负荷进行分级管理，便于合理地供电，以确保煤矿电网的可靠性、安全性以及经济性。

［1］荣相，徐向成.CAN总线在煤矿井下电力监控系统中的应用［J］.工矿自动化，2006（4）:71-72.

［2］刘希军，席波.煤矿井下电网综合自动化监测系统的应用［J］.煤炭科学技术，2008（5）:80-82，92.

［3］张坤鳌，龚尚福.基于OPC技术的煤矿电力监控系统集成研究［J］.工矿自动化，2006（2）:10-13.

［4］刘建国.矿区电力线路在线监测系统研究［J］.中州煤炭，2007（5）:35，37.