基于工业以太网的煤矿电力监控系统设计

成泽军

(霍州煤电集团 汾源煤业有限公司， 山西 忻州 034000)

0 引言

煤矿供配电系统是维持整个煤矿采掘、运输、通风、排水等重要电气设备正常工作及提供日常照明等用电的重要支撑，其运行可靠性及稳定性是煤矿安全高效生产的重要技术保障。由于煤矿供配电系统时常会出现负荷波动剧烈、无计划停电、越级跳闸及故障排查困难等问题，因此极易引发瓦斯、煤尘爆炸等严重安全事故。为了有效减少煤矿事故发生概率，提高煤矿供配电综合管理水平及效率，需对煤矿供配电系统采用一体化实时监控方案，进而更好地实现煤矿各变电所的无人值守功能。

本文针对霍州市汾源煤矿35 kV及以下变电站安全监控开发研制了KJ410煤矿电力监控系统，该监控系统根据《山西焦煤集团有限公司煤矿电力监控系统技术规范》(试行)的技术要求，对该煤矿现有的电力监控系统进行升级改造，主要内容包括地面电力调控中心优化设计及地面35 kV变电所、1360水平井下变电所、1100水平井下变电所优化设计，采用以太环网及RS485对通讯系统进行重新架构，并对井下变电所内的监控分站和高低压开关综保装置等重要设备进行智能化升级，从而建立了一套技术先进、功能完整、易于管理的煤矿井下电力监控系统。

1 煤矿电力监控系统总体方案设计

1.1 煤矿电力监控系统架构

本监控系统主要由三部分构成，分别为地面监控主站、电力监控分站及综合保护单元，系统整体结构如图1所示。地面监控主站主要由两台监控计算机、打印机、交换机和UPS电源等设备组成，用于井下供电运行数据的实时显示及高开综保装置远程操作等指令的下达，其中监控主站采用双机热备份方式，保证系统可靠性[1-4]。电力监控分站用于井下各供电设备运行数据的采集、处理与转发，其中高低压开关综合保护装置的通讯信号作为一组共同接入监控分站[5-7]。系统的通讯平台架构采用工业以太环网加现场总线的组合通讯方式，井下各变电所内电气设备的运行状态参数由井下电力监控分站通过RS485总线通讯方式及协议转换进行采集，实现数据的就地集中监测。同时监控分站通过光纤以太环网与监控主站实现数据交互，将各运行数据集中上传至监控主站。

图1 电力监控系统总体结构

1.2 GPS对时子系统

为保证全系统运行显示时间准确一致，在原系统基础上设计了GPS对时子系统，通过地面调控中心加装的GPS对时装置从GPS卫星获取标准时间信号，并将该时间信号通过各类接口实时传输至监控主机、综保装置、故障录波器、远程RTU等需要时间信息的主要通讯设备，从而使整个系统的运行时间达到同步，GPS对时子系统结构如图2所示。

图2 GPS对时子系统结构

1.3 数字视频录像子系统

本文设计了数字视频录像子系统用于加强对井下各变电所及供电设备的实时监控，通过在电力系统平台中加装的网络硬盘录像机和现场的固定式及云台摄像头对井下所有供电场所及设备进行实时数字视频采集。同时配置大容量硬盘将所有录像数据进行实时存储，存储时间不低于一个月。数字视频录像子系统结构如图3所示。

图3 数字视频录像子系统结构

2 硬件方案设计

本监控系统硬件设计方案主要分为地面调控中心硬件设计及井下供电监控硬件设计。其中地面调控中心硬件除原系统具备的数据服务器、监控计算机、UPS电源外，还包括GPS对时子系统及数字视频录像子系统中的GPS对时器、网络硬盘录像机等设备。井下硬件设计方案主要包括各井下监控分站及高低压开关综保装置的升级改造，从而实现系统的不间断运行及防越级功能。

本文采用K系列GPS对时装置实现全系统运行时间的实时校准同步，K系列GPS对时装置采用GPS/BD2双系统精密授时，支持单GPS/北斗、双GPS/北斗及GPS/北斗联合授时等多种授时方式，并可通过串口、面板菜单等途径修改授时方式。装置内部的授时单元采用智能驯服算法，晶体选用高精度恒温晶体振荡器，授时精度高，每日时钟自走时误差≤0.6 ms，输出接口为RS232、RS422及RS485，传输距离可达上千米[8]。

数字视频录像子系统中的硬盘录像机选用DS-7732N-K4/16P型NVR，其内部具有32路网络视频输入、1路HDMI及1路VGA输出，可支持4K高清视频的播放存储及最大16路的同步回放。设备搭载了4个SATA1接口，单独接口的最大支持容量达到6TB，同时还具有丰富的外部接口，包括8路报警输出、16路报警输入、3个USB接口、4个串行接口、17个网络接口及1个语音对讲输入，可保证录像子系统可靠运行。

井下监控分站是实现井下数据上传及监控主站控制指令执行的重要设备，本系统选用KJ410-F型矿用隔爆兼本安型监控分站对数据进行双分站分段采集，其内部主要由通讯服务器、冗余光纤交换机、人机交互界面及UPS电源等设备组成，具备2路传输接口，传输方式采用TCP/IP以太网光信号，传输速率可达自适应10 Mb/s～100 Mb/s，最大传输距离可达10 km，满足本系统数据传输及采集需求。

由于井下高压电网大多数供电线路较短，线路阻抗小，且运行方式差异较大，在发生短路故障时极易发生越级跳闸，严重影响煤矿安全生产。因此，本文对原系统井下高低压开关综合保护装置进行改造，将其更换为具有防越级跳闸功能的智能保护器，并增设远近控模块实现井下分合闸智能控制。本系统选用ZNCK-6A3及ZNBH-11-A型防越级矿用智能保护装置对井下高压开关及低压馈电开关进行保护，该系列装置除了具备常规保护装置的功能外，还可通过系统级联及网络组网与地面保护形成实时防越级跳闸网络。

系统在井下所有高压开关、低压馈电及照明综保等受控设备内部增设FTI044型智能控制模块进行远近控改造，从开关引出的线缆接入井下监控分站，监控分站通过控制中间继电器实现远近控，系统改造线路如图4所示。通过该远近控改造后系统可在任意时刻分闸，而合闸需在远近控状态下进行，从而保证安全检修。

图4 FTI044智能控制模块接线图

3 软件方案设计

KJ410煤矿电力监控平台主要功能包括数据采集、数据统计计算、远程控制调节及数据管理等，软件具体功能如图5所示。

图5 KJ410煤矿电力监控平台软件功能图

其中系统及线路的负荷率统计可根据采集数据对风机、中央变电所等位置的电压、电流等主要电参数进行实时曲线绘制，可从地面调控中心更直观监测系统各个部分的运行状态，电压及电流数据记录界面如图6、图7所示。

图6 电压数据记录界面 图7 电流数据记录界面 图8 时间顺序记录界面

在常规报警功能基础上，系统还添加了时间顺序记录功能，当井下供电设备发生故障并报警后，系统可自动按时间顺序记录继保装置及断路器开断的时间并上传至数据服务器用于后续事故分析。时间顺序记录界面如图8所示。

4 结束语

本文为适应霍州汾源煤矿供电安全监控要求，基于工业以太网及现场总线通讯技术设计了一套监测参数全面、数据交互性强的智能煤矿电力监控系统，并增加了GPS实时授时、数字视频录像及防越级跳闸等功能，可实现煤矿供电设备及网络运行状态的实时监测与调控，保证煤矿供电系统安全稳定运行。