基于智能矿山电力监控系统应用方法的探讨

周永亮

（国能信息技术有限公司，北京 100000）

0 引 言

矿山开采工作较为复杂，涉及矿山井下开采人员、设备以及生产环节的管理等。随着智能化技术的迅速发展，现代化信息技术与自动控制技术也不断发展，对智能矿山的建设提出了更高的要求。传统的矿山电力监控系统一般应用计算机网络技术，不能实现井下设备的控制，无法及时反馈环境信息和设备情况等[1-3]。因此，在传统电力监控系统的基础上，通过大数据技术和云计算等完成矿井监测的可视化、调度的综合化以及控制的自动化，有利于提升煤矿的安全性，加强生产业务的管理水平。由此可见，对基于智能矿山电力监控系统应用方法进行研究具有重要意义[4-7]。

1 矿山电力监控系统存在的主要问题

目前，虽然对电力监控系统及相关设备做了很多研究，但是缺少对数据的合理应用，而且数据库需要存储大量关于电力数据的监测值，这也是电力监控系统需要解决的重点问题。在实际应用过程中，电力监控系统主要存在以下问题。

（1）工作人员不能根据监控数据发现安全隐患。监控系统的主要功能是监测矿下的信息参数，不能很好地处理异常数据，且缺少对数据的预测功能，通过人机交互界面不能保证工作人员提前了解信息参数。

（2）缺少对安全监控信息的深入分析与利用。大数据分析已经成为广泛应用的数据分析方法，能够找出数据背后的价值信息，从而为科学决策提供依据，在各个行业当中都有着广泛的应用。煤矿开采也要加强对数据信息的分析与应用，保证监控的多元融合。

（3）预测模型的智能化程度低。电力监控系统主要注重对安全信息的监测与控制，并进行简单反馈，不能实现危险度的判断以及事故预警等。此外，断电控制、分级报警以及区域断电等功能需要进一步完善，所以必须提高电力监控系统的智能化水平。

2 基于智慧矿山智能电力监控系统的设计

2.1 系统设计

电力监控系统采用了3种技术，分别是自动化技术、计算机网络技术以及信息化技术，集保护、监测、控制、通信等多种功能于一体，具有开放式、网络化、模块化、组态化的特点。电力监控系统设计有客户端/服务器（Client/Server，C/S）结构，同时还具有能够支持Web浏览，即浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）的结构[8]。该系统采取变电所的一次主设备实现“五遥”功能，即遥测、遥信、遥控、遥调以及遥视，同时实时采集高、低压开关柜的相关电气监测数据，通过高、低压柜的运行数据判断负载设备的运行情况，对二次设备和辅助设备实现远程控制和管理，并与煤矿安全监测系统进行数据交互，实现对电力系统的全面智能管理[9,10]。

2.2 系统的结构与组成

系统的设计采用了分布式、模块化思想，主要分成5层，如图1所示，分别是设备层、间隔层、控制层、管理层以及决策层。控制层和间隔层通过以太网传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）进行数据传输；间隔层和设备层通过Modbus-RTU和ModBus协议进行通信。充分考虑数据传输方式的不同，对数据传输标准进行统一，根据现场不同的系统来实现各煤矿的电力监控功能。

设备层主要包含一些电力系统采集设备的终端，如电力保护装置、功能仪表、电力监测装置等。电力监控系统的间隔层设备采用间隔分散式的安装方法，各设备之间相互独立，仅通过通信网络连接。井下间隔层设备通常采用Modbus-RTU和ModBus协议进行通信，Modus-RTU通过井下电力分站就近接入井下控制环网交换机，通过光纤接入地面生产指挥中心。控制层包括主站监控系统、通信服务器，其中主站监控系统完成数据实时采集、数据处理、远程控制等功能，通信服务器完成网络转换、智能设备接入和远程主站通信。在信息层构建自动化数据展示平台，通过面向对象技术，对于安全性能、监测数据等不同的信息完成综合处理，从而为科学决策和高效管理提供参考。管理层主要作为生产过程中的执行系统，主要包括集成平台管理、运行维护、设备运行管理以及生产数量控制等多个功能。通过对生产过程的精细化管理，能够有效解决管理层与过程控制层中存在的断层问题，从而提升作业管理效率，提高信息化水平。决策层根据信息层汇报的监测信息，并结合实际情况做出决策。决策的实施需要各个部门协同工作，并综合子系统的各项信息，实现数据的快速整合，最终形成一个科学合理的决策方法。

系统能够兼容多种协议形式的监测监控设备，与多个系统进行数据交互。系统以变电所为单元，变电所的功能是将数据通道接入主传输通道。系统还具有历史趋势曲线打印、报表查询等功能，按用户要求可以定制各种报表、图形与曲线。应用数据共享，实现信息网络发布自动报警和预测分析功能。此外，结合视频监控系统、门禁系统，实现地面、井下变配电无人值守、有人巡视的目的。

2.3 子系统接入设计

2.3.1 子系统接入方式

根据子系统的设计特点，可以应用3种接入方式。

（1）上位机接入。该方式是在服务器的帮助下，通过以太网和对象链接与嵌入的过程控制（OLE for Process Control，OPC）等接口协议完成和子系统主机之间的信息交换。接入结构如图2所示。

图2 上位机接入

（2）可编程逻辑控制器（Programmable Logic Cantroller，PLC）接入。对于自动化控制系统而言，利用服务器通过以太网和PLC接口相连，并且安装在采集服务器的OPC Server中，实现和生产综合监控系统服务器之间的信息交换功能。接入结构如图3所示。

图3 PLC接入

（3）嵌入式控制接入。对于嵌入式控制的子系统，利用内部的OPC Server，服务器通过以太网和接口协议实现子系统之间的连接。接入结构如图4所示。根据智能矿山子系统的设计特点，采用PLC接口方式，当子系统接入后，把采集好的数据信息进行整合与分析形成图表，从而为管理层的决策提供参考。

图4 嵌入式控制器接入

2.3.2 数据交互方式

数据交互方式主要包括3种，分别为OPC、开放数据库互连（Open Database Connectivity，ODBC）、文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）。其中，OPC通过微软组件技术进行设计，利用C/S架构模式，能够处理本地与网络等节点的服务器信息，监控系统能够对数据进行直接读取，安全性较高。ODBC以数据库为基础进行交互，虽然实时性较差且效率比较低，但是可以根据数据结构，通过访问数据接口，把实时性较差的数据写入对应的数据库表中，使得电力监控系统能够获取数据库接口，完成信息的获取。FTP是一种基于文件的交互方式，它的实时性较差，工作效率低，主要是作为传输工具将设置好的文件格式传输到采集服务器中，便于电力监控系统完成数据解析。

3 智能电力监控系统的发展方向

3.1 传感控制器的发展

在电力监控系统工作的过程中，传感控制器起到了非常重要的作用，保障好传感控制器的稳定性和安全性非常重要。现阶段，常用的传感器基本能够满足电流、电压等生产需要，但是仍然存在一些问题需要引起高度的关注。在传感器的寿命、性能、可靠性等方面，和国外的相关产品对比，仍然需要进一步改进。为了满足整体生产的性能要求，需要加强对传感控制器的研究和改进。

3.2 引入监测煤矿新技术

现阶段，电力监控系统基本能够满足运行的需求，但是在安全系数等方面，其性能依然具有一些缺陷，如一些产品存在跳闸、定位速度慢等问题。针对这一问题，需要加强对目标技术的研究与设计。此外，通过断流的方式可以避免出现由于电压波动而停电的问题。高压选择性漏电保护系统不会受到电弧电源等因素的影响，并且对过渡电阻有着较强的抵抗性和灵敏度。这些技术都在一定程度上提升了系统的安全性，增强了数据处理和采集的能力。

3.3 对电力监控系统中主站的改进

在矿山的电力监控中心，可以安装6台监控服务器和高级工业电力监控计算机，从而避免出现计算机病毒破坏等问题。此外，为了进一步提高监控系统的可靠性和安全性，可以应用Linux中文操作系统进行升级与安装，主要包括千兆网络交换服务器、光纤网络交换服务器、电源系统以及信息发布系统等。

4 结 论

通过对智慧矿山智能电力监控系统应用方法开展研究，智能电力监控系统的应用和改进能够实现地下变电站的无人看守，不仅减轻了工作人员的工作压力，提升了工作效率，而且提高了矿山供电网络的自动化水平。随着智慧矿山的发展，要求煤矿电力监控系统要向着网络化、集成化的方向发展，同时融合控制技术、数据库技术、计算机技术等多种智能化技术。因此，要合理应用智能电力监控系统，给生产提供重要的安全保障，促进煤炭企业的可持续发展。