孫學軍

（中原工學院信息商務學院，河南省鄭州市，450007）

基于開放式結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)實時預警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

孫學軍

（中原工學院信息商務學院，河南省鄭州市，450007）

介紹了基于開放式結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)預警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟件體系設計情況，該預警系統(tǒng)可以在良好的系統(tǒng)開放性基礎上，充分調(diào)用礦井生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，提供電網(wǎng)安全預警與防控。

開放式結(jié)構(gòu) 煤礦電網(wǎng) 預警系統(tǒng)

1 引言

目前，煤礦電力系統(tǒng)安全運行所依賴的調(diào)度控制中心功能從初期的系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）發(fā)展為能量管理系統(tǒng)（EMS），從“經(jīng)驗型”調(diào)度逐步提高到“分析型”調(diào)度，少數(shù)調(diào)度控制中心擴展了在線動態(tài)安全分析應用，初步具備了部分安全預警功能，但尚未提出和形成安全預警技術(shù)體系的整體框架。

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)的運行顯得越來越復雜，許多電網(wǎng)事故的起因往往是由于一些局部的、小的故障沒有得到及時有效地處理，或者是一些已經(jīng)存在的電網(wǎng)安全隱患沒有得到及時發(fā)現(xiàn)和重視，最后發(fā)展成大范圍的、失控的電網(wǎng)事故。同時，在實際運行中，目前的自動化監(jiān)控系統(tǒng)提供大量的SCADA數(shù)據(jù)，各種報警信息涌入運行人員工作站，運行人員往往被大量數(shù)據(jù)“淹沒”，很難做出決策，錯失處理事故的良機。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦電網(wǎng)實時安全預警系統(tǒng)是根據(jù)開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Open Systems Architecture）和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設計思想而開發(fā)的管控一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向煤炭電力系統(tǒng)對象的設計方法，支持從支撐平臺層到應用層的全面開放。應用軟件建立在開放的國際工業(yè)標準基礎上，不僅提供站級和調(diào)度級的自動化運行管理功能，而且還提供豐富的電力系統(tǒng)專家決策支持功能。

遵循系統(tǒng)開放性原則選擇網(wǎng)絡設備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和軟件開發(fā)環(huán)境等符合國際標準的產(chǎn)品，采用模塊化設計思路構(gòu)建開放性的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；在系統(tǒng)的支撐平臺軟件、軟件的設計中盡量減少軟硬件之間的依賴程度以及軟件之間的耦合程度，以提高系統(tǒng)的開放性、兼容性、可移植性和可維護性。系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)配置見圖1。

系統(tǒng)采用多主機分層、分布式結(jié)構(gòu)配置。網(wǎng)絡可采用星型/總線型以太網(wǎng)（單雙網(wǎng)、光纖或雙絞線模式可選）。以太網(wǎng)絡采用10/100/1000 M高速工業(yè)以太網(wǎng)。其中前置通信網(wǎng)絡既可單獨組網(wǎng)也可與后臺監(jiān)控共用網(wǎng)絡。具體網(wǎng)絡構(gòu)成描述如下：

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)配置

（1）前置通信服務器。前置通信服務器是系統(tǒng)通信轉(zhuǎn)換通道，負責變電站通信接入，收集實時數(shù)據(jù)并負責轉(zhuǎn)換為后臺服務可識別信息并上傳到調(diào)度中心。同時，接收并轉(zhuǎn)換后臺服務實時數(shù)據(jù)并下發(fā)至變電站。

（2）SCADA實時處理服務器。SCADA實時處理服務器與SCADA歷史處理服務器合并配置用以提供實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信、生成報警事件、控制請求響應等系統(tǒng)基礎服務。

（3）SCADA歷史數(shù)據(jù)服務器。負責SCADA歷史數(shù)據(jù)存儲和備份（可與SCADA實時處理服務器合并配置），提供歷史數(shù)據(jù)定時或變化存儲及訪問、事件存儲及訪問、事故追憶存儲及訪問等。

（4）操作員工作站/應用工作站/維護工作站。負責電力系統(tǒng)日常運行監(jiān)控（可與SCADA實時處理服務器合并配置），操作員工作站/應用工作站提供變電站運行工況監(jiān)視，遠程控制操作功能，以及防誤閉鎖及操作票、電壓無功控制、繼保及故障信息管理等應用功能；維護工作站提供系統(tǒng)配置變更維護，如設備添加、監(jiān)控畫面制作等。

（5）報表工作站。負責日常運行報表制作與瀏覽打?。膳c維護工作站合并配置），提供報表制作與定義、報表打印、瀏覽服務。

（6）Web發(fā)布服務器。負責在安全區(qū)進行SCADA實時信息的Web發(fā)布服務，提供監(jiān)控中心實時信息Web發(fā)布、歷史信息Web方式查詢?yōu)g覽、為非區(qū)用戶提供自動化系統(tǒng)實時信息。

3 軟件體系設計

3.1 功能設計

（1）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。來自礦井運行的實際電力數(shù)據(jù)是電力監(jiān)控系統(tǒng)決策和動作的依據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過通信通道自動獲取、人工置數(shù)獲取和人工召喚3種方式獲取，依照斷點續(xù)傳支持、多數(shù)據(jù)源支持、數(shù)據(jù)傳送優(yōu)先級支持和動態(tài)重載閾值4種數(shù)據(jù)采集策略，對礦井電力系統(tǒng)的電力模擬量（電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、溫度）、狀態(tài)量（斷路器雙位置接點、隔離開關(guān)、接地閘刀位置、設備投切狀態(tài)、自動裝置投切狀態(tài)、遠方/就地切換開關(guān)位置、事故總信號、主要設備故障異常信號、繼電保護及自動裝置的動作信號、繼電保護及自動裝置的異常狀態(tài)信號、充油電纜告警信號、斷路器的機構(gòu)及控制回路異常信號、直流接地檢測裝置故障信號、UPS故障信號等）、電度量、步量位置等數(shù)據(jù)進行采集和處理，為電力系統(tǒng)的監(jiān)測和控制提供數(shù)據(jù)支持。

（2）礦井電力實時監(jiān)測和控制。礦井內(nèi)各人機工作站應能夠單獨按照不同的管理單位需求，劃分為不同的責任分區(qū)，按廠站屏蔽和開放各自所管轄廠站的畫面索引和廠站畫面，滿足不同的管理需求；責任分區(qū)信息可以在線定義和管理，責任區(qū)定義與用戶權(quán)限管理相結(jié)合，實現(xiàn)各司其職。實時信息可以按照責任分區(qū)的定義發(fā)送到指定的分區(qū)相對應結(jié)點上，實現(xiàn)信息的分流處理。可以按照變電站或以電壓等級劃分為不同的責任分區(qū)或安全級別，每個設備都可以建立在相同的責任區(qū)內(nèi)進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)信息分流。系統(tǒng)還可以對礦井內(nèi)可控制元件進行遠方控制及調(diào)節(jié)。

（3）事件定義與報警處理。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對電力運行中某些量的特征變化、應用程序的某些過程、系統(tǒng)設備狀況變化等礦井電力系統(tǒng)運行狀況進行運算和比較，依據(jù)系統(tǒng)建模標準對異常數(shù)據(jù)進行定義，對電網(wǎng)系統(tǒng)異常時間進行預警。并提供對應的解決方法和遠程處理動作。

（4）防誤閉鎖及操作票系統(tǒng)。防誤閉鎖目的就是在設備的運行狀態(tài)切換過程中保證控制操作的可行性和安全性。集成系統(tǒng)運行監(jiān)控向五防機發(fā)送請求遙控，五防機允許后，監(jiān)控執(zhí)行遙控操作。五防機向監(jiān)控發(fā)送請求遙控，監(jiān)控執(zhí)行相應遙控，平時監(jiān)控遙控全部閉鎖。由一體化監(jiān)控內(nèi)置防誤閉鎖系統(tǒng)提供邏輯閉鎖及規(guī)則庫編輯。運行值班人員接到上級調(diào)度部門下達的操作任務后，首先要在監(jiān)控主機上開具該操作任務的操作票，在開票過程中五防模塊對每一步操作進行邏輯判斷，若操作正確則允許進行下一步操作，反之則報警提示錯誤原因，提示操作人員更正，拒絕所有違反“五防”原則的操作。開票結(jié)束后，通過通訊適配器將操作票內(nèi)的一次設備操作序列傳輸?shù)诫娔X鑰匙中，操作人員使用電腦到現(xiàn)場進行解鎖操作。操作時電腦鑰匙自身顯示當前倒閘操作的項目，允許人員將電腦鑰匙插入相應的設備編碼鎖內(nèi)，通過其編碼頭檢測操作對象是否正確。若正確，則電腦鑰匙發(fā)出允許操作命令，同事開放其閉鎖回路或機構(gòu)，可以進行倒閘操作；若走錯間隔或誤操作，電腦鑰匙用語音發(fā)出錯誤警告，提示操作人員錯誤操作的類型，并用液晶顯示器顯示當前錯誤操作的設備編號及應操作設備編號，達到強制閉鎖的目的。在操作過程中若遇到需要監(jiān)控后臺進行操作的項目，將電腦鑰匙拿到主控室并插到通訊適配器上向五防匯報已經(jīng)結(jié)束的操作并刷新虛點（監(jiān)控采集不到的一次設備狀態(tài)）信息。匯報結(jié)束后在監(jiān)控機上進行相應的操作，操作完成后格局提示信息繼續(xù)下面的操作。

（5）區(qū)域無功電壓控制（AVQC）。在電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)層面：礦井內(nèi)同級變電所之間，在正常電壓范圍內(nèi)，通過控制本級電網(wǎng)內(nèi)無功功率的合理流向，實現(xiàn)無功功率就地分層平衡，提高受電功率因數(shù)；等級不同的變電所在同電壓情況下根據(jù)計算來決策優(yōu)先投入對象；同一變電所內(nèi)不同電容器組的功率分配依據(jù)計算決策。在無功優(yōu)化補償層面：在無功功率流向合理前提下，變電站母線超限（超上限或超下限）運行時，根據(jù)同電源、同電壓等級變電所和上級變電所電壓情況，采取調(diào)節(jié)本變電所有載主變分接開關(guān)或者調(diào)節(jié)上級電源變電所有載主變分接開關(guān)檔位實施優(yōu)化補償；電壓合格范圍內(nèi)，實施逆調(diào)壓。實現(xiàn)減少主變并聯(lián)運行臺數(shù)以降低低谷期間母線電壓。實施有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)優(yōu)化分配。實現(xiàn)熱備用有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)檔位聯(lián)調(diào)。

在無功電壓綜合優(yōu)化層面：當變電所10 k V母線電壓超上限時，首先降低主變分接開關(guān)檔位，其次切除電容器；當變電所10 k V母線電壓超下限時，首先投入電容器，再提高主變分接開關(guān)檔位，盡可能保證電容器投入量達到最合理值。

（6）電網(wǎng)運行安全管理。對用戶進行分類、分組、分級管理，系統(tǒng)對應不同用戶提供不同的操作功能和訪問界面。配置病毒防護服務器，與地區(qū)主站端的一級病毒防護服務器連接，實現(xiàn)病毒庫和補丁的自動更新。系統(tǒng)在不同的安全邊界部署物理網(wǎng)絡隔離設備或架設防火墻對系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實施安全防護，采用嚴格的安全訪問控制機制，對終端用戶進行身份驗證，用口令管理和權(quán)限管理結(jié)合的方法來規(guī)避非法用戶對系統(tǒng)的惡意操作。系統(tǒng)中發(fā)生的重要操作和事件處理都采用系統(tǒng)日志方式予以記錄保留。在網(wǎng)絡設備安全層面，通過配置多層交換機上網(wǎng)絡訪問列表，檢驗試圖訪問核心服務器用戶身份及權(quán)限，避免合法用戶的錯誤操作，對于跨網(wǎng)用戶的訪問，通過配置路由器的訪問控制列表來允許經(jīng)過授權(quán)的網(wǎng)絡地址訪問權(quán)限內(nèi)允許的數(shù)據(jù)資源，禁止未經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)絡用戶非法登錄，從而避免通過修改配置文件來非法訪問網(wǎng)絡資源。充分利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點的安全手段，盡可能地減少直通請求。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點上安裝的防火墻軟件和硬件，起到監(jiān)測網(wǎng)絡信息的作用。

（7）電網(wǎng)系統(tǒng)運行管理。對電網(wǎng)操作記錄、運行日志、交接班、生產(chǎn)安全、設備管理、繼電保護等電網(wǎng)日常運行記錄和數(shù)據(jù)進行管理。

3.2 軟件體系設計

系統(tǒng)業(yè)務需求層次多內(nèi)容豐富，考慮到集成第三方專業(yè)軟件系統(tǒng)，因此系統(tǒng)軟件必須具備良好的開放性和標準實施以利于集成；系統(tǒng)軟件相應地也需建立自己的層次體系，并在各層次上都能提供充分的二次開發(fā)接口及配置工具以利于可能的業(yè)務需求的變更和擴充；系統(tǒng)軟件還需面向電力系統(tǒng)對象來進行模型建立、業(yè)務邏輯處理和應用界面組織以利用系統(tǒng)的使用和推廣。系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 煤礦電網(wǎng)實時預警系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

3.3 EMS基礎算法設計

（1）網(wǎng)絡拓撲。根據(jù)電力系統(tǒng)各個元件的連接關(guān)系，通過實時遙信信息，確定電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡的結(jié)線分析包括對廠站的結(jié)線分析和對系統(tǒng)的結(jié)線分析。

（2）潮流計算。采用交流法潮流計算分析支路開、斷后系統(tǒng)的潮流分布，電力系統(tǒng)中有很多可能的預想故障，但有的故障發(fā)生對系統(tǒng)影響嚴重，有的影響不嚴重。自動故障選擇的功能是按候選的預想故障開斷對系統(tǒng)安全影響的嚴重程度排序。自動給出哪些事故是重要的，哪些事故是不重要的，以及它們之間相對重要性的信息。

（3）狀態(tài)估計。采用軟件手段，在硬件測得的量測信息基礎上，利用數(shù)學的方法計算出系統(tǒng)的狀態(tài)變量的值，進一步計算出所有關(guān)心的量。充分發(fā)揮已有硬件的潛力，提高數(shù)據(jù)精度，補充已有量測的不足，排除不良數(shù)據(jù)的影響，提高實時數(shù)據(jù)的可靠性和質(zhì)量，獲取電網(wǎng)的運行狀態(tài)。

4 結(jié)語

基于開放結(jié)構(gòu)的煤礦電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用多主機分層、分布式結(jié)構(gòu)配置，通過系統(tǒng)建模和EMS運算，為煤礦電力系統(tǒng)安全運行提供數(shù)據(jù)采集、礦井電力檢測和控制、事件定義與報警、區(qū)域無功電壓控制等功能，系統(tǒng)具有跨平臺、高可靠、智能化和層次化等特點，為煤礦電力管理提供了良好保證。

［1］ 李建峰.興隆莊煤礦采區(qū)變電所電網(wǎng)監(jiān)控改造［J］.煤礦機械，2010（2）

［2］ 徐穎秦，謝林柏.基于總線網(wǎng)絡的企業(yè)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2009（6）

［3］ 王曉靜，焦恩喜.變電站綜合自動化系統(tǒng)及監(jiān)控自動化系統(tǒng)設計［J］.中小企業(yè)管理與科技，2009（6）

［4］ 于飛，胡平.變電站綜合自動化系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息，2008（33）

Design and application of real－time warning system for power grids of coal mines based on open architecture

Sun Xuejun
（College of Information and Business，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450007，China）

The structure of warning system for power grids of coal mines based on open architecture and the software design were introduced.The warning system could call up all kinds of production data from the coal mines to provide warning，prevention and control for the security of power grids.

open architecture，power grids of coal mine，warning system

TD65

B

孫學軍（1971－），男，河南南陽人，研究生學歷，研究方向：企業(yè)信息化與電子商務。

（責任編輯 張艷華）