李劍峰

兗礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院 山東兗州 273500

電力管理自動(dòng)化是電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分。煤礦企業(yè)變電站安全運(yùn)行不僅關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn),而且關(guān)系到煤礦工人的生命安全。過去,人們面對(duì)變電所的突發(fā)事故缺少有效的檢測(cè)和管理手段,對(duì)事故原因進(jìn)行分析缺乏科學(xué)性和實(shí)時(shí)性,不能及時(shí)解決變電所運(yùn)行中存在的隱患。近幾年,兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司針對(duì)礦井地面變電站、井下中央變電所、采區(qū)變電所在運(yùn)行監(jiān)測(cè)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的一些問題進(jìn)行認(rèn)真分析和歸納,總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),從多個(gè)方面提出技術(shù)改造措施和方案,有效保障了地面和井下供電系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

1 礦區(qū)分布式變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)能夠取代人工抄表、制表、統(tǒng)計(jì)、分析等工作,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄電氣參數(shù)、電氣故障和各種保護(hù)報(bào)警信號(hào),自動(dòng)分析負(fù)荷狀況與事故狀況。山東科技大學(xué)和兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦針對(duì)煤炭行業(yè)變電所的運(yùn)行情況,研究出一種礦區(qū)分布式變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),提高了變電站運(yùn)行和管理的現(xiàn)代化水平,對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行有重要意義。

1.1 總體設(shè)計(jì)

(1) 分布式控制系統(tǒng)。這是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù),通過通信網(wǎng)絡(luò)將分布在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制站、檢測(cè)站、控制管理站、工程師站聯(lián)系起來,共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統(tǒng)。分布式微機(jī)網(wǎng)絡(luò)是基于微機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相互滲透而迅速發(fā)展起來的一門新技術(shù),集中了當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬件、軟件和通信技術(shù)的發(fā)展成果,具有良好的可塑性。由于硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作使用方便、易于擴(kuò)展和維修,用戶可以根據(jù)不同的需求來選擇系統(tǒng)。

(2) 監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。濟(jì)寧二號(hào)煤礦110 kV變電所系統(tǒng)龐大,采用雙回路電源,兩條110 kV線路接煤Ⅰ線和煤Ⅱ線,分別引自接莊220 kV變電所110 kV的兩段母線,兩條線路的總長(zhǎng)度為6.5 km。變電所室外的110 kV線路采用雙母線聯(lián)絡(luò)和專用旁路母線,有兩路110 kV出線接濟(jì)寧三號(hào)煤礦,三臺(tái)12 500 kVA主變壓器承擔(dān)全礦的負(fù)荷。110 kV線路設(shè)有線路保護(hù)、平行線路保護(hù)、距離保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)等繼電保護(hù),主變壓器設(shè)有過負(fù)荷保護(hù)、復(fù)合電壓電流保護(hù)、輕重瓦斯保護(hù)、縱差保護(hù)、零序方向保護(hù)等繼電保護(hù)。6 kV饋出線均采用兩段式保護(hù)。6 kV室設(shè)有43臺(tái)高壓柜,其中有6臺(tái)進(jìn)線柜、4臺(tái)聯(lián)絡(luò)柜、1臺(tái)避雷器柜、32臺(tái)饋出線柜,母線采用小雙母線分段。這種分布式變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)具有以下功能:① 檢測(cè)110 kV雙回路進(jìn)線與濟(jì)寧三號(hào)煤礦兩路出線的電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量,以及峰、平、谷時(shí)段的電量;② 檢測(cè)每臺(tái)主變壓器的電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù),以及峰、平、谷時(shí)段的電量;③ 檢測(cè)6 kV室各個(gè)分盤的電流、電壓、電量;④ 記錄模擬量越限報(bào)警及事件順序;⑤ 指示開關(guān)分合、指示事故跳閘性質(zhì)、顯示模擬圖等。

1.2 主控站

變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主控站是連接現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)的橋梁,也是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制核心,其作用體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:① 面向現(xiàn)場(chǎng)層解釋來自管理計(jì)算機(jī)的指令;② 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和后備存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā);③ 監(jiān)視和診斷現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)硬件的運(yùn)行;④ 電源系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)分站提供后備電源支持。

1.3 遙測(cè)分站

變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)遙測(cè)分站設(shè)計(jì)為分布式安裝,遙測(cè)模塊用于電壓、電流互感器、模擬量和部分開關(guān)量的檢測(cè),計(jì)算輸出三相電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù)、溫度。開關(guān)量包括各種報(bào)警信號(hào)、刀閘位置、斷路器位置,能在1 ms內(nèi)快速捕捉28路開關(guān)量信號(hào)。模塊具有液晶顯示、鍵盤指令輸入、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)診斷、數(shù)據(jù)通信等功能。

1.4 系統(tǒng)軟件

遙測(cè)遙信分站軟件編程采用PLM程序開發(fā)語言,程序具有功能模塊化。

在管理系統(tǒng)軟件中,通信軟件包括初始化模塊、現(xiàn)場(chǎng)通信模塊、變電所及供電隊(duì)通信模塊。后臺(tái)管理軟件支持開發(fā)搶先式多線程操作,嚴(yán)格遵循軟件工程標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),基于組件設(shè)計(jì),窗口操作,具有良好的人機(jī)界面,便于使用和維護(hù)[1-3]。

2 煤礦井下中央變電所微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,地方變電所采用微機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)管理越來越普遍,但是由于受到井下環(huán)境的制約,煤礦井下變電所微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用尚處在起步階段。鑒于煤礦井下變電所在煤炭生產(chǎn)中的重要地位,兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司東灘煤礦克服煤礦井下特殊環(huán)境的制約,研制出煤礦井下中央變電所微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),較好地解決了煤礦井下中央變電所長(zhǎng)期存在的問題,使突發(fā)性事故的處理時(shí)間大為縮短,提高了礦井供電的安全性和可靠性。應(yīng)用實(shí)踐表明,此項(xiàng)成果設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠,具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2.1 東灘煤礦井下變電所存在的問題

東灘煤礦是設(shè)計(jì)年產(chǎn)4 Mt的特大型礦井,供電電源來自羅廠200 kV區(qū)域變電所,經(jīng)過礦井35 kV變電所降壓至6 kV中轉(zhuǎn)分八路下井,進(jìn)入井下中央變電所。井下中央變電所是井下供電的樞紐,擔(dān)負(fù)著全礦井下采煤、掘進(jìn)、機(jī)械、運(yùn)輸、通風(fēng)等系統(tǒng)的供電任務(wù),但是與之配套的井下中央變電所信號(hào)、保護(hù)裝置并不完善。

(1) 繼電保護(hù)無信號(hào)顯示。井下中央變電所近50臺(tái)高壓開關(guān)柜設(shè)有過流和速斷保護(hù),但是沒有信號(hào)顯示功能,后級(jí)故障出現(xiàn)開關(guān)跳閘時(shí),運(yùn)行人員分不清是何種保護(hù)動(dòng)作,給判斷事故性質(zhì)、尋找故障點(diǎn)、縮短采區(qū)供電中斷時(shí)間、防止人為盲目送電擴(kuò)大事故、縮短故障處理時(shí)間等造成很大困難。

(2) 高壓開關(guān)柜無運(yùn)行狀態(tài)顯示,井下中央變電所的高壓開關(guān)柜開關(guān)分合狀態(tài)僅憑面板指示燈和刀閘手把位置來判定。井下中央變電所峒室長(zhǎng)近50 m,現(xiàn)場(chǎng)光線不足,值班人員從頭至尾巡視一遍既費(fèi)時(shí)又不方便。一臺(tái)開關(guān)跳閘時(shí),值班人員需要逐臺(tái)巡查才能判斷是哪臺(tái)開關(guān)動(dòng)作,有時(shí)甚至出現(xiàn)將跳閘開關(guān)與備用開關(guān)搞混的情況,人為增加井下供電的不安全隱患。

(3) 井下中央變電所運(yùn)行信息無法及時(shí)傳達(dá)至工區(qū)和礦調(diào)度室。井下中央變電所長(zhǎng)期以來僅靠一部生產(chǎn)電話同上下級(jí)聯(lián)系,一旦井下停電,往往出現(xiàn)電話占線,上下級(jí)變電所及各級(jí)用電單位信息不通,延誤送電和事故處理時(shí)間,給供電調(diào)度快速組織搶修和事故處理造成很大困難。

2.2 微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

東灘煤礦井下中央變電所微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由開關(guān)量輸入裝置、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和光纖通信網(wǎng)絡(luò)組成,以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下中央變電所各個(gè)高壓開關(guān)柜的工作狀態(tài),并且在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示,利用光纖通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至礦中心調(diào)度室和供電工區(qū)調(diào)度室,以便隨時(shí)掌握中央變電所的工作狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量在進(jìn)入微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前實(shí)行光電隔離,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

這一系統(tǒng)可以對(duì)所有高壓柜的各個(gè)開關(guān)與隔離開關(guān)的過流、速斷保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)管理,顯示主控線圖,定義時(shí)間,存貯,打印。在突發(fā)事故發(fā)生時(shí),可以立即顯示故障的開關(guān)回路和故障類型,并且記錄事故發(fā)生的性質(zhì)與時(shí)間,使判定故障類型、處理故障的時(shí)間大為縮短。運(yùn)行時(shí),能夠?qū)⑷啃畔⑼ㄟ^光纜實(shí)時(shí)傳送至供電工區(qū)調(diào)度室和礦中心調(diào)度室,對(duì)調(diào)度人員正確迅速調(diào)度指揮處理故障、快速送電、倒換系統(tǒng)運(yùn)行方式、確保采區(qū)供電起到重要作用。

2.3 微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能

(1) 監(jiān)測(cè)功能。分別監(jiān)測(cè)真空開關(guān)和隔離開關(guān)的分合狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)的動(dòng)作性質(zhì)。

(2) 顯示功能。顯示系統(tǒng)的主接線圖,并且以紅綠信號(hào)顯示開關(guān)、刀閘的過流及速斷狀態(tài)。在速斷或過流保護(hù)動(dòng)作時(shí),顯示事故性質(zhì),并且記錄事故發(fā)生的時(shí)間,以便事后分析。

(3) 聯(lián)網(wǎng)功能。通過光纖通信納入礦安全調(diào)度多媒體網(wǎng)絡(luò),不但能夠在井下中央變電所直接監(jiān)測(cè),而且可以在礦中心調(diào)度室和供電工區(qū)調(diào)度室的微機(jī)上同步接收來自井下中央變電所的監(jiān)測(cè)信號(hào),顯示井下中央變電所所發(fā)生的事情[4-6]。

3 基于嵌入式技術(shù)的煤礦井下變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦供電系統(tǒng)包含一個(gè)地面110 kV變電站、一個(gè)井下中央變電所、五個(gè)采區(qū)變電所和多個(gè)臨時(shí)配電點(diǎn)。整個(gè)供電系統(tǒng)的電量計(jì)量手段不夠健全,煤礦電量統(tǒng)計(jì)和分析管理全部依靠人工輸入與計(jì)算,手段滯后煩瑣,難以實(shí)現(xiàn)用電的精細(xì)化管理。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下各種變電所電量參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以及全礦主要設(shè)備和生產(chǎn)用電量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集中抄表與自動(dòng)統(tǒng)計(jì),便于管理人員及時(shí)掌握煤礦的用電消耗情況,濟(jì)寧二號(hào)煤礦和山東科技大學(xué)合作,針對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)電量計(jì)量統(tǒng)計(jì)手段落后的問題,研發(fā)了煤礦井下變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。這一系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由地面計(jì)量監(jiān)測(cè)主站、井下變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)分站和計(jì)量監(jiān)測(cè)終端組成,利用主站多機(jī)備用、工業(yè)以太環(huán)形網(wǎng)、嵌入式觸摸屏工控機(jī)和嵌入式組態(tài)軟件等技術(shù)來提高可靠性和易用性。

3.1 系統(tǒng)功能

(1) 能夠準(zhǔn)確采集變電所各條供電線路的實(shí)時(shí)三相電壓、三相電流、分相有功功率、無功功率、功率因數(shù)和總用電量等參數(shù)。供電參數(shù)集中顯示、存儲(chǔ)和查詢,各供電線路工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)變電所本地和地面監(jiān)視中心集中監(jiān)視。

(2) 具有越限報(bào)警功能,當(dāng)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行參數(shù)超過設(shè)定限值時(shí),提供變電所本地和遠(yuǎn)方集中監(jiān)視的報(bào)警功能。

(3) 根據(jù)本地用電計(jì)量計(jì)費(fèi)統(tǒng)計(jì)要求,設(shè)置相應(yīng)的用電峰、谷、平時(shí)段,并進(jìn)行相關(guān)時(shí)段用電量的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)策略,提供不同要求的用電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表和分析,根據(jù)能耗分析,調(diào)整月、季和年度能耗計(jì)劃,制訂煤礦能耗平衡表。

(4) 具有完善的軟硬件擴(kuò)展能力,當(dāng)井下變電所容量或變電所開關(guān)線路調(diào)整后,通過調(diào)整相關(guān)的通信接口和軟件功能模塊,可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)容量的調(diào)整。

(5) 當(dāng)供電線路的微機(jī)綜保設(shè)備具有通信功能后,系統(tǒng)通過豐富的通信擴(kuò)展接口,將微機(jī)綜保設(shè)備接入系統(tǒng),通過調(diào)整軟件功能模塊,實(shí)現(xiàn)線路的“四遙”功能,使系統(tǒng)向供電自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(1) 地面計(jì)量監(jiān)測(cè)管理主站。由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、打印機(jī)、不間斷電源和計(jì)量監(jiān)測(cè)管理軟件組成,設(shè)置在礦供電管理部門。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)接入礦井安全工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),接收各個(gè)井下變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)分站發(fā)送來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)管理。

(2) 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。這是系統(tǒng)地面計(jì)量監(jiān)測(cè)管理主站和各個(gè)變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)分站通信的紐帶。

(3) 各個(gè)井下變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)分站。設(shè)置各個(gè)變電所開關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)和用電量數(shù)據(jù)的集中采集、顯示和通信服務(wù)器,通過現(xiàn)場(chǎng)通信總線與變電所各個(gè)高壓開關(guān)、低壓饋電開關(guān)中的智能電量計(jì)量監(jiān)測(cè)終端通信,讀取各開關(guān)相關(guān)電量參數(shù)進(jìn)行綜合處理,在現(xiàn)場(chǎng)集中顯示,并通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)傳至地面計(jì)量監(jiān)測(cè)管理中心,同時(shí)能夠接收地面計(jì)量監(jiān)測(cè)管理中心發(fā)出的參數(shù)調(diào)整指令。

(4) 各條供電線路的計(jì)量監(jiān)測(cè)終端安裝在各條供電線路中,通過電壓互感器和電流互感器接入供電線路,采集各條線路的三相電壓、電流信號(hào),經(jīng)過高精度運(yùn)算處理,得到線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率和用電量數(shù)據(jù),并通過RS 485總線與計(jì)量監(jiān)測(cè)分站通信,可以根據(jù)峰、谷、平及尖峰時(shí)段的設(shè)置,統(tǒng)計(jì)并記錄各個(gè)時(shí)段的用電數(shù)據(jù)。為滿足功能要求,在系統(tǒng)中采用了智能多功能電能表。

3.3 主站設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主站的主要任務(wù)是通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與井下變電所計(jì)量監(jiān)測(cè)分站通信,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理、存儲(chǔ),并且通過監(jiān)視畫面和數(shù)據(jù)報(bào)表對(duì)供電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和用電計(jì)量管理。主站由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、不間斷電源、打印機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成。主站操作系統(tǒng)選用Windows,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選用SQL Server,計(jì)量監(jiān)測(cè)管理軟件選用通用工控組態(tài)軟件。主站計(jì)量監(jiān)測(cè)管理軟件設(shè)計(jì)包括人機(jī)接口界面、數(shù)據(jù)處理與用電量管理,以及數(shù)據(jù)通信三個(gè)方面。系統(tǒng)監(jiān)控軟件在電量計(jì)量管理方面功能強(qiáng)大,可以根據(jù)要求設(shè)置供電計(jì)量的峰、谷、平及尖峰時(shí)間段,并且可以通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將時(shí)段設(shè)置發(fā)送至各個(gè)變電所監(jiān)測(cè)分站和各條供電線路的智能電量監(jiān)測(cè)終端。根據(jù)煤礦供電計(jì)量統(tǒng)計(jì)管理的要求,可以提供不同供電線路、生產(chǎn)單位和大型用電設(shè)備的分時(shí)段用電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表。針對(duì)各種不同工作制式的生產(chǎn)設(shè)備,統(tǒng)計(jì)其運(yùn)行規(guī)律,并基于峰、谷、平時(shí)段的設(shè)置,提出合理的運(yùn)行時(shí)間規(guī)劃,降低用電成本。根據(jù)對(duì)礦井及各生產(chǎn)單位的能耗進(jìn)行分析,調(diào)整月、季和年度能耗計(jì)劃,制訂煤礦能耗平衡表。

3.4 計(jì)量監(jiān)測(cè)分站設(shè)計(jì)

計(jì)量監(jiān)測(cè)分站是這一系統(tǒng)的骨干運(yùn)行節(jié)點(diǎn),一方面循環(huán)采集各條供電線路智能電量計(jì)量監(jiān)測(cè)終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)過處理就地顯示和存儲(chǔ),并按照電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)傳輸規(guī)約要求將數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)換為基于傳輸控制協(xié)議與網(wǎng)際協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸格式,通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳遞給主站;另一方面可以接收主站發(fā)出的遙調(diào)指令,對(duì)各個(gè)計(jì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)選用MCGS公司TPC1162Hi高性能一體化嵌入式觸摸屏工控機(jī),這一工控機(jī)是采用Cortex-A8嵌入式低功耗中央處理器,主頻高達(dá)600 MHz的高性能嵌入式觸摸屏工業(yè)計(jì)算機(jī)[10],具體特點(diǎn)如下:① 具有高亮度液晶顯示屏、四線電阻式觸摸屏,壽命長(zhǎng);② 內(nèi)置256 MB DDR內(nèi)存、2 GB SD卡存儲(chǔ)器;③ 外部接口豐富,包括兩個(gè)RS 232、一個(gè)RS 232/485、一個(gè)RS 485、一個(gè)RJ 45網(wǎng)絡(luò)接口和一個(gè)USB 2.0接口,可以擴(kuò)展控制器局域網(wǎng)總線通信接口,具有強(qiáng)大的通信擴(kuò)展能力;④ 工作環(huán)境條件和抗干擾性達(dá)到工業(yè)Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),性能穩(wěn)定;⑤ 內(nèi)置嵌入版MCGS通用工控組態(tài)軟件,支持U盤備份恢復(fù)。

嵌入版MCGS通用工控組態(tài)軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),系統(tǒng)容量小、速度快、穩(wěn)定性高、通信方便,內(nèi)置串行通信、以太網(wǎng)通信和網(wǎng)絡(luò)瀏覽與遠(yuǎn)程診斷功能,可以方便實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程采集,提供各種常用硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,便于構(gòu)建完整的嵌入式設(shè)備。

計(jì)量監(jiān)測(cè)分站由一體化嵌入式觸摸屏工控機(jī)、輔助電源、RS 485通信總線和安裝于各開關(guān)線路的電量計(jì)量監(jiān)測(cè)終端組成。通過RS 485總線接口連接各開關(guān)線路的智能電量計(jì)量監(jiān)測(cè)終端,通過RJ 45接口連接礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),嵌入版MCGS監(jiān)控組態(tài)軟件采集各條開關(guān)線路的實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù),通過觸摸屏現(xiàn)場(chǎng)顯示、存儲(chǔ),同時(shí)通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)以電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)傳輸規(guī)約傳遞給主站,接收主站發(fā)出的遙調(diào)指令,對(duì)各個(gè)計(jì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

基于嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)、嵌入式組態(tài)軟件和工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦井下變電所供電計(jì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),著眼于供電系統(tǒng)的集中計(jì)量監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)管理,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,顯著提高了煤礦供電系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)量管理水平,降低了系統(tǒng)維護(hù)工作量,為煤礦用電管理和成本考核提供了有效的工具和手段。供電計(jì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行后,取得了滿意的效果[7-9]。

4 煤礦供電安全監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)

兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司鮑店煤礦是年產(chǎn)4 Mt原煤的特大型現(xiàn)代化礦井,但是其供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)仍停留在依靠報(bào)表逐級(jí)匯報(bào)方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子工業(yè)的迅猛發(fā)展,以微處理器為核心的微機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸深入煤礦電力領(lǐng)域。供電系統(tǒng)管理的計(jì)算機(jī)化不僅可以提高供電系統(tǒng)的質(zhì)量及運(yùn)行效率,而且可以規(guī)范供電管理,提高勞動(dòng)效率。為此,鮑店煤礦應(yīng)用AutoCAD和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)分散的礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下采區(qū)變電所電網(wǎng)狀態(tài)及絕緣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鮑店煤礦在地面建立了機(jī)電管理網(wǎng),將地面35 kV微機(jī)監(jiān)測(cè)納入礦級(jí)Windows網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)全礦井上下變電所的微機(jī)監(jiān)測(cè)和管理,并對(duì)井下在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究試驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)組成

鮑店煤礦供電安全監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)是集礦井供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、供電設(shè)備管理及供電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、供電系統(tǒng)運(yùn)行電量監(jiān)測(cè)為一體的供電監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng),包括地面35 kV變電所供電監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、供電系統(tǒng)CAD及供配電設(shè)備管理子系統(tǒng)、井下低壓電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)三個(gè)組成部分,由微機(jī)智能多功能串卡、調(diào)制解調(diào)器通過電話線組網(wǎng)。

(1) 地面35 kV變電所供電監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。主要由電流、電壓、有功功率、無功功率傳感器,以及各種信號(hào)采集板、工控計(jì)算機(jī)與電力監(jiān)測(cè)軟件組成。

(2) 供電系統(tǒng)CAD及供配電設(shè)備管理子系統(tǒng)。鮑店煤礦機(jī)電科建立高壓設(shè)備材料庫,包括名稱、型號(hào)、技術(shù)參數(shù)、原理圖、外形照片、接線方式、庫存數(shù)量、在修數(shù)量、優(yōu)先使用等級(jí)。鮑店煤礦電管與電纜組建立低壓設(shè)備材料庫,包括名稱、型號(hào)、技術(shù)參數(shù)、原理圖、外形照片、接線方式、庫存數(shù)量、在修數(shù)量、優(yōu)先使用等級(jí)。兗州礦業(yè)(集團(tuán))公司機(jī)電處建立供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行方式庫,包括接線方式名稱、結(jié)構(gòu)圖、故障預(yù)想和相應(yīng)對(duì)策,以及各種運(yùn)行分析信息數(shù)據(jù)接口。微機(jī)通過RS 232進(jìn)行遠(yuǎn)程串行通信,速率為1 200 bite/s～14.4 kbite/s。利用原有調(diào)制解調(diào)器自帶的查錯(cuò)和數(shù)據(jù)壓縮功能,文件傳輸采用XModem協(xié)議,進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn),充分利用Windows多任務(wù)和事件驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn),使單機(jī)能夠同時(shí)多串口通信。通信程序在后臺(tái)運(yùn)行,同時(shí)支持音頻和脈沖撥號(hào)方式。

(3) 井下低壓電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。這是一個(gè)兩級(jí)分布式微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要由井下低壓電網(wǎng)監(jiān)測(cè)分站、地面微機(jī)主站和通信網(wǎng)組成。通過地面微機(jī)主站與礦機(jī)電網(wǎng)連接,設(shè)有通信擴(kuò)展接口。分站設(shè)在井下中央變電所,由帶檢漏繼電器的轉(zhuǎn)接盒、本安電源、本安分站三個(gè)部分組成。從開關(guān)及帶檢漏繼電器的轉(zhuǎn)接盒內(nèi)采集電氣參數(shù)、絕緣數(shù)據(jù),進(jìn)行處理后通過RS 232通信口,經(jīng)過光端機(jī)、光纜傳送至地面微機(jī)主站。地面微機(jī)主站通過RS 232通信口、光端機(jī)與井下分站聯(lián)絡(luò),收集由分站傳來的信息,并且進(jìn)行處理。

鑒于電網(wǎng)故障70%以上系漏電故障,進(jìn)行電網(wǎng)分支絕緣在線監(jiān)測(cè)是為了預(yù)知電網(wǎng)各個(gè)支路的絕緣狀況。系統(tǒng)采用附加低頻電源法進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),利用維恩電橋正弦波振蕩器產(chǎn)生12.5 Hz低頻信號(hào),經(jīng)過功率放大以后再由1∶5隔離變壓器輸出。輸出的低頻信號(hào)經(jīng)過三相電抗器入網(wǎng),由電網(wǎng)對(duì)地絕緣阻抗入地,與隔直電容器和限流電阻構(gòu)成回路。各個(gè)分支電網(wǎng)的低頻信號(hào)由弱信號(hào)、高靈敏度互感器取得,經(jīng)過電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換后,通過帶通濾波器濾除工頻干擾及直流部分。在系統(tǒng)軟件部分增加數(shù)字濾波環(huán)節(jié),進(jìn)一步濾除電網(wǎng)的工頻信號(hào)干擾?？紤]到采樣的精確性和各個(gè)分支的一致性,并且為防止信號(hào)越出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍,在各個(gè)分支電網(wǎng)直接接地的情況下,由運(yùn)算放大器將低頻信號(hào)最大值統(tǒng)一調(diào)整為某個(gè)值。為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì),直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行采樣,選擇適當(dāng)?shù)慕涣魉惴ㄇ蟪鲂盘?hào)的幅值。針對(duì)弱信號(hào)、高靈敏度互感器的非線性特征,進(jìn)行了非線性校正,以求出信號(hào)的實(shí)際幅值和相位值。

4.2 系統(tǒng)功能

(1) 地面35 kV變電所供電監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)、打印,并通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的供電數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)終端。這一子系統(tǒng)對(duì)35 kV變電所的32路有功、無功電量及電流進(jìn)行采集、顯示、計(jì)算、存儲(chǔ),顯示32路功率因數(shù);對(duì)每天峰、谷時(shí)間段電量和耗電量,以及每月峰、谷、平時(shí)間段電量和耗電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、顯示;對(duì)35 kV變電所Ⅰ段、Ⅱ段電壓進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、顯示;對(duì)35 kV變電所線路圖、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、日?qǐng)?bào)表、操作票進(jìn)行制作、預(yù)覽、打印;對(duì)峰、谷、平時(shí)間段進(jìn)行選擇,變送器比參數(shù)任意可調(diào)。

(2) 供電系統(tǒng)CAD及供配電設(shè)備管理子系統(tǒng)。綜合CAD、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化技術(shù),采用系統(tǒng)集成與開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)的方式,完成供電系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì),使電力系統(tǒng)對(duì)象和隱形關(guān)系得到顯示。元件的電氣屬性與視覺表現(xiàn)形式結(jié)合在一起,使供配電CAD部分與設(shè)備管理部分具有良好的接口。

供電CAD子系統(tǒng)分為采區(qū)低壓供電系統(tǒng)CAD、高壓供電系統(tǒng)CAD兩個(gè)部分。采區(qū)低壓供電系統(tǒng)CAD的功能包括繪制供電系統(tǒng)圖,輸出、編制電氣元件的連接關(guān)系,設(shè)定電氣參數(shù),自動(dòng)選擇供電系統(tǒng)中變壓器、饋電開關(guān)、檢漏繼電器、電纜等元件,繼電保護(hù)整定計(jì)算,供電系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行分析等。高壓供電系統(tǒng)CAD功能包括人機(jī)對(duì)話修改供電系統(tǒng)圖,輸出參數(shù),供電系統(tǒng)負(fù)荷電流、短路電流、繼電保護(hù)整定計(jì)算,供電系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備分?jǐn)嗄芰πｒ?yàn)等。與低壓供電系統(tǒng)不同,高壓供電系統(tǒng)的各個(gè)變電所位置相對(duì)穩(wěn)定,供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)固定。

供配電設(shè)備管理子系統(tǒng)分為元件分類表、元件表、元件屬性表、設(shè)備臺(tái)賬表等,是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)下的多表數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。管理人員可以通過數(shù)據(jù)庫隨時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況。

(3) 井下低壓電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)井下低壓電網(wǎng)絕緣安全參數(shù)及電網(wǎng)運(yùn)行電量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ),通過地面微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示,并且可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將井下分站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的任何終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、打印。這一子系統(tǒng)主要功能如下:① 監(jiān)測(cè)井下低壓電網(wǎng)的電壓;② 監(jiān)測(cè)井下低壓電網(wǎng)各個(gè)分支線路的絕緣參數(shù)、電流、有功功率、無功功率及耗電量;③ 在地面微機(jī)主站實(shí)現(xiàn)井下漏電、過流、欠壓、過壓報(bào)警;④ 地面微機(jī)主站與地面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接,將井下監(jiān)測(cè)分站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用戶,并且可以顯示、打印。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行情況

經(jīng)過運(yùn)行,鮑店煤礦供電安全監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的運(yùn)行情況良好,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。鮑店煤礦35 kV變電所完成全部電量監(jiān)測(cè),能夠顯示負(fù)荷曲

線、功率因數(shù)曲線,并能生成操作票和報(bào)表。供電系統(tǒng)CAD可視化技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)一步提高了供電設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度,使供電管理更加規(guī)范。這一系統(tǒng)采用附加低頻電源法測(cè)量電網(wǎng)的絕緣參數(shù),成功實(shí)現(xiàn)對(duì)井下低壓電網(wǎng)分支線路的絕緣參數(shù)在線監(jiān)測(cè),并且將檢測(cè)量傳至地面,為管理、指揮人員快速處理供電故障提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。

實(shí)踐表明,這一系統(tǒng)可以調(diào)整電網(wǎng)的峰谷值,減少供電故障,達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。此項(xiàng)成果使供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),以及設(shè)備的完好情況、儲(chǔ)備情況、在修情況通過供電管理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享,有助于供電質(zhì)量、運(yùn)行效率的提高[10-11]。