摘" 要：該文介紹綠水洞煤礦為監(jiān)控井下供電系統(tǒng)，采用安設(shè)一套井下電力監(jiān)控系統(tǒng)。通過改造高、低壓開關(guān)設(shè)備綜合保護(hù)器模塊，安裝帶RS485通信功能的綜合保護(hù)器，并為各設(shè)備提供兼容的通信協(xié)議，實現(xiàn)監(jiān)控井下變電所的高、低壓開關(guān)設(shè)備的技術(shù)。同時結(jié)合礦井工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)變電所無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控的運(yùn)行模式，保障井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、智能化工作面等重要設(shè)備供電需求，達(dá)到降低成本和安全供電的目的，從而提高煤礦井下安全生產(chǎn)工作效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控系統(tǒng)；煤礦；RS485通信；遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)備改造

中圖分類號：TD611" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0193-04

Abstract： This paper introduces the installation of a set of underground power monitoring system in Lushuidong Coal Mine to monitor the underground power supply system. Through the transformation of the integrated protector module of high and low voltage switchgear， the integrated protector with RS485 communication function is provided， and a compatible communication protocol is provided for each equipment， thus realizing the technology of monitoring the high and low voltage switchgear of underground substations. At the same time， according to the mine industrial video surveillance system， the operation mode of unattended substation and remote monitoring is realized， which ensures the power supply demand of important equipment such as underground industrial ring network and intelligent working face， and achieves the purpose of cost reduction and power supply safety. As a result， the work efficiency and management level of coal mine safety production are improved.

Keywords： electric power monitoring system; coal mine; RS485 communication; remote monitoring; equipment transformation

為了實現(xiàn)實時監(jiān)測綠水洞煤礦地面35 kV變電站和12座井下變電站的高壓開關(guān)及低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀況和電網(wǎng)中電壓電流等實時值，結(jié)合綠水洞煤礦現(xiàn)有的供電系統(tǒng)實際情況，采用的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)需適用于綠水洞煤礦地面35 kV變電站及井下10 kV、6.6 kV變電所的需求。該電力監(jiān)控系統(tǒng)需采用先進(jìn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和控制技術(shù)，系統(tǒng)應(yīng)集成數(shù)據(jù)分析、安全、保護(hù)、遠(yuǎn)程控制、通信和管理等功能。

地面電力監(jiān)控主機(jī)可通過現(xiàn)有的礦井井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)控與監(jiān)視、人機(jī)友好交互等，并通過對供電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、保護(hù)、控制等操作，記錄和處理各種信息。結(jié)合變電所內(nèi)安設(shè)的工業(yè)視頻，地面監(jiān)控室可以通過礦井工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀看變電所人員出入、操作等直觀畫面，實現(xiàn)變電站的無人值守運(yùn)行，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測控制高壓開關(guān)和低壓開關(guān)的目的。

1" 設(shè)計

將所有需要監(jiān)控的高壓開關(guān)和低壓開關(guān)綜合保護(hù)器改造為帶有RS485通信功能的設(shè)備，并為不同廠家生產(chǎn)高壓開關(guān)和低壓開關(guān)設(shè)備提供兼容的通信協(xié)議。在各個變電所分別安裝一臺礦用本安型分站，將各開關(guān)的綜合保護(hù)器用2芯通信線相互并聯(lián)在一起，再與礦用本安型分站相連，并使用RS485通信方式與礦用本安型分站傳輸信號。同時在每個變電所安設(shè)一臺或多臺防爆攝像儀，與礦用本安型分站通信采用礦用網(wǎng)絡(luò)通信電纜互相連接。礦用本安型分站對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級預(yù)處理，攝像儀實時對變電所進(jìn)行實時監(jiān)視，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳到監(jiān)控主機(jī)。

2" 系統(tǒng)組成

煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)由電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、高壓開關(guān)、低壓開關(guān)、礦用本安型分站及網(wǎng)絡(luò)通信接口等設(shè)備組成。電力監(jiān)控系統(tǒng)使用3層結(jié)構(gòu)：地面電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)和井下千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)礦用本安型分站、礦井井下高壓和低壓開關(guān)。

礦用本安型分站可采用660 V/380 V/220 V/127 V交流電壓，并提供2路本安RS485通信接口、1路本安CAN通信接口、1路10 Mbps/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)通信接口及1路百兆以太網(wǎng)單模雙纖光口，實現(xiàn)不同通信協(xié)議的設(shè)備之間互聯(lián)互通。并配置有備用電源，可防止供電系統(tǒng)意外掉電的情況下繼續(xù)對井下供電系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。

開關(guān)綜合保護(hù)器與礦用本安型分站之間使用RS485通信模式傳輸信號，變電所內(nèi)電力設(shè)備各類數(shù)據(jù)上傳到礦用本安型分站，通過井下千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛骐娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)。地面電力監(jiān)控主機(jī)將命令下發(fā)給礦用本安型分站，本安型分站再將控制命令下發(fā)給井下變電所高壓和低壓開關(guān)綜合保護(hù)器，對設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。地面電力監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器對電力監(jiān)控系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)發(fā)布與共享功能。綠水洞煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3" 井下現(xiàn)場安裝

1）在調(diào)度指揮中心安設(shè)一臺電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)采用工控機(jī)，可兼作服務(wù)器。采用網(wǎng)線傳輸信號，網(wǎng)絡(luò)就近接入煤礦地面機(jī)房礦井工業(yè)千兆以太環(huán)網(wǎng)之中，用來接受通過礦用本安型分站上傳的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備相關(guān)參數(shù)，以及下發(fā)給各個變電所分站的各類指令。系統(tǒng)主機(jī)通過組建Web服務(wù)器向綠水洞煤礦局域網(wǎng)內(nèi)部用戶發(fā)布與分享信息，供電系統(tǒng)實時監(jiān)控畫面、報表、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)的查看及保存等。

2）在綠水洞煤礦井下每個變電所內(nèi)各安裝一臺電力監(jiān)控系統(tǒng)礦用本安型分站，采用網(wǎng)絡(luò)通信線與該變電所的井下千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)相連接并傳輸信號。使用遙控器在分站中設(shè)置預(yù)先分配好的網(wǎng)絡(luò)地址、通信方式、波特率等相關(guān)信息。礦用本安型分站接受礦井地面電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)下發(fā)出的控制、查詢、參數(shù)修改等命令信息，上傳變電所內(nèi)工業(yè)視頻攝像儀監(jiān)控信息與供電設(shè)備相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)到地面電力監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器中。

3）對所有需要監(jiān)控的高壓與低壓開關(guān)綜合保護(hù)器進(jìn)行改造，改造為帶有RS485通信功能的保護(hù)器設(shè)備。從礦用本安型分站鋪設(shè)通信電纜，并聯(lián)接到該變電所內(nèi)每臺開關(guān)綜合保護(hù)器信號傳輸觸點(diǎn)，在每臺開關(guān)上設(shè)置相應(yīng)通信地址、通信模式及波特率等。綜合保護(hù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)通過RS485通信信號方式上傳數(shù)據(jù)至礦用本安型分站，并接受分站下發(fā)的控制、調(diào)數(shù)、復(fù)位及數(shù)值修改等控制命令。

4）在礦井每個變電所內(nèi)安設(shè)一臺或多臺攝像儀，采用網(wǎng)線與本安型分站連接，相互傳輸信號。實現(xiàn)對變電所內(nèi)設(shè)備環(huán)境狀態(tài)、人員行為的直觀監(jiān)視，為輔助遠(yuǎn)程監(jiān)控人員對變電所內(nèi)供電系統(tǒng)異常事件進(jìn)行及時直觀提醒，降低和控制意外事故發(fā)生的風(fēng)險。

4" 實現(xiàn)功能

4.1" 遠(yuǎn)程監(jiān)控

1）在煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)上，可實時監(jiān)測井下供電系統(tǒng)的電流、電壓、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、用電量、零序電壓、零序電流和絕緣監(jiān)視電阻等電力參數(shù)。反映井下變電所高、低壓開關(guān)的分閘或合閘實時狀態(tài)，保護(hù)裝置的動作情況、事件時間順序記錄信息、事故遙信變位等。

2）通過監(jiān)控中心遠(yuǎn)程對井下開關(guān)的分閘、合閘操作。遠(yuǎn)程控制過程包含有如下幾個步驟：遠(yuǎn)程控制操作人員的身份及權(quán)限核實驗證、選擇遠(yuǎn)控的對象、遠(yuǎn)控預(yù)發(fā)、系統(tǒng)內(nèi)部核實驗證、終端核實驗證、終端返送核實驗證結(jié)果、遠(yuǎn)控執(zhí)行或撤消，記錄操作過程。在遠(yuǎn)控進(jìn)行的過程中無論是系統(tǒng)內(nèi)部校核未通過還是終端校核未通過以及發(fā)生遙信變位，則自動撤消控制并提示操作人員。

3）在監(jiān)控中心對井下開關(guān)的保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)定值召喚、整定修改等。保護(hù)器的定值連續(xù)可調(diào)，便于上下級開關(guān)的定值整定，加上保護(hù)器延時的準(zhǔn)確性，可防止開關(guān)的越級跳閘事故發(fā)生。調(diào)節(jié)過程包括以下幾個步驟：遠(yuǎn)控操作人員的身份及權(quán)限檢查、選擇調(diào)節(jié)對象、修改參數(shù)值、發(fā)送參數(shù)值、終端校驗核實、終端返送核驗結(jié)果、確認(rèn)執(zhí)行或撤消，記錄打印操作過程。在遠(yuǎn)程控制進(jìn)行的過程中需在終端進(jìn)行校驗核實，則自動撤消控制并提示操作人員。

4）通過監(jiān)控主機(jī)對應(yīng)工業(yè)視頻對變電所進(jìn)行實時監(jiān)視，并將視頻、聲音、圖片存儲在服務(wù)器上保留一段時間，以供隨時調(diào)閱。

4.2" 故障處理、分析

1）當(dāng)開關(guān)保護(hù)器動作時，系統(tǒng)可自動啟動電流、電壓波形記錄功能。也可由值班人員在監(jiān)控主機(jī)上下發(fā)命令開啟其中一個回路的波形進(jìn)行記錄，監(jiān)控中心主站上便能顯示這一回路的電流和電壓的波形圖，以供技術(shù)人員分析各個時間刻度的幅值相位等，也可以將波形曲線打印出來，以便礦井對故障時的供電系統(tǒng)參數(shù)有更全面的掌握。

2）故障發(fā)生后，電力監(jiān)控系統(tǒng)立即發(fā)出報警信號，上傳存儲于保護(hù)器中的相關(guān)故障信息（故障時電流和電壓參數(shù)、故障發(fā)生時間、故障原因），通過上傳故障波形記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形顯示分析，使監(jiān)控人員能及時了解供電系統(tǒng)故障時的運(yùn)行狀況。

3）對高壓開關(guān)保護(hù)器增加后備電源，讓保護(hù)器在供電系統(tǒng)意外掉電情況也能正常工作2 h以上，使電力監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)器繼續(xù)正常通信，正常進(jìn)行數(shù)據(jù)信息查詢、數(shù)據(jù)上傳等。以便記錄掉電瞬間供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，幫助礦井全面掌握供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4.3" 數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算

根據(jù)計算公式（可由用戶自定義）實現(xiàn)以下功能。

1）供電系統(tǒng)及線路負(fù)荷率統(tǒng)計計算。

2）電流電壓等測量值的越限判別，以及在此基礎(chǔ)上的計算電壓合格率。

3）對某一時間段內(nèi)最小、最大和平均測量值的統(tǒng)計，并對最大值及最小值出現(xiàn)的時間進(jìn)行標(biāo)記。

4）供電系統(tǒng)中有功、無功功率的電度積分和總加，有功及無功電能量總加計算。

4.4" 查詢及操作功能

監(jiān)控主機(jī)實時接收多協(xié)議網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，以實時狀態(tài)圖形方式顯示瀏覽，實現(xiàn)遠(yuǎn)程遠(yuǎn)整定保護(hù)裝置定值和保護(hù)裝置的自檢、動作信息，保護(hù)信號復(fù)歸和復(fù)位操作等。通過表格或曲線的形式，對實時或任意時間段歷史記錄進(jìn)行訪問，同時對異常數(shù)據(jù)用明亮的色彩進(jìn)行區(qū)分，用醒目的紅色標(biāo)識出報警信息。

4.5" 報警功能

在電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實現(xiàn)動態(tài)的顯示越限、故障報警，通過自動調(diào)出事故回路所在畫面、閃爍、字體變色、聲光報警和信息彈窗等多種組合報警方式，對不同類別的信息進(jìn)行報警，同時保存告警信息，以便工作人員可隨時掌握、分析供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

4.6" 管理功能

具備設(shè)備管理功能，可在電力監(jiān)控系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)中對相應(yīng)的電力設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注，便于供電系統(tǒng)設(shè)備的查詢與統(tǒng)計。

具有多級別權(quán)限管理功能，系統(tǒng)會自動記錄操作人員的每個操作步驟，并生成操作記錄，實現(xiàn)供電系統(tǒng)安全管理。

4.7" 事件時序記錄功能

當(dāng)井下供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的設(shè)備發(fā)生事故時，電力監(jiān)控系統(tǒng)可以在地面監(jiān)控中心及設(shè)備綜合保護(hù)器的配合下，按時間順序生成綜合保護(hù)器、動作裝置和斷路器發(fā)生動作時間的事件記錄，并保存到電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供事故發(fā)生后分析使用。

4.8" 畫面顯示及人機(jī)交互操作功能

系統(tǒng)可以制作的畫面包括系統(tǒng)主接線圖、變電所的接線圖、功率總加圖、畫面索引圖、負(fù)荷曲線圖、電壓圖、表格圖和保護(hù)配置圖等，用來實現(xiàn)對高、低壓開關(guān)設(shè)備及礦井井下電力供電系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

系統(tǒng)中圖形工具可以對任意大小尺幅的畫面進(jìn)行編輯；可隨意放大、縮小、漫游來操作畫面；有圖元引用、操作功能；可提供多種方式調(diào)用畫面，如按索引目錄調(diào)用、名稱調(diào)用、單鍵調(diào)用等。

在系統(tǒng)畫面上還可以完成如下交互操作功能。

1）掛牌操作。根據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備正常運(yùn)行、維護(hù)、故障處理等具體情況，給設(shè)備在正常運(yùn)行、維護(hù)、故障狀態(tài)欄上打上相應(yīng)標(biāo)記。

2）開關(guān)操作。在畫面顯示中選中保護(hù)裝置的圖標(biāo)，可直接對保護(hù)裝置的事件信息進(jìn)行查詢、遠(yuǎn)程控制、設(shè)置參數(shù)調(diào)整和保護(hù)裝置復(fù)位等操作。

3）人工置數(shù)。操作人員根據(jù)授權(quán)范圍可修改測量值和狀態(tài)，以及潮流方向、運(yùn)行工況等。

4）完成電力監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的參數(shù)、操作記錄、事件記錄及系統(tǒng)運(yùn)行日志的瀏覽和檢索。

4.9" 報表的制作、顯示和打印

該系統(tǒng)能夠?qū)⒏鶕?jù)用戶需求，提供預(yù)覽及打印功能。用戶可設(shè)置定時打印，能自定義日報表、月報表及特定時間段的報表，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入用戶定制表格中，完成報表自動打印。對報表修改可自動更新統(tǒng)計、計算結(jié)果。

4.10" 保護(hù)器的安全

使開關(guān)綜合保護(hù)器單元中的保護(hù)單元功能實現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，不需要依賴于通信網(wǎng)絡(luò)便能正常工作不會受到系統(tǒng)設(shè)備是否在線影響。

4.11" 時鐘同步功能

整個供電系統(tǒng)內(nèi)的礦用本安型分站和開關(guān)綜合保護(hù)器都以電力監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)部時鐘為準(zhǔn)，服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)對各個本安型分站及綜合保護(hù)器的定期自動校時。

4.12" 與信息管理系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換

電力監(jiān)控系統(tǒng)支持以下3種方式與管理信息系統(tǒng)及其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1）網(wǎng)橋方式。使用網(wǎng)橋，由網(wǎng)橋連接多個不同系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)橋完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，既可以是報文的方式，也可以直接寫入數(shù)據(jù)庫。

2）服務(wù)器方式。在同一個服務(wù)器服務(wù)多個不同系統(tǒng)的條件下，電力監(jiān)控系統(tǒng)可以直接將數(shù)據(jù)寫入進(jìn)同一個服務(wù)器上的其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

3）交換機(jī)方式。使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)往其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的目的。

4.13" 網(wǎng)頁瀏覽器

電力監(jiān)控系統(tǒng)中主機(jī)可以組建Web服務(wù)器，可以讓礦井局域網(wǎng)中的其他用戶使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問系統(tǒng)，完成對礦井供電系統(tǒng)實時監(jiān)控畫面、報表、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)的查看及保存。

4.14" 工業(yè)視頻監(jiān)控功能

在每個變電所內(nèi)安裝帶播音及拾音功能攝像儀，將監(jiān)控畫面通過工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)集中顯示在礦井調(diào)度指揮中心。系統(tǒng)值班員通過攝像儀對變電所內(nèi)設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行錄像、監(jiān)控及對講。

4.15" 變電所無人值守功能

基于礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)完成。系統(tǒng)值班人員可對進(jìn)入變電所內(nèi)工作人員的行為進(jìn)行分析，對變電所內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行分析，對供電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，能有效防范預(yù)警各類安全事件，降低及控制意外事故發(fā)生的風(fēng)險，實現(xiàn)變電所無人值守功能，提升礦井信息化管理水平。

5" 結(jié)束語

井下電力監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，能有效地實施實時監(jiān)控煤礦井下供電系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電所內(nèi)的設(shè)備遠(yuǎn)程操控和實時監(jiān)測，無人值守，減少維護(hù)人員，降低供電系統(tǒng)運(yùn)維成本，為諸如井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、智能化工作面等重要設(shè)備供電需求提供了保障，對于煤礦企業(yè)管理和安全生產(chǎn)有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李廣永，孟晨.基于工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的煤礦井下變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究[J].山東煤炭科技，2010（6）：185-186.

[2] 高會平.煤礦電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[J].山西科技，2010，25（6）：89-90，95.

[3] 唐春光.南山煤礦電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2010，29（2）：48-50.

[4] 馬骉.盤山220kV變電站綜自系統(tǒng)改造方案設(shè)計及實施[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[5] 馬金才.煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)改造研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（6）：180-181.