浅析基于智能矿山电力监控系统应用方法

摘要：随着煤矿建设的智能化程度越来越高，构建智能电力监控系统实现对矿山生产的有效监控至关重要。首先分析了矿山电力监控系统存在的主要问题，其次重点介绍了基于智能矿山电力监控系统的设计过程，*后提出了加强智能电力监控系统的措施，以保障智能电力监控系统的正常使用。

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。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。

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，所以要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。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。

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(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，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，*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，过以太网和对象链接与嵌入的过程控制(OLEforProcessControl，OPC)等接口协议完成和子系统主机之间的信息交换。

(2)可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicCantroller，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OPCServer中，实现和生产综合监控系统服务器之间的信息交换功能。

嵌入式控制接入。对于嵌入式控制的子系统，利用内部的OPCServer，服务器通过以太网和接口协议实现子系统之间的连接。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表格，从而为管理层的决策提供参考。

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(OpenDatabaseConnectivity，ODBC)、文件传输协议(FileTransferProtocol，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.安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

4.1概述

针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和全面管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站全方位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

4.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

4.3系统架构

Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

4.4系统功能

（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

（4）运行报表：查询各回路或设备时间的运行参数。

（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

（6）历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

（7）电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。

（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

（11）遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

（13）事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

（14）Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

4.5系统硬件配置

应用场合	型号	图 片	保护功能
电力监控系统	Acrel- 2000Z		电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。
网关	ANet- 2E8S1		8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GBSD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC220V，导轨式安装。
35kV/10kV/6kV 微机保护装置	AM6-*AM5SE-*		适用于6-35kv配电线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等中高压柜微机保护
35kV/10kV/6kV 弧光保护	ARB5-M		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
	ARB5-E		扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
	ARB5-S		弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35kV/100kV/6kV 高压柜智能操控、 节点测温	ASD500		5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量	APM830		三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示；
35kV/10kV/6kV 高压柜除凝露温湿度控制器	WHD72面板式		支持测量并显示2路温度，2路湿度。
	WHD20R导轨式		支持测量并显示2路温度，2路湿度。
变压器绕组 温度检测	ARTM-8		8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出；
0.4KV低压进出线柜接头测温	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
0.4KV低压柜内环境温湿度	AHE100		无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换）
	ATC600		两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。
0.4KV低压进线柜多功能电力仪表	AEM96		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露
0.4KV低压出线柜多功能电力仪表	AEM72		三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

5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。

审核编辑：汤梓红