"东数西算"赋能煤矿电力监控：边缘计算节点设计与二次设备兼容性研究

摘要：近年来，我国对煤矿资源的需求不断增加，煤矿开采越来越多。在煤矿工程中，电力监控系统设计工作越来越受到重视。为了解决原有电力监控系统存在的通信混乱、传感器采集速度慢、数据集中处理能力较差等问题，对煤矿电力监控系统进行了设计，即对电力系统地面主站调度监控系统、井下电力监控分站和矿用综合保护测控装置进行了设计。本文首先对电力监控系统安全现状概述，其次探讨了电力监控系统设计，以供参考。

关键词：煤矿；电力监控系统；设计研究 安科瑞 程瑜 187 0211 2087

引言

随着智能化、信息化技术的不断发展，越来越多的新兴技术在电力系统中不断应用，使得电力监控系统所涉及的技术、工作量、工作难度在这个过程中大幅增长。此外，现代电力监控系统使用计算机网络技术取代了传统分布式厂站自动化设备技术，带来便携的同时也让电力监控系统暴露在多重网络威胁中。电力监控系统实时监控着电力系统的运行情况并及时做出调整控制，保障了电力系统的安全稳定运行。

电力监控系统安全现状

1.1网络结构

无法保证外网接入安全，保证对主机和应用系统资源的合法使用和用户身份的合法性。通常电厂会在DCS系统网络和外部网络之间设立一个DMZ区，使连接尽可能小化。

1.2区域边界

现场控制层与监控层之间存在安全威胁互侵。缺乏边界保护，容易受到信息网络和相邻系统的安全影响。1.3通信网络

按照《国家电网公司关于加快推进电力监控系统网络安全管理平台建设的通知》的要求，在电力生产系统I区和II区中部署网络安全监测装置，对电气网中的服务器、工作站网络设备安全防护等监测进行数据采集和分析，但未对发电监控系统进行监控，无法及时发现网络中的各种违规以及入侵攻击行为，无法溯源入侵的未知设备、非法应用和软件。

1.4终端设备

生产控制系统和生产监控系统的操作终端大部分采用Linux和Windows系列的操作系统，为保证过程控制系统的相对独立性，同时考虑到系统的稳定运行，通常现场工程师、操作员等在系统开车后不会安装任何补丁，部分终端同时安装多种防病毒软件，上位机编程组态监控软件与传统杀毒软件不兼容、无严格的U盘等移动介质管控、终端登录无身份认证措施、应用软件存在使用默认密码和用户口令粘贴于显眼位置现象、外部设备管理采取封条方式、未部署安全技术措施，终端设备存在被攻击的可能。

1.5通讯协议

工业协议为了满足相应的数据实时性和周期性，往往缺乏有效的用户安全认证、数据传输的加密解密等基本信息安全手段。协议的相关信息又能通过公开渠道获取，攻击者很有可能利用协议的漏洞对工控网络发起攻击。

1.6控制系统

在系统维修或升级检测过程中，第三方人员的远程维护可能会导致相关生产数据的信息泄密，对运维过程中的误操作事件缺乏证据支撑。

电力监控系统设计

2.1地面主站调度监控系统设计

地面主站调度监控系统主要由数据服务器、通信柜、网络设备等组成。数据服务器对系统的运行数据进行储存，便于后期查看；通信服务器将变电所管理站与数据服务器间的数据进行互换，达到数据信息传递的目的。在地面电力监控调度中心配置电力集控软件，监控主机运行过程中，备用机与监控主机进行数据交换，当监控主机发生异常时，备用机及时代替监控主机，进行冗余设置。当软件登录完成后，会进行数据入库；完成数据入库后可以查询相关监测数据，数据可以形成报表模式，便于查询；同时软件自带作图模块，可以根据输入的数据绘制图形，此时绘制的图形会展示于人机界面；绘制的图形可以通过局域网进行局部分享，将监控数据向上级监控站传输。

2.2电参数模块设计

电参数模块子程序设计过程时，首先要配置好外部电路，其次采用基于串口通信的MODBUS协议即可从设备中读取到相应的函数信息，最后在操作函数时应该先对通信端口进行配置，配置完成后开始对芯片的指令进行CRC校验计算。

2.3加强网络安全监控体系建设

通过在电力监控系统网络关键节点部署工控安全审计、工业入侵检测系统和日志审计系统，对网络流量进行安全审计、检测，识别、审计、记录生产控制系统的操作行为和异常网络行为、网络设备日志，便于事后进行取证和定责。提供整个控制网络的总体运行情况，自动识别网络设备，显示网络设备当前状态，进行网络性能综合分析，针对工业控制系统重要的网络节点或区域，监测所有通过的数据包，并对数据包进行深度解析，实现控制行为合规性检查，针对异常或非法操作数据包，分析是否有外界入侵或人员误操作，并对所有异常情况进行审计、发出报警，提醒现场安全运维人员去处置。工控安全审计系统不仅可辅助安全运维人员发现、分析与处置安全事件，可以与串行部署的安全防护类设备配合使用，为实时修正安全保护类设备的安全策略提供数据支撑。还可以提供全面的安全事件数据，支撑阶段性全网安全风险分析与评估，为安全事件追溯提供证据。

2.4矿用综合保护测控装置设计

对矿用综合保护测控装置进行设计，首先需要对微机监控保护装置进行设计。微机监控保护装置选用GWZB-10型微机保护装置，其主要用于额定电压3300V和频率50Hz的电网环境。微机保护装置核心为32位单片机，微型互感器及工业级的外围芯片是保护装置的辅助部分，其具有较高的灵敏度和可靠性，内部同时匹配多种抗干扰措施，避免信息传输过程中的外部干扰。保护装置具备自我检测功能和硬件闭锁保护功能，通过不断地进行自我检测，从而保证设备正常运行，提升监控系统的稳定性。微机保护装置内部设计有隔爆遥控器，使用者可以通过遥控器进行远程系统操作，很大地提升了操作系统的效率。同时由于利用遥控器控制，可舍弃设备上的按键，省去矿井设备的复杂按键改造，提高系统改造效率。另外，保护装置内部通过设定控制值进行控制，控制值可以查询和修改。保护装置定时对自身运行状态进行检查，当发现设备存在故障时，能够准确定位故障芯片。保护装置配备有RS-485/RS-232标准通信接口，能够较好地匹配电力监控系统的接口。煤矿电网线路较短，阻抗较小，在发生短路事故时产生的电流很大，为了保证供电系统稳定运行，设计了防越级跳闸保护系统。防越级跳闸保护系统采用光纤闭锁信号，对系统线路段进行电流闭锁保护。防越级跳闸系统主要包括智能光纤控制服务器SU20、矿用智能光纤保护PA61和PA63。PA63防越级跳闸微机保护集控制、通信、测量、防越级等多种功能于一体；智能光纤控制服务器SU20主要用于收集闭锁信号，收集信号后对信号进行统一汇总，后转发至上级电路。馈线段在工作时不需要打开全部光纤信号，选定一路光纤即可。

安科瑞电力监控系统产品介绍与选型

3.1概述

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、计算机技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等多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。

3.2应用场所

办公建筑（商务办公、机关办公建筑等）

商业建筑（商场、金融机构建筑等）

交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）

厂矿企业建筑（石油、化工、水泥、煤炭、钢铁等）

新能源建筑（光伏发电、风能发电等）

3.3系统结构

Acrel-2000Z电力监控系统釆用分层分布式设计，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。

3.4设备选型

应用场合	型号	功能
35kV/10kV/6KV进线柜电能质里在线监测	APView500	电网频率，电压、电流有效值有功功率、无功功率、视在功率及功率因数，电压偏差，频率偏差，三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等，谐波（2~50次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等，谐波群，间谐波电压波动、闪变。可输入57.7V/100V或220V/380V。
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/100kV/6KV高压柜智能操控节点测温	ASD500	一次回路模拟图彩屏显示及开关状态指示，高压带电显示及核相，标配一路温湿度控制，加热回路故障告警，分合闸回路完好指示、分合闸回路电压测量、预分预合闪光指示、电气节点无线测温，人体感应自动照明，语音提示，电参数测量，4-20mA变送输出，RS485通讯接口、以太网通讯接口、USB接口，IRIG-B对时
35KV/10kV/6kv间隔电参量测量	APM830	三相(I、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高压柜除疑露温湿度控制器	WHD面板式	支持测量并显示2路温度，2路湿度。
WHD20R	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	无线则温采集可接入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，无线传输距离空旷150米
0.4kV低压出线柜多功能电力仪表	AEM72	三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos)，四象限电能,2~31次谐波测量，至大需量，RS485/Modbus，LCD显示 RS485/Modbus，LCD显示
AEM96	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、下测里，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐皮含里分析、低压出线分相谐波及总基波电参量(电压、电流、功率);电流规格3x1.5（6)有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级
04KV低压柜内环境温湿度	AHE100	无线温湿度传感器，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。
网关	Anet-2E8S1	8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口,支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188DL/T645等通讯协议设备的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-0870-5-104等上传协议支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220V AC/DC。
电力监控系统	Acrel-2000/Z	数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、权限管理、事件记录与告警、故障分析、各类报表。

结束语

综上所述，基于远程电力监控系统应用电参数模块采集母线的电压值、电流值，通过运算放大器对采集到的信号进行射随以及过零比较，利用ＡＤＣ以及外部电能计量芯片对电参数进行测量，同时系统支持母线温度检测等功能。本文结合硬件、软件设计，完成了实物的制造和调试，为同类产品设计和研究提供了参考。

参考文献

路超.煤矿电力监控系统设计研究.[J]

高正中，王亚男，牛慧晖，等.用于矿井电网电压同步频率检测的改进型DSOGI-PLL［J］.工矿自动化，2020，46(8)：75-81.

安科瑞电力监控与保护类产品选型手册,2022.07.

安科瑞企业微电网设计与应用手册，2022.05.

作者简介：

周莉娜，女，现任职于江苏安科瑞电器制造有限公司，主要从事微机保护测控装置和电力监控系统的研发与应用。

手机:[phone]（微信同号);QQ：2881299349;邮箱:[e-mail]

	进/馈线	AM5SE-F	三段式过流保护（带方向、带低压闭锁）、反时限过流保护、零序过流保护、三相一次 重合闸、低频减载、失压保护、逆功率保护、断路器遥控分合闸、故障录波、全电参量 测量、独立操作回路
35kV		AM5SE-D2	两圈变差动速断保护、比例制动差动保护
变电站	35kV主变	AM5SE-TB	三段式过流保护（带复合电压、带方向闭锁）、反时限过流保护、零序过流保护、间隙 零序电流保护、零序电压保护、过负荷保护、启动通风、闭锁有载调压、断路器遥控分 合闸、故障录波、全电量测量、独立操作回路
	PT监测并列	AM5SE-UB	PT并列、低电压警告、PT断线告警、过电压告警、零序过压告警
	进/馈线	AM5-F	三段式过流保护（带方向、带低压闭锁）、反时限过流保护、零序过流保护、三相一次 重合闸、低频减载、失压保护、逆功率保护、断路器遥控分合闸、故障录波
	厂用变	AM5-T	三段式过流保护（带复合电压闭锁）、反时限过流保护、零序过流保护、过负荷保护、 变压器非电量保护、断路器遥控分合闸、故障录波
	大功率异步电 机（2000kW 以上）	AM5SE-MD	电机差动速断保护、比例差动保护、启动中过流一段保护、已运行定时限过流保护、过 负荷保护、零序过流保护、过热保护、堵转保护、低电压保护、断路器遥控分合闸、独 立操作回路、故障录波、全电量测量
10(6)kV 开闭所	异步电机	AM5-M	启动中过流一段保护、已运行两段式过流保护、反时限过流保护、过负荷保护、零序过 流保护、启动时间过长、堵转保护、过热保护、相序保护、低电压保护、断路器遥控分 合闸、故障录波
	电容器	AM5-C	两段式过流保护、反时限过流保护、零序过流保护、欠电压保护、过电压保护、不平衡 电压/电流保护、非电量保护、断路器遥控分合闸、故障录波
	母联	AM5-B	两段式过流保护、反时限过流保护、后加速过流保护、进线备自投、母联备自投、断路 器遥控分合闸、故障录波
	PT监测	AM5-U	低电压警告、PT断线告警、过电压告警、零序过压告警
	PT并列	AM5-BL	不同母线段上PT二次信号的并列/解列控制

审核编辑 黄宇