1  引言
   煤礦供電質(zhì)量對(duì)礦井安全和正常生產(chǎn)有著直接影響，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，煤礦供配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和合理性顯得更為重要。完善的電力監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地保證井下電網(wǎng)的安全運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)供電的“移峰填谷”，給煤礦帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。
   我國(guó)很多煤礦所使用的供電系統(tǒng)還都是原始的人工停送電模式，暴露出生產(chǎn)成本和管理模式上的種種不足。隨著電子信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤炭行業(yè)應(yīng)用的逐漸成熟，建立一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)是煤炭行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。本文闡述了基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的煤礦電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在戚家坡煤礦的具體應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下及地面各變電所供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且提高了工作效率，具有推廣應(yīng)用價(jià)值[2]。
2  工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
   工業(yè)以太網(wǎng)是一種符合IEEE802.3（以太網(wǎng)）和802.11（無線局域網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)的高性能的局域網(wǎng)絡(luò)。通過工業(yè)以太網(wǎng)，用戶能建立高性能寬范圍通訊網(wǎng)絡(luò)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
   現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式的控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管控一體的綜合自動(dòng)化功能。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)[1,3,4]。

3  基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
   根據(jù)系統(tǒng)功能需要，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)模式，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、變電所監(jiān)控站、綜合保護(hù)單元等組成。電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按縱向分為調(diào)度中心層、電網(wǎng)監(jiān)控中心層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                            圖1 電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  （1）調(diào)度中心層：通過調(diào)度中心主機(jī)將電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成在礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)，便于集中調(diào)度與管理，調(diào)度中心通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與電網(wǎng)監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。
  （2）電網(wǎng)監(jiān)控中心層：為電網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的主站，采用分布式、開放式的設(shè)計(jì)，組態(tài)完成站內(nèi)監(jiān)控功能，全面提供設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視及控制、保護(hù)信息記錄與分析等功能。主要由操作員工作站（一用一備）及工程師工作站組成，對(duì)于事故分析處理指導(dǎo)和培訓(xùn)等專家系統(tǒng)，以及用戶要求的其它功能的工作站則可根據(jù)需要增減。電網(wǎng)監(jiān)控中心通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)層通訊管理機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。
  （3）網(wǎng)絡(luò)層：主要完成調(diào)度中心層與電網(wǎng)監(jiān)控中心層、電網(wǎng)監(jiān)控中心層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層之間的通訊，采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與RS485總線，標(biāo)準(zhǔn)的IEC60870-5-103通訊規(guī)約，通訊介質(zhì)選用屏蔽網(wǎng)線及光纖。
  （4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：保護(hù)測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置層。它對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量和控制。各間隔單元均保留應(yīng)急手動(dòng)操作跳、合手段，各間隔單元互相獨(dú)立、互不影響，通過通信網(wǎng)互聯(lián)，并同電網(wǎng)監(jiān)控中心層的設(shè)備通信，取消了原本大量引入主控室的信號(hào)、測(cè)量、控制、保護(hù)等使用的電纜，節(jié)省投資，提高系統(tǒng)可靠性。
   系統(tǒng)主干信道是光纖以太環(huán)網(wǎng)到各變電所，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的數(shù)據(jù)接口將變電所開關(guān)數(shù)據(jù)接入主傳輸系統(tǒng)；在變電所內(nèi)安裝電網(wǎng)監(jiān)控站，采用現(xiàn)場(chǎng)總線RS-485方式采集變電所開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)就地集中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制的功能，主站對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，集中上傳到系統(tǒng)主機(jī)。井下變電所內(nèi)開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)通過綜合保護(hù)單元采集并輸出，電力監(jiān)控站和開關(guān)綜合保護(hù)單元之間采用RS-485(隔爆設(shè)備信號(hào)輸出通過安全隔離器作本安隔離處理)，變電所的電力參數(shù)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)诫娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)[1,5]。
3.1電網(wǎng)監(jiān)控中心和地面變電所
   戚家坡煤礦地面共有1個(gè)35kV變電所，3個(gè)配電室。在35kV變電所構(gòu)造全礦電網(wǎng)監(jiān)控中心。該監(jiān)控中心有2套HS5000全礦電網(wǎng)監(jiān)控主站系統(tǒng)，2臺(tái)HSX5020通訊管理機(jī)、1套GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)、1套模擬屏。通訊網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)有綜合自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，具體電網(wǎng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖2所示。

                                        圖2 電網(wǎng)監(jiān)控中心及地面變電所結(jié)構(gòu)圖

3.1.1地面35kV變電所
   將35KV保護(hù)屏上保護(hù)裝置、6KV開關(guān)柜上保護(hù)裝置、6KV無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置、0.4kv進(jìn)線及0.4kv母聯(lián)保護(hù)裝置、GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)等通過485總線接口接入1#通訊管理機(jī)，通訊管理機(jī)以以太網(wǎng)通信方式進(jìn)35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。
3.1.2副井絞車房配電室
   將6KV開關(guān)柜上保護(hù)裝置通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機(jī)，通訊管理機(jī)以以太網(wǎng)通信方式進(jìn)35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。
3.1.3制氮機(jī)房配電室
   將0.4kv進(jìn)線及0.4kv母聯(lián)保護(hù)裝置等通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機(jī)，通訊管理機(jī)以以太網(wǎng)通信方式進(jìn)35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。
3.1.4風(fēng)機(jī)房配電室
   將0.4kv進(jìn)線及0.4kv母聯(lián)保護(hù)裝置等通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機(jī)，通訊管理機(jī)以以太網(wǎng)通信方式進(jìn)35KV主控室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。
3.2井下變電所
   戚家坡煤礦井下共有3個(gè)變電所，分別是中央變電所、北翼采區(qū)變電所和南采區(qū)變電所。具體電網(wǎng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

                              圖3 中央變電所結(jié)構(gòu)圖

3.2.1中央變電所
   在6KV礦用一般型開關(guān)柜上使用1臺(tái)HSX5020通訊管理機(jī)，將6KV綜合保護(hù)裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)；低壓0.66KV進(jìn)線及母聯(lián)通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)，均接入通訊管理機(jī)，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接入變電所環(huán)網(wǎng)分站，如圖3所示。
3.2.2北翼采區(qū)變電所和南采區(qū)變電所
   北翼采區(qū)變電所共有14臺(tái)高爆的保護(hù)裝置為HW3000型微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，并在環(huán)網(wǎng)分站內(nèi)使用通訊管理機(jī)1臺(tái)；南采區(qū)變電所共有17臺(tái)高爆的保護(hù)裝置為HW3000型微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，在環(huán)網(wǎng)分站內(nèi)使用通訊管理機(jī)1臺(tái)，均符合無人值守變電站微機(jī)保護(hù)測(cè)控單元功能要求。
   6KV高爆的保護(hù)裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)、660V低爆保護(hù)裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)，均接入通訊管理機(jī)，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接入變電所環(huán)網(wǎng)分站，如圖4所示。

                                   圖4 采區(qū)變電所結(jié)構(gòu)圖

4  電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能
4.1數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理
   系統(tǒng)通過前置機(jī)與各受控站設(shè)備通訊，完成數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制任務(wù)，并負(fù)責(zé)向各受控站校對(duì)時(shí)鐘。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集遙測(cè)量(電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電度等)與遙信量(斷路器刀閘位置、保護(hù)自動(dòng)裝置動(dòng)作信號(hào)等)數(shù)據(jù)。采集的信息在這里經(jīng)過預(yù)處理后存儲(chǔ)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中供其它模塊使用。本系統(tǒng)支持多種部頒規(guī)約（如CDT、1801、101、104等），并支持前置機(jī)主備冗余與通道主備冗余。
4.2開放的數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)
   系統(tǒng)可以把采集和計(jì)算的數(shù)據(jù)提供給其它系統(tǒng)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)通訊方式、SQL歷史數(shù)據(jù)訪問方式、API接口方式。標(biāo)準(zhǔn)通訊方式可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上級(jí)調(diào)度或模擬屏等系統(tǒng)；SQL訪問方式和API接口方式可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供給MIS系統(tǒng)。
4.3畫面制作與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視
   通過繪圖軟件（UTGraphic）可以制作各受控站主接線圖、地理圖、光字牌，定義各種類型曲線、棒圖、餅圖，可以自行定義各種圖元（變壓器、接地線、斷路器、隔離刀閘等），可以在圖形中定義各種動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)點(diǎn)（遙信量、遙測(cè)量等）。
   繪制好的圖形可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由人機(jī)界面程序顯示，其中的動(dòng)態(tài)點(diǎn)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)顯示。
4.4控制和調(diào)節(jié)
   控制命令分遙控遙調(diào)兩類，遙控一般用于控制斷路器的合分，遙調(diào)用于控制主變分接頭位置。每次控制過程均產(chǎn)生一條控制記錄，包括操作人、監(jiān)護(hù)人、控制內(nèi)容、控制結(jié)果。該記錄可以通過操作事件查詢來觀看，操作事件可以打印到打印機(jī)。
4.5報(bào)警管理
   包括兩類報(bào)警信息：變電站運(yùn)行事件信息（遙信變位、遙測(cè)越限），監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)事件信息（如網(wǎng)絡(luò)通訊故障）。當(dāng)報(bào)警事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警窗口，同時(shí)伴有語音、音響報(bào)警，并可同時(shí)打印到打印機(jī)。
4.6數(shù)據(jù)處理
   對(duì)于采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、旁代處理。
4.7自診斷
   本系統(tǒng)包括一個(gè)獨(dú)立的自診斷模塊，該模塊可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行程序的各類故障。當(dāng)其發(fā)現(xiàn)某一模塊有問題時(shí)可以自動(dòng)終止該模塊的運(yùn)行，并重新啟動(dòng)該模塊，恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
4.8報(bào)表管理
   報(bào)表分定時(shí)報(bào)表和召喚報(bào)表，定時(shí)報(bào)表在用戶指定的時(shí)間時(shí)刻自動(dòng)生成，召喚報(bào)表在用戶手工召喚時(shí)生成報(bào)表。
   可以定義各類日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表，這些報(bào)表都可以設(shè)置是定時(shí)打印還是召喚打印。
   對(duì)于召喚報(bào)表，可以在報(bào)表生產(chǎn)后直接修改報(bào)表中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，修改結(jié)果可以保存到數(shù)據(jù)庫中。

5  結(jié)論
   戚家坡煤礦應(yīng)用基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的煤礦電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)后，該礦的井下及地面各變電所供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到無人值守。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且還提高了工作效率，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。同時(shí)該系統(tǒng)具有通訊技術(shù)先進(jìn)、功能豐富實(shí)用、性能安全可靠以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，必將在煤礦電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)方面發(fā)揮重要作用。

作者簡(jiǎn)介
   韋耀杰(1983-) 男  碩士研究生，現(xiàn)就讀于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)無功功率補(bǔ)償。

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