淺談基于工業以太網的煤礦10 kV電網監控系統的設計與應用
更新時間：2021-12-21
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淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：為了提高煤礦的安全性和可靠性，適應現代化礦井建設，構建了基于工業以太環網的煤礦電網監控系統，重點介紹了系統的設計方案、結構、功能，給出解決越級跳閘和自適應漏電保護等相關技術。該系統經實際應用，實現了井下7個配電室的遠程集中監控、遙控、遙測、遙信、遙調等功能，提高了煤礦生產自動化水平，強化了礦井電網安全，防止井下大面積停電和越級跳閘等事故的發生，縮短故障處理時間，為最終實現井下變電所無人值守創造了條件。
關鍵詞： 工業以太網；電網監控；越級跳閘
0引言
新元公司現有3個地面變電站，分別為110 kV變電站、中央風井35 kV變電站、韓莊風井35 kV變電站。110 kV變電站位于工業廣場內內，擔負新元公司工業廣場10 kV、中央風井35 kV、韓莊風井35kV變電站的供電任務。礦井人井10 kV電纜共計13趟(包括風機zhuan供系統)，電源分別引自中央風井場地35 kV、韓莊35 kV、工業場地110 kV變電所。井下10 kV配電室有9個，各變電所兩回路電源電纜任一回路停運時，另一回路仍可滿足其所帶全部負荷的需要。為滿足集團公司推進現代化礦井發展的需要，有效實現電網系統的安全可靠運行，新元公司于2014年開始進行電網監控系統的建設，經過近一年的運行，基本實現了井下電網系統7個配電室的遠程集中監控、就地和遠程操作，實現了“四遙”功能。
1新元煤礦電網監控系統
1．1 系統結構
新元煤礦井下電網監控系統主要由地面監控中心、以太網數據交換中心、地面保護主機、井下數據傳輸分站、高爆開關綜合保護器、相關組態軟件和其它輔助設備構成，井下電網監控系統示意圖如圖1所示。
1．2系統構建
（1）新元公司電網監控系統地面中央風井35 kV變電站和110 kV變電站共計接人6臺人井線路保護裝置。井下電網監控系統接入井下7個配電室，分別是：中央配電室、煤倉配電室、南區中央配電室、集中膠帶巷配電室、9“煤中央配電室、西一和西二配電室。
（2）將井下7個配電室約90臺高開綜合保護器更換升級為ZBT—llc型級聯縱差綜合保護器，該保護器是具有消除越級跳閘功能的新一代高開綜合保護器，它集保護、測控、通信、故障錄波、電能計量統計分析、諧波含量分析功能于一體。低壓饋電開關保護器更換為能夠和IQl37電網自動化系統通信的智能綜合保護器。目前使用的低壓饋電開關均能實現和電網自動化系統通信。
（3）分別在井下7個配電室安裝KJ360一F礦用隔爆型電力監控分站，將配電室內的高低壓開關與監控分站聯接，就地實現高低壓設備集中控制，同時，安裝視頻攝像頭，實現遙視功能；另一方面通過礦用千兆環網將保護器數據上傳至地面調度中心，實現遠程“四遙”監控功能。
（4）地面機電調度和井下中央配電室均設置一監控中心(能夠實現地面井下實時監控)，保證地面調度指揮與井下人員操作實時一致，監控中心包括：地面調度中心監控主機、井下監控中心主機、網絡交換機、打印設施等。
（5）在井下配電室安裝DXBl27／127礦用隔爆型電源，為保護器和電力通信分站或網絡交換機提供可靠的工作電源和操作電源，保證在電網波動和交流失電情況下維持設備正常工作。
（6）在地面調度中心、井下中央配電室、綜合樓機電隊辦公室安裝電力監控客戶端，在地面信息中心機房設置電力監控(通信)服務器2臺，安裝的KJ360電力組態專業軟件，采用雙機熱備的工作方式，實現地面調度中心對地面、井下高壓的遠程監控
2主要功能
（1）實現地面調度中心對井下電網的實時監測功能，監測高、低壓每個回路的電流、電壓、絕緣電阻、有功電量、無功電量、開關分合位置、保護信號、室內視頻、室內溫度等實時狀態。同時預留接口，能夠實現與地面的銜接。
（2）對及網路傳輸系統中各種保護信息進行實時告警，當發生開關跳閘、保護動作、網絡傳輸中斷等事件時，將自動調出故障所在的畫面，具備故障閉鎖、事件記錄、查詢功能。
（3）根據權限設置，分級實現開關分合閘操作管理、定值管理、電量管理、報表管理、歷史數據管理、故障錄波分析與打印、規約轉換、數據轉發等功能。
（4）通過地面調度中心安裝的通信服務器和液晶顯示器，井上、井下變電所可進行通信，顯示井下變電所的視頻信息，并可實現人機交互操作。此外還有歷史數據存儲與檢索功能、曲線存儲與檢索功能、報表設計與檢索打印功能、圖形畫面組態功能、web瀏覽功能、設備檔案管理和自診斷報警功能等
3 電網監控系統相關技術
3．1 分布式智能速斷防越級保護系統
系統建設中，主要是升級改造保護器為防越級保護器，安裝防越級交換機，搭建光纖縱差通道。防越級保護系統組網示意圖如圖2所示
3．1．1基本原理
采用網絡化基因圖譜算法，利用開關間自主交換故障信息進行協商的形式，自主判斷故障區段，實現全網零秒速斷，以達到防越級跳閘的目的。
3．1．2主要特點和效果
可實現級聯縱差保護、母差保護、三段式過流、零時延智能后備保護。該系統保護分散，可就地安裝，獨立跳閘，符合電網公司的要求。系統具有分布式無主網絡結構，對通信依賴小，故障信息自主協商，風險分散，可靠性高。系統分層、分布式光纖網絡設計，保護功能就地完成，可靠性高。變電所間級聯縱差保護可避免站間越級，母線故障快速動作差動保護可防止電網擾動，“T”接線差動可滿足“一拖多”供電網絡，零時延智能后備保護可消除傳統后備保護時間累積效應的缺點，光纖縱差通道實時監控、動作行為實時監控。
3．1．3實現方式
利用分散安裝的ZBT．1 1 C級聯縱差保護器，通過保護信息網快速交換信息，快速判斷故障區段，可準確快速切除距故障最近的上級開關，達到防越級跳閘的目的。
3．2激勵式自適應漏電保護系統
傳統的漏電保護方法是以接地電流本身的故障特征作為故障判據，由于井下電網運行方式變化較大，歷次接地時，接地電流特征都不穩定，造成了以接地電流特征為判據的漏電保護經常起不到作用，故采用激勵式自適應漏電保護系統。激勵式自適應選擇性漏電保護系統由SY3603智能選漏保護終端、SY3601信號注入裝置、高爆開關中的ZBT一11C級聯縱差綜合保護器構成。ZBT．11 C、SY3603安裝在井下高壓開關中，SY3601安裝在地面10 kV變電所中，每段母線安裝一臺SY3601信號注入裝置。信號注人裝置在探測到有接地故障時，向接地相注入特殊信號(非工頻信號)，經分散安裝的高開綜合保護器檢測，信號量值達到設定值時，即判定為線路接地，漏電保護跳閘。SY3600煤礦電網漏電保護系統如圖3所示
3．3 瞬時失壓誤動缺陷的完善
煤礦井下電網在遭受雷擊、大負載類設備啟動、出口處短路等情況時，容易造成電網電壓瞬間波動或下降，繼而無壓釋放線圈誤動，引起井下大面積開關跳閘。為了解決這個問題，為每臺高壓防爆開關配置一臺KYD-01瞬時失壓智能控制模塊，保證交流失壓情況下，在0～5 S內維持無壓釋放線圈正常工作，母線瞬時失壓時，高壓防爆開關不會誤動跳閘。KYD-01智能無壓釋放線圈控制模塊由開關電源模塊、單片機延時控制電路、控制及告警電路、智能電容充放電回路組成，其電源額定電壓為交流100 V，源電壓波動范圍為75％～110％，額定輸出電壓24 V，保持時間0—5 s可調，級差0．5 S，無壓時，可輸出常閉接點，供自動化系統報警使用。瞬時失壓智能控制模塊原理如圖4所示
4解決對策
（1）山源KJ360礦用電力監控系統與磐能綜合保護器配合的問題。由南京磐能公司將分站通訊協議改為常用的MODBUS通訊協議，修改后系統運行正常，解決了保護器“死機”或不通信問題。
（2）高壓防爆開關遠程操作拒動問題。根據檢修計劃，在總調度控制室有計劃地對井下所有高壓防爆開關進行遠程分合閘操作，發現有6臺次4臺高壓防爆開關出現分合閘拒動情況。經查，4臺次拒動是開關本身機構問題，2臺次拒動是山源監控分站與磐能綜合保護器之間銜接出現問題，通過分析和檢查，解決了問題。
（3）電力監控系統不能啟動問題。煤礦信息中心機房2臺電力監控服務器監控系統出現不能啟動問題，顯示數據庫連接異常，導致整個電力監控系統不能正常運行。將服務器1 SQL server 2008數據庫配置更改為SQL server和windows混和身份驗證模式，服務器2重新導人系統數據庫文件，重新配置服務器雙機熱備。通過處理，系統可正常運行，服務器實現雙機熱備模式。
（4）人員培訓問題。針對運行階段出現的系統管理與操作人員不能適應新裝備、工藝的問題，新元公司機電系統已制定出培訓計劃及修改相應制度、規程，以保證電網集控系統能夠穩定運行。
5 安科瑞配電室環境監控系統的介紹與選型
5.1簡介
安科瑞電氣股份有限公司根據配電室實際情況，結合多年的變電站和配電室的運行管理經驗，了安科瑞配電室綜合監控系統，實現了智能開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監控、母線測溫監測、電纜測溫監測、環境監測、有害氣體監測、安防監控、采暖通風、門禁、燈光、風機、除濕機、空調控制等功能。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，實現動力環境優化，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員，延長設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過高，同時實現配電動力環境的分布式遠程管理。
5.2系統功能
5.2.1 通信管理
安科瑞智能配電室綜合監控系統可以完成對整個配電室范圍內的通信設備進行管理、添加、刪除、控制和數據的實時監測。
5.2.2實時監測
安科瑞智能配電室綜合監控系統人機界面友好，能夠顯示配電室設備的運行狀態，實時監測配電室環境參數信息，如視頻、溫度、濕度、漏水/水浸、水位、有害氣體和電參量等。實時顯示有關故障、告警等信息。
5.2.3 數據查詢
在人機界面中，可以直接查看配電室個設備的運行數據。
5.2.4曲線查詢
在曲線查詢界面，可以直接查看遙測參量曲線，包括溫度、濕度、水位、有害氣體、電壓、電流等曲線。
5.2.5運行報表
查詢配電室內設備的運行數據報表，包括日報表、月報表、年報表和查詢報表等。
5.2.6實時告警
科瑞智能配電室綜合監控系統具有實時告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發出告警。告警如右圖所示：
5.2.7 歷史事件查詢
安科瑞智能配電室綜合監控系統能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。
5.2.8 用戶權限管理
為保障系統穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。
5.2.9網絡拓撲圖
安科瑞智能配電室綜合監控系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
5.2.10遙控操作
安科瑞智能配電室綜合監控系統可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。
5.3Acrel-2000E/B配電室環境監控系統配置選型
6結語
（1）新元煤礦井下電網監測監控系統在保證整個電網系統可靠性、安全性的前提下，實現了井下電網自動化遠程監測監控管理。
（2）系統采用分布式智能速斷保護原理，縱差保護作為主保護，零時限智能后備作為遠后備保護，實現防越級跳閘的功能
（3）激勵式自適應漏電保護系統克服了傳統漏電保護方法中以接地電流本身的故障特征作為故障判據的局限性。
（4）井下7個高壓配電室及主要低壓實現就地監控的同時，通過工業環網將保護器數據上傳至地面調度中心，實現遙測、遙信、遙控、定值遙調、遙視功能，達到集中監控，具備了無人值守條件。
（5）各配電室及變電站的電力監控分站通過礦用千兆工業環網平臺將各配電室開關信息上傳到信息中心服務器，最終實現地面信息中心兩臺服務器、礦井總調客戶端、機電隊辦公室客戶端、井下中央配電室客戶端對井下各開關的遠程集中控制，實現了“地面控制為主，井下監控控制為輔”的控制模式。
參考文獻：
[1]王建文．防越級跳閘在煤礦的應用[J]．山西焦煤科技，2014(2)：52．
[2]張利軍，孫瑞平．基于工業以太網的煤礦10 kV電網監控系統的設計
[3]安科瑞Acrel-2000EB配電室綜合監控系統2020.04版
作者簡介：
淮亞利，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電室綜合監控系統的研發與應用。
