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淺析基于智能礦山電力監控系統應用方法
摘要：隨著煤礦建設的智能化程度越來越，構建智能電力監控系統實現對礦山生產的有效監控至關重要。首先分析了礦山電力監控系統存在的主要問題，其次重點介紹了基于智能礦山電力監控系統的設計過程，后提出了加強智能電力監控系統的措施，以保障智能電力監控系統的正常使用。
關鍵詞：智能礦山；電力監控系統；應用方法
0引言
礦山開采工作較為復雜，涉及礦山井下開采人員、設備以及生產環節的管理等。隨著智能化技術的迅速發展，現代化信息技術與自動控制技術也不斷發展，對智能礦山的建設提出了更的要求。傳統的礦山電力監控系統一般應用計算機網絡技術，不能實現井下設備的控制，無法及時反饋環境信息和設備情況等。因此，在傳統電力監控系統的基礎上，通過大數據技術和云計算等完成礦井監測的可視化、調度的綜合化以及控制的自動化，有利于提升煤礦的安全性，加強生產業務的管理水平。由此可見，對基于智能礦山電力監控系統應用方法進行研究具有重要意義。
1礦山電力監控系統存在的主要問題
目前，雖然對電力監控系統及相關設備做了很多研究，但是缺少對數據的合理應用，而且數據庫需要存儲大量關于電力數據的監測值，這也是電力監控系統需要解決的重點問題。在實際應用過程中，電力監控系統主要存在以下問題。
(1)工作人員不能根據監控數據發現安全隱患。監控系統的主要功能是監測礦下的信息參數，不能很好地處理異常數據，且缺少對數據的預測功能，通過人機交互界面不能保證工作人員提前了解信息參數。
(2)缺少對安全監控信息的深入分析與利用。
大數據分析已經成為廣泛應用的數據分析方法，能夠找出數據背后的價值信息，從而為科學決策提供依據，在各個行業當中都有著廣泛的應用。煤礦開采也要加強對數據信息的分析與應用，保證監控的多元融合。
(3)預測模型的智能化程度低。電力監控系統主要注重對安全信息的監測與控制，并進行簡單反饋，不能實現危險度的判斷以及事故預警等。此外，斷電控制、分級報警以及區域斷電等功能需要進一步*，所以必須提電力監控系統的智能化水平。
2基于智慧礦山智能電力監控系統的設計
2.1系統設計
電力監控系統采用了3種技術，分別是自動化技術、計算機網絡技術以及信息化技術，集保護、監測、控制、通信等多種功能于一體，具有開放式、網絡化、模塊化、組態化的特點。電力監控系統設計有客戶端/服務器(Client/Server，C/S)結構，同時還具有能夠支持Web瀏覽，即瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)的結構。該系統采取變電所的一次主設備實現“五遙"功能，即遙測、遙信、遙控、遙調以及遙視，同時實時采集、低壓開關柜的相關電氣監測數據，通過、低壓柜的運行數據判斷負載設備的運行情況，對二次設備助設備實現遠程控制和管理，并與煤礦安全監測系統進行數據交互，實現對電力系統的全面智能管理。
2.2系統的結構與組成
系統的設計采用了分布式、模塊化思想，主要分成5層，如圖1所示，分別是設備層、間隔層、控制層、管理層以及決策層。控制層和間隔層通過以太網傳輸控制協議/網際協議(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP)進行數據傳輸；間隔層和設備層通過Modbus-RTU和ModBus協議進行通信。充分考慮數據傳輸方式的不同，對數據傳輸標準進行統一，根據現場不同的系統來實現各煤礦的電力監控功能。
設備層主要包含一些電力系統采集設備的終端，如電力保護裝置、功能儀表、電力監測裝置等。電力監控系統的間隔層設備采用間隔分散式的安裝方法，各設備之間相互獨立，僅通過通信網絡連接。井下間隔層設備通常采用Modbus-RTU和ModBus協議進行通信Modus-RTU通過井下電力分站就近接入井下控制環網交換機，通過光纖接入地面生產指揮中心。控制層包括主站監控系統、通信服務器，其中主站監控系統完成數據實時采集、數據處理、遠程控制等功能，通信服務器完成網絡轉換、智能設備接入和遠程主站通信。在信息層構建自動化數據展示平臺，通過面向對象技術，對于安全性能、監測數據等不同的信息完成綜合處理，從而為科學決策和效管理提供參考。管理層主要作為生產過程中的執行系統，主要包括集成平臺管理、運行維護、設備運行管理以及生產數量控制等多個功能。通過對生產過程的精細化管理，能夠有效解決管理層與過程控制層中存在的斷層問題，從而提升作業管理效率，提信息化水平。決策層根據信息層匯報的監測信息，并結合實際情況做出決策。決策的實施需要各個部門協同工作，并綜合子系統的各項信息，實現數據的快速整合，終形成一個科學合理的決策方法。
系統能夠兼容多種協議形式的監測監控設備，與多個系統進行數據交互。系統以變電所為單元，變電所的功能是將數據通道接入主傳輸通道。系統還具有歷史趨勢曲線打印、報表查詢等功能，按用戶要求可以定制各種報表、圖形與曲線。應用數據共享，實現信息網絡發布自動報警和預測分析功能。此外，結合視頻監控系統、門禁系統，實現地面、井下變配電無人值守、有人巡視的目的。
2.3子系統接入設計
2.3.1子系統接入方式
根據子系統的設計特點，可以應用3種接入方式。
(1)上位機接入。該方式是在服務器的幫助下，過以太網和對象鏈接與嵌入的過程控制(OLEforProcessControl，OPC)等接口協議完成和子系統主機之間的信息交換。
(2)可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicCantroller，PLC)接入。對于自動化控制系統而言，利用服務器通過以太網和PLC接口相連，并且安裝在采集服務器的OPCServer中，實現和生產綜合監控系統服務器之間的信息交換功能。
(3) 嵌入式控制接入。對于嵌入式控制的子系統，利用內部的OPCServer，服務器通過以太網和接口協議實現子系統之間的連接。根據智能礦山子系統的設計特點，采用PLC接口方式，當子系統接入后，把采集好的數據信息進行整合與分析形成表格，從而為管理層的決策提供參考。
2.3.2數據交互方式
數據交互方式主要包括3種，分別為OPC、開放數據庫互連(OpenDatabaseConnectivity，ODBC)、文件傳輸協議(FileTransferProtocol，FTP)。其中，OPC通過微軟組件技術進行設計，利用C/S架構模式，能夠處理本地與網絡等節點的服務器信息，監控系統能夠對數據進行直接讀取，安全性較。ODBC以數據庫為基礎進行交互，雖然實時性較差且效率比較低，但是可以根據數據結構，通過訪問數據接口，把實時性較差的數據寫入對應的數據庫表中，使得電力監控系統能夠獲取數據庫接口，完成信息的獲取。FTP是一種基于文件的交互方式，它的實時性較差，工作效率低，主要是作為傳輸工具將設置好的文件格式傳輸到采集服務器中，便于電力監控系統完成數據解析。
3智能電力監控系統的發展方向
3.1傳感控制器的發展
在電力監控系統工作的過程中，傳感控制器起到了非常重要的作用，保障好傳感控制器的穩定性和安全性非常重要。現階段，常用的傳感器基本能夠滿足電流、電壓等生產需要，但是仍然存在一些問題需要引起度的關注。在傳感器的壽命、性能、可靠性等方面，和國外的相關產品對比，仍然需要進一步改進。為了滿足整體生產的性能要求，需要加強對傳感控制器的研究和改進。
3.2引入監測煤礦新技術
現階段，電力監控系統基本能夠滿足運行的需求，但是在安全系數等方面，其性能依然具有一些缺陷，如一些產品存在跳閘、定位速度慢等問題。針對這一問題，需要加強對目標技術的研究與設計。此外，通過斷流的方式可以避免出現由于電壓波動而停電的問題。壓選擇性漏電保護系統不會受到電弧電源等因素的影響，并且對過渡電阻有著較強的抵抗性和靈敏度。這些技術都在一定程度上提升了系統的安全性，增強了數據處理和采集的能力。
3.3對電力監控系統中主站的改進
在礦山的電力監控中心，可以安裝6臺監控服務器和級工業電力監控計算機，從而避免出現計算機病毒破壞等問題。此外，為了進一步提監控系統的可靠性和安全性，可以應用Linux中文操作系統進行升級與安裝，主要包括千兆網絡交換服務器、光纖網絡交換服務器、電源系統以及信息發布系統等。
4.安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案
4.1概述
針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。
Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。
4.2應用場所
適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。
4.3系統架構
Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。
4.4系統功能
（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、告警等信號。
（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。
（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。
（4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。
（5）實時告警：具有實時告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。
（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
（7）電能統計報表：系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況。
（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。
（9）網絡拓撲圖：支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。
（10）電能質量監測：可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。
（11）遙控功能：可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。
（12）故障錄波：可在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
（13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩態信息。
（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。
（15）APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。
4.5系統硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | |
電力監控系統 | Acrel- 2000Z |
| 電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
| |
網關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持斷點續傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GBSD卡（32GB）、支持不同協議向多平臺轉發數據；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC220V，導軌式安裝。 | |
35kV/10kV/6kV 微機保護裝置 | AM6-*AM5SE-* |
| 適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/備自投等中壓柜微機保護 | |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監測（4組）、11個跳閘出口； | |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | |||
ARB5-S |
| 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域； | ||
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議。 | |
35kV/100kV/6kV 壓柜智能操控、 節點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； | |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； | |
35kV/10kV/6kV 壓柜除凝露溫濕度控制器 | WHD72面板式 |
| 支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 | |
WHD20R導軌式 |
| 支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 | ||
變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； | |
0.4KV低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
|
無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | |
ATE400 |
|
合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | ||
0.4KV低壓柜內環境溫濕度 | AHE100 |
|
無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換） | |
ATC600 |
|
兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸的數據，1路485,2路報警出口。 | ||
0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表 | AEM96 |
| 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露 | |
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表 | AEM72 |
| 三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 | |
5結論
通過對智慧礦山智能電力監控系統應用方法開展研究，智能電力監控系統的應用和改進能夠實現地下變電站的無人看守，不僅減輕了工作人員的工作壓力，提升了工作效率，而且提了礦山供電網絡的自動化水平。隨著智慧礦山的發展，要求煤礦電力監控系統要向著網絡化、集成化的方向發展，同時融合控制技術、數據庫技術、計算機技術等多種智能化技術。因此，要合理應用智能電力監控系統，給生產提供重要的安全保障，促進煤炭企業的可持續發展。
參考文獻
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[4]周永亮.基于智能礦山電力監控系統應用方法的探討
1. 【技術支持衛星：CDD-9888】【公從號：安科瑞能效管理解決方案】
2. 云平臺：變電所運維云平臺、分布式光伏運維云平臺、建筑能耗云平臺、企業能源管控平臺、遠程預付費管控云平臺、宿舍預付費管控云平臺、充電樁收費運營云平臺、智慧消防云平臺、安全用電管理云平臺、環保用電監管云平臺；
3. 系統解決方案：變電站綜合自動化系統、電力監控系統、配電室綜合監控系統、能耗管理系統、電能管理系統、馬達保護與監控系統、動環監控及能效分析系統、智能照明監控系統、消防設備電源監控裝置、防火門監控系統、余壓監控系統、消防應急照明和疏散指示系統；無線測溫系統；
4. 中壓測控裝置：環網柜綜合保護裝置、微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、線路保護裝置、配電變保護裝置、電動機保護裝置、備自投保護裝置、電容器保護裝置、PT檢測裝置、低壓備自投裝置、公共測控裝置、防孤島保護裝置、電流互感器過電壓保護器、溫濕度控制器、無源無線測溫傳感器、CT取電無線測溫傳感器；
5. 電力監控與保護：弧光保護裝置、電能質量在線監測裝置、電氣接點在線測溫裝置（智能濕度巡檢儀）、電動機(馬達）保護器、低壓線路保護器、智能剩余電流繼電器、三遙單元；
6. 電能管理：可編程交流電測儀表、可編程直流電測儀表、多功能全電量電表、精度網絡電力儀表、諧波表、電能質量表、海拔儀表、逆電流監測電表、電子式電能表、導軌式電能表、面板表嵌入式電表、預付費表、多用戶計量箱、物聯網儀表、無線多回路計量交流/直流表、無線多回路環保檢測模塊、正反向直流電能表、無線通訊轉換器、智能照明控制裝置；
7. 電能質量治理：有源電力濾波器、中線安防保護器、諧波保護器、靜止無功發生器、濾波補償裝置、電力電容補償裝置、集成式諧波抑制電力電容補償裝置、投切開關、功率因數補償控制器、自愈式低壓并聯電容器、串聯電抗器；
8. 電氣安全：電氣火災監控探測器、剩余電流探測器、電氣火災監控裝置、在線監控路燈計量、無線測溫顯示單元、故障電弧探測器、故障電弧傳感器、隔離電源絕緣監測裝置、醫療機構絕緣報警顯示儀、醫療醫院用隔離變壓器、工業用絕緣監測裝置、電氣防火限流式保護器；
9. 新能源：光伏采集裝置、電瓶車智能充電樁、汽車充電樁、光伏匯流采集裝置；
10. 數據中心/鐵塔基站：數據采集模塊、機房數據柜監控裝置、多回路電表、母線監控裝置、電力監控屏；
11. 智能網關：通信管理機、無線通信終端（無線通訊轉換器）、數據轉換模塊、串口服務器；
12. 電量傳感器：低壓電流互感器、開口式互感器、一次小電流互感器、0.2級電流互感器、低壓電動機保護器專用互感器、剩余電流互感器、霍爾傳感器、羅氏線圈電流變送器、模擬信號隔離器、有功功率變送器、無功功率變送器、直流電壓傳感器、浪涌保護器；
13. 環保監控：油煙在線監測儀、環保數據采集傳輸裝置；
衛星：CDD-9888（分享資源 合作共贏）
