浅谈基于工业以太网的煤矿10 kV电网监控系统的设计与应用

时间：2021-11-29

摘要：为了提高煤矿供电系统的安全性和可靠性，适应现代化矿井建设，构建了基于工业以太环网的煤矿电网监控系统，重点介绍了系统的设计方案、结构、功能，给出解决越级跳闸和自适应漏电保护等相关技术。该系统经实际应用，实现了井下7个配电室的远程集中监控、遥控、遥测、遥信、遥调等功能，提高了煤矿生产自动化水平，强化了矿井电网安全，防止井下大面积停电和越级跳闸等事故的发生，缩短故障处理时间，为较终实现井下变电所无人值守创造了条件。

关键词： 工业以太网；电网监控；越级跳闸

0引言

新元公司现有3个地面变电站，分别为110 kV变电站、*风井35 kV变电站、韩庄风井35 kV变电站。110 kV变电站位于工业广场内内，担负新元公司工业广场10 kV、*风井35 kV、韩庄风井35kV变电站的供电任务。矿井人井10 kV电缆共计13趟(包括风机*系统)，电源分别引自*风井场地35 kV、韩庄35 kV、工业场地110 kV变电所。井下10 kV配电室有9个，各变电所两回路电源电缆任一回路停运时，另一回路仍可满足其所带全部负荷的需要。为满足集团公司推进现代化矿井发展的需要，有效实现电网系统的安全可靠运行，新元公司于2014年开始进行电网监控系统的建设，经过近一年的运行，基本实现了井下电网系统7个配电室的远程集中监控、就地和远程操作，实现了“四遥”功能。

1新元煤矿电网监控系统

1．1 系统结构

新元煤矿井下电网监控系统主要由地面监控中心、以太网数据交换中心、地面保护主机、井下数据传输分站、高爆开关综合保护器、相关组态软件和其它辅助设备构成，井下电网监控系统示意图如图1所示。

1．2系统构建

（1）新元公司电网监控系统地面*风井35 kV变电站和110 kV变电站共计接人6台人井线路保护装置。井下电网监控系统接入井下7个配电室，分别是：*配电室、煤仓配电室、南区*配电室、集中胶带巷配电室、9“煤*配电室、西一和西二配电室。

（2）将井下7个配电室约90台高开综合保护器更换升级为ZBT—llc型级联纵差综合保护器，该保护器是具有消除越级跳闸功能的新一代高开综合保护器，它集保护、测控、通信、故障录波、电能计量统计分析、谐波含量分析功能于一体。低压馈电开关保护器更换为能够和IQl37电网自动化系统通信的智能综合保护器。目前使用的低压馈电开关均能实现和电网自动化系统通信。

（3）分别在井下7个配电室安装KJ360一F矿用隔爆型电力监控分站，将配电室内的高低压开关与监控分站联接，就地实现高低压设备集中控制，同时，安装视频摄像头，实现遥视功能；另一方面通过矿用千兆环网将保护器数据上传至地面调度中心，实现远程“四遥”监控功能。

（4）地面机电调度和井下*配电室均设置一监控中心(能够实现地面井下实时监控)，保证地面调度指挥与井下人员操作实时一致，监控中心包括：地面调度中心监控主机、井下监控中心主机、网络交换机、打印设施等。

（5）在井下配电室安装DXBl27／127矿用隔爆型电源，为保护器和电力通信分站或网络交换机提供可靠的工作电源和操作电源，保证在电网波动和交流失电情况下维持设备正常工作。

（6）在地面调度中心、井下*配电室、综合楼机电队办公室安装电力监控客户端，在地面信息中心机房设置电力监控(**通信)服务器2台，安装**的KJ360电力组态专业软件，采用双机热备的工作方式，实现地面调度中心对地面、井下高压供电系统的远程监控

2主要功能

（1）实现地面调度中心对井下电网的实时监测功能，监测高、低压供电系统每个回路的电流、电压、绝缘电阻、有功电量、无功电量、开关分合位置、保护信号、室内视频、室内温度等实时状态。同时预留接口，能够实现与地面供电系统的衔接。

（2）对供电系统及网路传输系统中各种保护信息进行实时告警，当发生开关跳闸、保护动作、网络传输中断等事件时，将自动调出故障所在的画面，具备故障闭锁、事件记录、查询功能。

（3）根据权限设置，分级实现开关分合闸操作管理、定值管理、电量管理、报表管理、历史数据管理、故障录波分析与打印、规约转换、数据转发等功能。

（4）通过地面调度中心安装的**通信服务器和液晶显示器，井上、井下变电所可进行通信，显示井下变电所的视频信息，并可实现人机交互操作。此外还有历史数据存储与检索功能、曲线存储与检索功能、报表设计与检索打印功能、图形画面组态功能、web浏览功能、设备档案管理和自诊断报警功能等

3 电网监控系统相关技术

3．1 分布式智能速断防越级保护系统

系统建设中，主要是升级改造保护器为防越级保护器，安装防越级交换机，搭建光纤纵差通道。防越级保护系统组网示意图如图2所示

3．1．1基本原理

采用网络化基因图谱算法，利用开关间自主交换故障信息进行协商的形式，自主判断故障区段，实现全网零秒速断，以达到防越级跳闸的目的。

3．1．2主要特点和效果

可实现级联纵差保护、母差保护、三段式过流、零时延智能后备保护。该系统保护分散，可就地安装，独立跳闸，符合国家电网公司的要求。系统具有分布式无主网络结构，对通信依赖小，故障信息自主协商，风险分散，可靠性高。系统分层、分布式光纤网络设计，保护功能就地完成，可靠性高。变电所间级联纵差保护可避免站间越级，母线故障快速动作差动保护可防止电网扰动，“T”接线差动可满足“一拖多”供电网络，零时延智能后备保护可消除传统后备保护时间累积效应的缺点，光纤纵差通道实时监控、动作行为实时监控。

3．1．3实现方式

利用分散安装的ZBT．1 1 C级联纵差保护器，通过保护信息网快速交换信息，快速判断故障区段，可准确快速切除距故障较近的上级开关，达到防越级跳闸的目的。

3．2激励式自适应漏电保护系统

传统的漏电保护方法是以接地电流本身的故障特征作为故障判据，由于井下电网运行方式变化较大，历次接地时，接地电流特征都不稳定，造成了以接地电流特征为判据的漏电保护经常起不到作用，故采用激励式自适应漏电保护系统。激励式自适应选择性漏电保护系统由SY3603智能选漏保护终端、SY3601信号注入装置、高爆开关中的ZBT一11C级联纵差综合保护器构成。ZBT．11 C、SY3603安装在井下高压开关中，SY3601安装在地面10 kV变电所中，每段母线安装一台SY3601信号注入装置。信号注人装置在探测到有接地故障时，向接地相注入特殊信号(非工频信号)，经分散安装的高开综合保护器检测，信号量值达到设定值时，即判定为线路接地，漏电保护跳闸。SY3600煤矿电网漏电保护系统如图3所示

3．3 瞬时失压误动缺陷的完善

煤矿井下电网在遭受雷击、大负载类设备启动、出口处短路等情况时，容易造成电网电压瞬间波动或下降，继而无压释放线圈误动，引起井下大面积开关跳闸。为了解决这个问题，为每台高压防爆开关配置一台KYD-01瞬时失压智能控制模块，保证交流失压情况下，在0～5 S内维持无压释放线圈正常工作，母线瞬时失压时，高压防爆开关不会误动跳闸。KYD-01智能无压释放线圈控制模块由开关电源模块、单片机延时控制电路、控制及告警电路、智能电容充放电回路组成，其电源额定电压为交流100 V，源电压波动范围为75％～110％，额定输出电压24 V，保持时间0—5 s可调，级差0．5 S，无压时，可输出常闭接点，供自动化系统报警使用。瞬时失压智能控制模块原理如图4所示

4解决对策

（1）山源KJ360矿用电力监控系统与磐能综合保护器配合的问题。由南京磐能公司将分站通讯协议改为常用的MODBUS通讯协议，修改后系统运行正常，解决了保护器“死机”或不通信问题。

（2）高压防爆开关远程操作拒动问题。根据检修计划，在总调度控制室有计划地对井下所有高压防爆开关进行远程分合闸操作，发现有6台次4台高压防爆开关出现分合闸拒动情况。经查，4台次拒动是开关本身机构问题，2台次拒动是山源监控分站与磐能综合保护器之间衔接出现问题，通过分析和检查，解决了问题。

（3）电力监控系统不能启动问题。煤矿信息中心机房2台电力监控服务器监控系统出现不能启动问题，显示数据库连接异常，导致整个电力监控系统不能正常运行。将服务器1 SQL server 2008数据库配置更改为SQL server和windows混和身份验证模式，服务器2重新导人系统数据库文件，重新配置服务器双机热备。通过处理，系统可正常运行，服务器实现双机热备模式。

（4）人员培训问题。针对运行阶段出现的系统管理与操作人员不能适应新装备、工艺的问题，新元公司机电系统已制定出培训计划及修改相应制度、规程，以保证电网集控系统能够稳定运行。

5 安科瑞配电室环境监控系统的介绍与选型

5.1简介

安科瑞电气股份有限公司根据配电室实际情况，结合多年的变电站和配电室的运行管理经验，*了安科瑞配电室综合监控系统，实现了智能开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、电流电压等负载运行监控、母线测温监测、电缆测温监测、环境监测、有害气体监测、安防监控、采暖通风、门禁、灯光、风机、除湿机、空调控制等功能。实现动力环境各数据的检测与设备控制，实现动力环境优化，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员，延长设备使用寿命，减少配电室粗放式管理导致成本过高，同时实现配电动力环境的分布式远程管理。

5.2系统功能

5.2.1 通信管理

安科瑞智能配电室综合监控系统可以完成对整个配电室范围内的通信设备进行管理、添加、删除、控制和数据的实时监测。

5.2.2实时监测

安科瑞智能配电室综合监控系统人机界面友好，能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，如视频、温度、湿度、漏水/水浸、水位、有害气体和电参量等。实时显示有关故障、告警等信息。

5.2.3 数据查询

在人机界面中，可以直接查看配电室个设备的运行数据。

5.2.4曲线查询

在曲线查询界面，可以直接查看遥测参量曲线，包括温度、湿度、水位、有害气体、电压、电流等曲线。

5.2.5运行报表

查询配电室内设备的运行数据报表，包括日报表、月报表、年报表和查询报表等。

5.2.6实时告警

科瑞智能配电室综合监控系统具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。告警如右图所示：

5.2.7 历史事件查询

安科瑞智能配电室综合监控系统能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。

5.2.8 用户权限管理

为**系统稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的**。

5.2.9网络拓扑图

安科瑞智能配电室综合监控系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构。可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

5.2.10遥控操作

安科瑞智能配电室综合监控系统可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

5.3Acrel-2000E/B配电室环境监控系统推荐配置选型

6结语

（1）新元煤矿井下电网监测监控系统在保证整个电网系统可靠性、安全性的前提下，实现了井下电网自动化远程监测监控管理。

（2）系统采用分布式智能速断保护原理，纵差保护作为主保护，零时限智能后备作为远后备保护，实现防越级跳闸的功能

（3）激励式自适应漏电保护系统克服了传统漏电保护方法中以接地电流本身的故障特征作为故障判据的局限性。

（4）井下7个高压配电室及主要低压供电系统实现就地监控的同时，通过工业环网将保护器数据上传至地面调度中心，实现遥测、遥信、遥控、定值遥调、遥视功能，达到集中监控，具备了无人值守条件。

（5）各配电室及变电站的电力监控分站通过矿用千兆工业环网平台将各配电室开关信息上传到信息中心服务器，较终实现地面信息中心两台服务器、矿井总调客户端、机电队办公室客户端、井下*配电室客户端对井下各开关的远程集中控制，实现了“地面控制为主，井下监控控制为辅”的控制模式。

参考文献：

[1]王建文．防越级跳闸在煤矿供电系统的应用[J]．山西焦煤科技，2014(2)：52．

[2]张利军，孙瑞平．基于工业以太网的煤矿10 kV电网监控系统的设计

[3]安科瑞Acrel-2000EB配电室综合监控系统2020.04版

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