基于工业以太网和现场总线的煤矿电网监控系统的应用

1 引言

煤矿供电质量对矿井安全和正常生产有着直接影响，随着采煤机械化程度的提高，煤矿供配电系统运行的可靠性和合理性显得更为重要。完善的电力监控系统可以有效地保证井下电网的安全运行，并能实现供电的“移峰填谷”，给煤矿带来巨大的社会和经济效益[1]。

我国很多煤矿所使用的供电系统还都是原始的人工停送电模式，暴露出生产成本和管理模式上的种种不足。随着电子信息技术、自动化技术和网络技术在煤炭行业应用的逐渐成熟，建立一套基于工业以太网和现场总线的矿井供电监控系统已经是煤炭行业发展的大趋势。本文阐述了基于工业以太网和现场总线的煤矿电网监控系统在戚家坡煤矿的具体应用。该系统能够实现对井下及地面各变电所供电系统的远程监控功能，不仅可以降低生产成本，而且提高了工作效率，具有推广应用价值[2]。

2 工业以太网和现场总线技术

工业以太网是一种符合ieee802.3（以太网）和802.11（无线局域网）标准的高性能的局域网络。通过工业以太网，用户能建立高性能宽范围通讯网络。随着互联网技术的发展与普及推广，ethernet传输速率的提高和ethernet交换技术的发展，使ethernet全面应用于工业控制领域。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体的综合自动化功能。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统[1,3,4]。

3 基于工业以太网和现场总线的电网监控系统的构成

根据系统功能需要，本系统采用工业以太网加现场总线的结构模式，由监控计算机、变电所监控站、综合保护单元等组成。电网监控系统采用分层分布式结构，按纵向分为调度中心层、电网监控中心层、网络层和现场设备层。

（1）调度中心层：通过调度中心主机将电网监测数据集成在矿井综合自动化系统，实现电网监测，便于集中调度与管理，调度中心通过工业以太环网与电网监控中心实现互联。

（2）电网监控中心层：为电网监测监控的主站，采用分布式、开放式的设计，组态完成站内监控功能，全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。主要由操作员工作站（一用一备）及工程师工作站组成，对于事故分析处理指导和培训等专家系统，以及用户要求的其它功能的工作站则可根据需要增减。电网监控中心通过工业以太环网与网络层通讯管理机实现互联。

（3）网络层：主要完成调度中心层与电网监控中心层、电网监控中心层与现场设备层、现场设备层之间的通讯，采用工业以太环网与rs485总线，标准的iec60870-5-103通讯规约，通讯介质选用屏蔽网线及光纤。 [page]

（4）现场设备层：保护测控装置、自动装置层。它对相关设备进行保护、测量和控制。各间隔单元均保留应急手动操作跳、合手段，各间隔单元互相独立、互不影响，通过通信网互联，并同电网监控中心层的设备通信，取消了原本大量引入主控室的信号、测量、控制、保护等使用的电缆，节省投资，提高系统可靠性。

系统主干信道是光纤以太环网到各变电所，通过网络交换机的数据接口将变电所开关数据接入主传输系统；在变电所内安装电网监控站，采用现场总线rs-485方式采集变电所开关设备的运行参数和状态，实现就地集中数据监测和设备控制的功能，主站对采集到的信息进行处理，集中上传到系统主机。井下变电所内开关设备的运行参数和状态通过综合保护单元采集并输出，电力监控站和开关综合保护单元之间采用rs-485(隔爆设备信号输出通过安全隔离器作本安隔离处理)，变电所的电力参数数据通过以太网传输到电力监控系统后台[1,5]。

3.1电网监控中心和地面变电所

戚家坡煤矿地面共有1个35kv变电所，3个配电室。在35kv变电所构造全矿电网监控中心。该监控中心有2套hs5000全矿电网监控主站系统，2台hsx5020通讯管理机、1套gps对时系统、1套模拟屏。通讯网络利用现有综合自动化环网平台。

图2 电网监控中心及地面变电所结构图

3.1.1地面35kv变电所

将35kv保护屏上保护装置、6kv开关柜上保护装置、6kv无功自动补偿装置、0.4kv进线及0.4kv母联保护装置、gps对时系统等通过485总线接口接入1#通讯管理机，通讯管理机以以太网通信方式进35kv主控室环网交换机。

3.1.2副井绞车房配电室

将6kv开关柜上保护装置通过485总线接口接入35kv主控室2#通讯管理机，通讯管理机以以太网通信方式进35kv主控室环网交换机。

3.1.3制氮机房配电室

将0.4kv进线及0.4kv母联保护装置等通过485总线接口接入35kv主控室2#通讯管理机，通讯管理机以以太网通信方式进35kv主控室环网交换机。

3.1.4风机房配电室

将0.4kv进线及0.4kv母联保护装置等通过485总线接口接入35kv主控室2#通讯管理机，通讯管理机以以太网通信方式进35kv主控室环网交换机。

3.2井下变电所

戚家坡煤矿井下共有3个变电所，分别是中央变电所、北翼采区变电所和南采区变电所。

3.2.1中央变电所

在6kv矿用一般型开关柜上使用1台hsx5020通讯管理机，将6kv综合保护装置通过485接口组成总线型式(隔爆型接线盒)；低压0.66kv进线及母联通过485接口组成总线型式(隔爆型接线盒)，均接入通讯管理机，转换为以太网接入变电所环网分站。 [page]

3.2.2北翼采区变电所和南采区变电所

北翼采区变电所共有14台高爆的保护装置为hw3000型微机保护测控装置，并在环网分站内使用通讯管理机1台；南采区变电所共有17台高爆的保护装置为hw3000型微机保护测控装置，在环网分站内使用通讯管理机1台，均符合无人值守变电站微机保护测控单元功能要求。

6kv高爆的保护装置通过485接口组成总线型式(隔爆型接线盒)、660v低爆保护装置通过485接口组成总线型式(隔爆型接线盒)，均接入通讯管理机，转换为以太网接入变电所环网分站。

4 电网监控系统主要功能

4.1数据采集与预处理

系统通过前置机与各受控站设备通讯，完成数据采集与设备控制任务，并负责向各受控站校对时钟。系统能够实时采集遥测量(电压、电流、功率、功率因数、电度等)与遥信量(断路器刀闸位置、保护自动装置动作信号等)数据。采集的信息在这里经过预处理后存储到系统实时数据库中供其它模块使用。本系统支持多种部颁规约（如cdt、1801、101、104等），并支持前置机主备冗余与通道主备冗余。

4.2开放的数据接口系统

系统可以把采集和计算的数据提供给其它系统，可以采用标准通讯方式、sql历史数据访问方式、api接口方式。标准通讯方式可以将系统数据转发给上级调度或模拟屏等系统；sql访问方式和api接口方式可以将系统数据提供给mis系统。

4.3画面制作与运行状态监视

通过绘图软件（utgraphic）可以制作各受控站主接线图、地理图、光字牌，定义各种类型曲线、棒图、饼图，可以自行定义各种图元（变压器、接地线、断路器、隔离刀闸等），可以在图形中定义各种动态关联点（遥信量、遥测量等）。

绘制好的图形可以在系统运行时由人机界面程序显示，其中的动态点可以根据现场实际情况动态显示。

4.4控制和调节

控制命令分遥控遥调两类，遥控一般用于控制断路器的合分，遥调用于控制主变分接头位置。每次控制过程均产生一条控制记录，包括操作人、监护人、控制内容、控制结果。该记录可以通过操作事件查询来观看，操作事件可以打印到打印机。

4.5报警管理

包括两类报警信息：变电站运行事件信息（遥信变位、遥测越限），监控系统内事件信息（如网络通讯故障）。当报警事件发生时系统自动弹出报警窗口，同时伴有语音、音响报警，并可同时打印到打印机。

4.6数据处理

对于采集的数据可以进行进一步的统计、计算、旁代处理。

4.7自诊断

本系统包括一个独立的自诊断模块，该模块可以发现系统内实时运行程序的各类故障。当其发现某一模块有问题时可以自动终止该模块的运行，并重新启动该模块，恢复系统的正常运行。

4.8报表管理

报表分定时报表和召唤报表，定时报表在用户指定的时间时刻自动生成，召唤报表在用户手工召唤时生成报表。

可以定义各类日报表、月报表、季报表，这些报表都可以设置是定时打印还是召唤打印。

对于召唤报表，可以在报表生产后直接修改报表中的相应数据，修改结果可以保存到数据库中。

5 结论

戚家坡煤矿应用基于工业以太网和现场总线的煤矿电网监控系统后，该矿的井下及地面各变电所供电系统实现了远程监控，达到无人值守。实践证明，该系统不仅可以降低生产成本，而且还提高了工作效率，具有推广应用的价值。同时该系统具有通讯技术先进、功能丰富实用、性能安全可靠以及可扩展性强等优势，必将在煤矿电力系统运行监控和数据采集、统计方面发挥重要作用。

作者简介
韦耀杰(1983-) 男 硕士研究生，现就读于中国矿业大学信息与电气工程学院，研究方向为电力系统无功功率补偿。

参考文献
[1]訾兴建，许中．基于工业以太网与现场总线的煤矿电力监控系统[j]．煤炭工程，2010(2)：115~117．
[2]李大锋，赵帅，吴峰．基于工业以太网的煤矿电力监控系统的应用[j]．工矿自动化，2011(1)：84~86．
[3]乔贝贝，姜军，苗金矿，张文科等．矿井综合自动化系统在赵固一矿的应用[j]．工矿自动化，2011(5)：93~95．
[4]顾苑婷．工业以太网和can现场总线在煤矿监控系统上的应用研究[d]．上海交通大学硕士学位论文，2007（12）．
[5]刘国军. 成庄煤矿供电自动化系统的技术改造[j]. 煤矿机电，2009，(1):79~81.(end)