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(chǎn)環(huán)節(jié)的管理等。隨著智能化技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化信息技術與自動控制技術也不斷發(fā)展，對智能礦山的建設提出了更高的要求。傳統(tǒng)的礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)一般應用計算機網(wǎng)絡技術，不能實現(xiàn)井下設備的控制，無法及時反饋環(huán)境信息和設備情況等。因此，在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，通過大數(shù)據(jù)技術和云計算等完成礦井監(jiān)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(chǎn)業(yè)務的管理水平。由此可見，對基于智能礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)應用方法進行研究具有重要意義。
1礦山電力監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題
目前，雖然對電力監(jiān)控系統(tǒng)及相關設備做了很多研究，但是缺少對數(shù)據(jù)的合理應用，而且數(shù)據(jù)庫需要存儲大量關于電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測值，這也是電力監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的重點問題。在實際應用過程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下問題。
(1)工作人員不能根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)安全隱患。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測礦下的信息參數(shù)，不能很好地處理異常數(shù)據(jù)，且缺少對數(shù)據(jù)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(shù)。
(2)缺少對安全監(jiān)控信息的深入分析與利用。大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)成為廣泛應用的數(shù)據(jù)分析方法，能夠找出數(shù)據(jù)背后的價值信息，從而為科學決策提供依據(jù)，在各個行業(yè)當中都有著廣泛的應用。煤礦開采也要加強對數(shù)據(jù)信息的分析與應用，保證監(jiān)控的多元融合。
(3)預測模型的智能化程度低。電力監(jiān)控系統(tǒng)主要注重對安全信息的監(jiān)測與控制，并進行簡單反饋，不能實現(xiàn)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(qū)域斷電等功能需要進一步完善，所以要提高電力監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。
2基于智慧礦山智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計
2.1系統(tǒng)設計
電力監(jiān)控系統(tǒng)采用了3種技術，分別是自動化技術、計算機網(wǎng)絡技術以及信息化技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等多種功能于一體，具有開放式、網(wǎng)絡化、模塊化、組態(tài)化的特點。電力監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)采取變電所的一次主設備實現(xiàn)“五遙"功能，即遙測、遙信、遙控、遙調以及遙視，同時實時采集高、低壓開關柜的相關電氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過高、低壓柜的運行數(shù)據(jù)判斷負載設備的運行情況，對二次設備助設備實現(xiàn)遠程控制和管理，并與煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的全面智能管理。
2.2系統(tǒng)的結構與組成
系統(tǒng)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?？刂茖雍烷g隔層通過以太網(wǎng)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP)進行數(shù)據(jù)傳輸；間隔層和設備層通過Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進行通信。充分考慮數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，對數(shù)據(jù)傳輸標準進行統(tǒng)一，根據(jù)現(xiàn)場不同的系統(tǒng)來實現(xiàn)各煤礦的電力監(jiān)控功能。
設備層主要包含一些電力系統(tǒng)采集設備的終端，如電力保護裝置、功能儀表、電力監(jiān)測裝置等。電力監(jiān)控系統(tǒng)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(wǎng)絡連接。井下間隔層設備通常采用Modbus-RTU和ModBus協(xié)議進行通信Modus-RTU通過井下電力分站就近接入井下控制環(huán)網(wǎng)交換機，通過光纖接入地面生產(chǎn)指揮中心?？刂茖影ㄖ髡颈O(jiān)控系統(tǒng)、通信服務器，其中主站監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)處理、遠程控制等功能，通信服務器完成網(wǎng)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(shù)據(jù)展示平臺，通過面向對象技術，對于安全性能、監(jiān)測數(shù)據(jù)等不同的信息完成綜合處理，從而為科學決策和高效管理提供參考。管理層主要作為生產(chǎn)過程中的執(zhí)行系統(tǒng)，主要包括集成平臺管理、運行維護、設備運行管理以及生產(chǎn)數(shù)量控制等多個功能。通過對生產(chǎn)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(yè)管理效率，提高信息化水平。決策層根據(jù)信息層匯報的監(jiān)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(xié)同工作，并綜合子系統(tǒng)的各項信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速整合，*終形成一個科學合理的決策方法。
系統(tǒng)能夠兼容多種協(xié)議形式的監(jiān)測監(jiān)控設備，與多個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)以變電所為單元，變電所的功能是將數(shù)據(jù)通道接入主傳輸通道。系統(tǒng)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(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡發(fā)布自動報警和預測分析功能。此外，結合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)地面、井下變配電無人值守、有人巡視的目的。
2.3子系統(tǒng)接入設計
2.3.1子系統(tǒng)接入方式
根據(jù)子系統(tǒng)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(wǎng)和對象鏈接與嵌入的過程控制(OLEforProcessControl，OPC)等接口協(xié)議完成和子系統(tǒng)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(tǒng)而言，利用服務器通過以太網(wǎng)和PLC接口相連，并且安裝在采集服務器的OPCServer中，實現(xiàn)和生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務器之間的信息交換功能。
嵌入式控制接入。對于嵌入式控制的子系統(tǒng)，利用內部的OPCServer，服務器通過以太網(wǎng)和接口協(xié)議實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的連接。根據(jù)智能礦山子系統(tǒng)的設計特點，采用PLC接口方式，當子系統(tǒng)接入后，把采集好的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交互方式
數(shù)據(jù)交互方式主要包括3種，分別為OPC、開放數(shù)據(jù)庫互連(OpenDatabaseConnectivity，ODBC)、文件傳輸協(xié)議(FileTransferProtocol，F(xiàn)TP)。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(wǎng)絡等節(jié)點的服務器信息，監(jiān)控系統(tǒng)能夠對數(shù)據(jù)進行直接讀取，安全性較高。ODBC以數(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)結構，通過訪問數(shù)據(jù)接口，把實時性較差的數(shù)據(jù)寫入對應的數(shù)據(jù)庫表中，使得電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠獲取數(shù)據(jù)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?shù)讲杉掌髦?，便于電力監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)解析。
3智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向
3.1傳感控制器的發(fā)展
在電力監(jiān)控系統(tǒng)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(wěn)定性和安全性非常重要?，F(xiàn)階段，常用的傳感器基本能夠滿足電流、電壓等生產(chǎn)需要，但是仍然存在一些問題需要引起高度的關注。在傳感器的壽命、性能、可靠性等方面，和國外的相關產(chǎn)品對比，仍然需要進一步改進。為了滿足整體生產(chǎn)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(jiān)測煤礦新技術
現(xiàn)階段，電力監(jiān)控系統(tǒng)基本能夠滿足運行的需求，但是在安全系數(shù)等方面，其性能依然具有一些缺陷，如一些產(chǎn)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(xiàn)由于電壓波動而停電的問題。高壓選擇性漏電保護系統(tǒng)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(tǒng)的安全性，增強了數(shù)據(jù)處理和采集的能力。
3.3對電力監(jiān)控系統(tǒng)中主站的改進
在礦山的電力監(jiān)控中心，可以安裝6臺監(jiān)控服務器和高級工業(yè)電力監(jiān)控計算機，從而避免出現(xiàn)計算機病毒破壞等問題。此外，為了進一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性，可以應用Linux中文操作系統(tǒng)進行升級與安裝，主要包括千兆網(wǎng)絡交換服務器、光纖網(wǎng)絡交換服務器、電源系統(tǒng)以及信息發(fā)布系統(tǒng)等。
4.安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)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(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站全*位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)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(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。
4.3系統(tǒng)架構
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)用戶用電規(guī)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(wǎng)方式。
4.4系統(tǒng)功能
（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)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(shù)。
（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
（7）電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)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(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。
（10）電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。
（11）遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。
（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)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(wěn)態(tài)信息。
（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。
（15）APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。
4.5系統(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 |
電力監(jiān)控系統(tǒng) | Acrel- 2000Z |
| 電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)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(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)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(wǎng)關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數(shù)據(jù)傳輸、支持標準8GBSD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數(shù)據(jù)；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(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護 |
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(jiān)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?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； | |
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)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(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)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(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、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(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高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 高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(huán)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(fā)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?shù)臄?shù)據(jù)，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(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)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(guī)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(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)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(guī)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(jiān)控系統(tǒng)應用方法開展研究，智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的應用和改進能夠實現(xiàn)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，而且提高了礦山供電網(wǎng)絡的自動化水平。隨著智慧礦山的發(fā)展，要求煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)要向著網(wǎng)絡化、集成化的方向發(fā)展，同時融合控制技術、數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)，給生產(chǎn)提供重要的安全保障，促進煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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