基于開放式結構的煤礦電網實時預警系統設計與實現

孫學軍

（中原工學院信息商務學院，河南省鄭州市，450007）

基于開放式結構的煤礦電網實時預警系統設計與實現

孫學軍

（中原工學院信息商務學院，河南省鄭州市，450007）

介紹了基于開放式結構的煤礦電網預警系統的結構及軟件體系設計情況，該預警系統可以在良好的系統開放性基礎上，充分調用礦井生產中的各種數據，提供電網安全預警與防控。

開放式結構 煤礦電網 預警系統

1 引言

目前，煤礦電力系統安全運行所依賴的調度控制中心功能從初期的系統監控和數據采集（SCADA）發展為能量管理系統（EMS），從“經驗型”調度逐步提高到“分析型”調度，少數調度控制中心擴展了在線動態安全分析應用，初步具備了部分安全預警功能，但尚未提出和形成安全預警技術體系的整體框架。

隨著現代電網規模的不斷擴大，電網的運行顯得越來越復雜，許多電網事故的起因往往是由于一些局部的、小的故障沒有得到及時有效地處理，或者是一些已經存在的電網安全隱患沒有得到及時發現和重視，最后發展成大范圍的、失控的電網事故。同時，在實際運行中，目前的自動化監控系統提供大量的SCADA數據，各種報警信息涌入運行人員工作站，運行人員往往被大量數據“淹沒”，很難做出決策，錯失處理事故的良機。

2 系統結構

煤礦電網實時安全預警系統是根據開放系統結構（Open Systems Architecture）和面向對象的系統設計思想而開發的管控一體化系統。系統采用面向煤炭電力系統對象的設計方法，支持從支撐平臺層到應用層的全面開放。應用軟件建立在開放的國際工業標準基礎上，不僅提供站級和調度級的自動化運行管理功能，而且還提供豐富的電力系統專家決策支持功能。

遵循系統開放性原則選擇網絡設備、操作系統、數據庫管理系統和軟件開發環境等符合國際標準的產品，采用模塊化設計思路構建開放性的系統體系結構；在系統的支撐平臺軟件、軟件的設計中盡量減少軟硬件之間的依賴程度以及軟件之間的耦合程度，以提高系統的開放性、兼容性、可移植性和可維護性。系統的網絡結構配置見圖1。

系統采用多主機分層、分布式結構配置。網絡可采用星型/總線型以太網（單雙網、光纖或雙絞線模式可選）。以太網絡采用10/100/1000 M高速工業以太網。其中前置通信網絡既可單獨組網也可與后臺監控共用網絡。具體網絡構成描述如下：

圖1 系統的網絡結構配置

（1）前置通信服務器。前置通信服務器是系統通信轉換通道，負責變電站通信接入，收集實時數據并負責轉換為后臺服務可識別信息并上傳到調度中心。同時，接收并轉換后臺服務實時數據并下發至變電站。

（2）SCADA實時處理服務器。SCADA實時處理服務器與SCADA歷史處理服務器合并配置用以提供實時數據轉換處理、網絡數據通信、生成報警事件、控制請求響應等系統基礎服務。

（3）SCADA歷史數據服務器。負責SCADA歷史數據存儲和備份（可與SCADA實時處理服務器合并配置），提供歷史數據定時或變化存儲及訪問、事件存儲及訪問、事故追憶存儲及訪問等。

（4）操作員工作站/應用工作站/維護工作站。負責電力系統日常運行監控（可與SCADA實時處理服務器合并配置），操作員工作站/應用工作站提供變電站運行工況監視，遠程控制操作功能，以及防誤閉鎖及操作票、電壓無功控制、繼保及故障信息管理等應用功能；維護工作站提供系統配置變更維護，如設備添加、監控畫面制作等。

（5）報表工作站。負責日常運行報表制作與瀏覽打印（可與維護工作站合并配置），提供報表制作與定義、報表打印、瀏覽服務。

（6）Web發布服務器。負責在安全區進行SCADA實時信息的Web發布服務，提供監控中心實時信息Web發布、歷史信息Web方式查詢瀏覽、為非區用戶提供自動化系統實時信息。

3 軟件體系設計

3.1 功能設計

（1）數據采集與數據處理。來自礦井運行的實際電力數據是電力監控系統決策和動作的依據，數據采集系統通過通信通道自動獲取、人工置數獲取和人工召喚3種方式獲取，依照斷點續傳支持、多數據源支持、數據傳送優先級支持和動態重載閾值4種數據采集策略，對礦井電力系統的電力模擬量（電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、溫度）、狀態量（斷路器雙位置接點、隔離開關、接地閘刀位置、設備投切狀態、自動裝置投切狀態、遠方/就地切換開關位置、事故總信號、主要設備故障異常信號、繼電保護及自動裝置的動作信號、繼電保護及自動裝置的異常狀態信號、充油電纜告警信號、斷路器的機構及控制回路異常信號、直流接地檢測裝置故障信號、UPS故障信號等）、電度量、步量位置等數據進行采集和處理，為電力系統的監測和控制提供數據支持。

（2）礦井電力實時監測和控制。礦井內各人機工作站應能夠單獨按照不同的管理單位需求，劃分為不同的責任分區，按廠站屏蔽和開放各自所管轄廠站的畫面索引和廠站畫面，滿足不同的管理需求；責任分區信息可以在線定義和管理，責任區定義與用戶權限管理相結合，實現各司其職。實時信息可以按照責任分區的定義發送到指定的分區相對應結點上，實現信息的分流處理。可以按照變電站或以電壓等級劃分為不同的責任分區或安全級別，每個設備都可以建立在相同的責任區內進行關聯，實現信息分流。系統還可以對礦井內可控制元件進行遠方控制及調節。

（3）事件定義與報警處理。通過系統數據庫對電力運行中某些量的特征變化、應用程序的某些過程、系統設備狀況變化等礦井電力系統運行狀況進行運算和比較，依據系統建模標準對異常數據進行定義，對電網系統異常時間進行預警。并提供對應的解決方法和遠程處理動作。

（4）防誤閉鎖及操作票系統。防誤閉鎖目的就是在設備的運行狀態切換過程中保證控制操作的可行性和安全性。集成系統運行監控向五防機發送請求遙控，五防機允許后，監控執行遙控操作。五防機向監控發送請求遙控，監控執行相應遙控，平時監控遙控全部閉鎖。由一體化監控內置防誤閉鎖系統提供邏輯閉鎖及規則庫編輯。運行值班人員接到上級調度部門下達的操作任務后，首先要在監控主機上開具該操作任務的操作票，在開票過程中五防模塊對每一步操作進行邏輯判斷，若操作正確則允許進行下一步操作，反之則報警提示錯誤原因，提示操作人員更正，拒絕所有違反“五防”原則的操作。開票結束后，通過通訊適配器將操作票內的一次設備操作序列傳輸到電腦鑰匙中，操作人員使用電腦到現場進行解鎖操作。操作時電腦鑰匙自身顯示當前倒閘操作的項目，允許人員將電腦鑰匙插入相應的設備編碼鎖內，通過其編碼頭檢測操作對象是否正確。若正確，則電腦鑰匙發出允許操作命令，同事開放其閉鎖回路或機構，可以進行倒閘操作；若走錯間隔或誤操作，電腦鑰匙用語音發出錯誤警告，提示操作人員錯誤操作的類型，并用液晶顯示器顯示當前錯誤操作的設備編號及應操作設備編號，達到強制閉鎖的目的。在操作過程中若遇到需要監控后臺進行操作的項目，將電腦鑰匙拿到主控室并插到通訊適配器上向五防匯報已經結束的操作并刷新虛點（監控采集不到的一次設備狀態）信息。匯報結束后在監控機上進行相應的操作，操作完成后格局提示信息繼續下面的操作。

（5）區域無功電壓控制（AVQC）。在電壓優化調節層面：礦井內同級變電所之間，在正常電壓范圍內，通過控制本級電網內無功功率的合理流向，實現無功功率就地分層平衡，提高受電功率因數；等級不同的變電所在同電壓情況下根據計算來決策優先投入對象；同一變電所內不同電容器組的功率分配依據計算決策。在無功優化補償層面：在無功功率流向合理前提下，變電站母線超限（超上限或超下限）運行時，根據同電源、同電壓等級變電所和上級變電所電壓情況，采取調節本變電所有載主變分接開關或者調節上級電源變電所有載主變分接開關檔位實施優化補償；電壓合格范圍內，實施逆調壓。實現減少主變并聯運行臺數以降低低谷期間母線電壓。實施有載調壓變壓器分接開關調節次數優化分配。實現熱備用有載調壓變壓器分接開關檔位聯調。

在無功電壓綜合優化層面：當變電所10 k V母線電壓超上限時，首先降低主變分接開關檔位，其次切除電容器；當變電所10 k V母線電壓超下限時，首先投入電容器，再提高主變分接開關檔位，盡可能保證電容器投入量達到最合理值。

（6）電網運行安全管理。對用戶進行分類、分組、分級管理，系統對應不同用戶提供不同的操作功能和訪問界面。配置病毒防護服務器，與地區主站端的一級病毒防護服務器連接，實現病毒庫和補丁的自動更新。系統在不同的安全邊界部署物理網絡隔離設備或架設防火墻對系統數據通信實施安全防護，采用嚴格的安全訪問控制機制，對終端用戶進行身份驗證，用口令管理和權限管理結合的方法來規避非法用戶對系統的惡意操作。系統中發生的重要操作和事件處理都采用系統日志方式予以記錄保留。在網絡設備安全層面，通過配置多層交換機上網絡訪問列表，檢驗試圖訪問核心服務器用戶身份及權限，避免合法用戶的錯誤操作，對于跨網用戶的訪問，通過配置路由器的訪問控制列表來允許經過授權的網絡地址訪問權限內允許的數據資源，禁止未經授權的網絡用戶非法登錄，從而避免通過修改配置文件來非法訪問網絡資源。充分利用網關節點的安全手段，盡可能地減少直通請求。在網關節點上安裝的防火墻軟件和硬件，起到監測網絡信息的作用。

（7）電網系統運行管理。對電網操作記錄、運行日志、交接班、生產安全、設備管理、繼電保護等電網日常運行記錄和數據進行管理。

3.2 軟件體系設計

系統業務需求層次多內容豐富，考慮到集成第三方專業軟件系統，因此系統軟件必須具備良好的開放性和標準實施以利于集成；系統軟件相應地也需建立自己的層次體系，并在各層次上都能提供充分的二次開發接口及配置工具以利于可能的業務需求的變更和擴充；系統軟件還需面向電力系統對象來進行模型建立、業務邏輯處理和應用界面組織以利用系統的使用和推廣。系統軟件體系結構見圖2。

圖2 煤礦電網實時預警系統軟件體系結構圖

3.3 EMS基礎算法設計

（1）網絡拓撲。根據電力系統各個元件的連接關系，通過實時遙信信息，確定電網的拓撲結構。網絡的結線分析包括對廠站的結線分析和對系統的結線分析。

（2）潮流計算。采用交流法潮流計算分析支路開、斷后系統的潮流分布，電力系統中有很多可能的預想故障，但有的故障發生對系統影響嚴重，有的影響不嚴重。自動故障選擇的功能是按候選的預想故障開斷對系統安全影響的嚴重程度排序。自動給出哪些事故是重要的，哪些事故是不重要的，以及它們之間相對重要性的信息。

（3）狀態估計。采用軟件手段，在硬件測得的量測信息基礎上，利用數學的方法計算出系統的狀態變量的值，進一步計算出所有關心的量。充分發揮已有硬件的潛力，提高數據精度，補充已有量測的不足，排除不良數據的影響，提高實時數據的可靠性和質量，獲取電網的運行狀態。

4 結語

基于開放結構的煤礦電網監控系統，采用多主機分層、分布式結構配置，通過系統建模和EMS運算，為煤礦電力系統安全運行提供數據采集、礦井電力檢測和控制、事件定義與報警、區域無功電壓控制等功能，系統具有跨平臺、高可靠、智能化和層次化等特點，為煤礦電力管理提供了良好保證。

［1］ 李建峰.興隆莊煤礦采區變電所電網監控改造［J］.煤礦機械，2010（2）

［2］ 徐穎秦，謝林柏.基于總線網絡的企業電網監控系統［J］.工業儀表與自動化裝置，2009（6）

［3］ 王曉靜，焦恩喜.變電站綜合自動化系統及監控自動化系統設計［J］.中小企業管理與科技，2009（6）

［4］ 于飛，胡平.變電站綜合自動化系統設計［J］.微計算機信息，2008（33）

Design and application of real－time warning system for power grids of coal mines based on open architecture

Sun Xuejun
（College of Information and Business，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450007，China）

The structure of warning system for power grids of coal mines based on open architecture and the software design were introduced.The warning system could call up all kinds of production data from the coal mines to provide warning，prevention and control for the security of power grids.

open architecture，power grids of coal mine，warning system

TD65

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孫學軍（1971－），男，河南南陽人，研究生學歷，研究方向：企業信息化與電子商務。

（責任編輯 張艷華）