基于智能礦山電力監控系統應用方法的探討

周永亮

（國能信息技術有限公司，北京 100000）

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高的要求。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[1-3]。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[4-7]。

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完善，所以必須提高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[8]。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，同時實時采集高、低壓開關柜的相關電氣監測數據，通過高、低壓柜的運行數據判斷負載設備的運行情況，對二次設備和輔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[9,10]。

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（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，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，從而為科學決策和高效管理提供參考。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，提高信息化水平。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，最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，通過以太網和對象鏈接與嵌入的過程控制（OLE for Process Control，OPC）等接口協議完成和子系統主機之間的信息交換。接入結構如圖2所示。

圖2 上位機接入

（2）可編程邏輯控制器（Programmable Logic Cantroller，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OPC Server中，實現和生產綜合監控系統服務器之間的信息交換功能。接入結構如圖3所示。

圖3 PLC接入

（3）嵌入式控制接入。對于嵌入式控制的子系統，利用內部的OPC Server，服務器通過以太網和接口協議實現子系統之間的連接。接入結構如圖4所示。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圖表，從而為管理層的決策提供參考。

圖4 嵌入式控制器接入

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（Open Database Connectivity，ODBC）、文件傳輸協議（File Transfer Protocol，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，安全性較高。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。高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臺監控服務器和高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，為了進一步提高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 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，而且提高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。