雁崖煤礦供電能耗聯網監控系統設計研究

黃正岐

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司，山西 大同 037000）

1 概況

晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司（以下簡稱雁崖煤礦）于2020 年5 月采用鏈式靜止無功發生器SVG 補償策略對供電系統進行節能優化，優化后供電系統需要能耗監測數據作為支撐運行，而原煤礦能耗計量系統功能單一，無法為當前節能供電系統提供詳實數據信息。基于此，結合當前電網綜合自動化成熟技術，充分考慮井下用電工況，進行供電能耗聯網監控系統研究，采集井下用電設備實時運行數據、統計負荷用電數據、對比歷史用電量，并對大功率用電設備用電異常進行實時報警，配合當前供電系統實現雁崖煤礦供電系統全局節能優化控制。

2 供電能耗聯網監控系統架構

基于煤礦用電系統的復雜性，設計供電能耗聯網監控系統總體架構如圖1，包含了地面監測主站、井下監測分站以及電能監測智能儀表系統，監測與運算數據依靠數據通信系統進行共享，在井上控制室上位機監控終端顯示能耗等用電監測結果。監控主站采用GP3000 主站監控系統[1]，按照供電系統規范對供電系統進行監測、控制、統計和分析；井下監測分站主要處理電能監測智能儀表采集數據[2]，并進行運算處理與數據傳輸；用電端采用智能電度表采集能耗數據后通過RS-485 通信接口傳輸到隔爆兼本安型電能監測與通信分站，經數據匯總統計后由以太網數據傳輸網絡經交換機上傳到監控室上位機監測系統，參與監控主機邏輯運算與控制[3]；上位機監測控制系統負責電能計量裝置采集數據的處理與管理[4]，實現用電負荷分析結果的顯示、系統控制指令的輸入、底層數據查閱與系統狀態維護信息查詢。

圖1 供電能耗聯網監控系統總體架構圖

3 系統硬件設計與監測點布置

3.1 監控系統主站硬件

監控系統主站硬件主要包括兩臺數據服務器、兩臺通信服務器以及多臺工作站。通信服務器主要功能是實現井下監測分站、監測工作站以及數據服務器的信息傳輸、規約轉換、通道監視、數據格式化等。數據服務器能夠對系統采集監控數據進行運算、儲存與記錄，同時對工作站狀態實時監控。工作站調用的數據可以從主數據服務器調用，備用數據服務器只進行數據存儲。若數據服務器掉線，數據服務器自動進行主備切換。按照雁崖煤礦井下用電監測實際工況，系統配置18 臺監控工作站，主要對井下電網運行工礦監視、開關控制操作、定值管理等。

3.2 監控系統分站硬件

監控系統分站硬件核心為主控制器模塊和數字信號處理單元。主控制器包含兩個CPU 處理器，DSP TMS320F2812 處理器是電能能耗采集智能儀表向監控分站輸入的模擬量和開關量信號數據處理的核心，同時按照設定程序進行邏輯判斷并輸出動作執行信號；ARMS3C2510 處理器內嵌uCLinux 操作系統，實現管理調度、MMI 等功能。數字信號處理單元主要完成對輸入的模擬量（已經過AD 轉換）數據進行FFT 數字濾波，DSP 根據濾波后的模擬量數據、開關量數據并根據保護程序進行邏輯判斷，給出開車動作信號，并通過串行通信接口和ARM進行協議層的通信。

3.3 電能計量設備

智能化電能計量儀器是系統能耗數據信息采集與傳輸的關鍵[5]，能耗聯網監測系統與遠程集中抄表系統實現數據共享后，即可提供供電系統的能耗現狀分析和優化節能控制策略。

1）多功能電能表

系統選擇DSSD1573 型三相三線多功能電能表進行電量信息數據采集。該型電能表計量系統電壓、電流、功率、諧波等，顯示功率因素、相序和功率需量等，還能夠實現分時計量、信息數據就地顯示、數據儲存[6]。該電能表配備了RS-485 數據傳輸接口，與電能監測和通信分站的多路串口通信服務器連接，實現電能數據遠傳功能。

2）礦用隔爆兼本安型多路電能計量裝置

系統選用山西汾西機電有限公司生產的KXJ-200/1140（660）型礦用隔爆兼本安型多路電能計量裝置。該裝置融合智能電量測量、通信、IT 數據庫技術，達到遠程監測控制煤礦供電系統負荷設備運行參數，實現系統內各個關鍵節點、關鍵負荷設備的數據共享[7]。該裝置通過RS-485 數據傳輸接口完成集中抄表數據的遠傳，在上位機上以圖表或曲線等形式進行采集數據可視化顯示，是系統電量分布統計、節能優化和智能控制功能的關鍵基礎智能電能計量裝置。

3.4 電氣設備監測點布置方案

雁崖煤礦共設置了448 個電能監測點，每個監測點均裝設有多功能電度表或原供電監測系統電能計量儀表進行電能數據采集與傳輸。其中，21 個配電室共有309 個監測點，7 個變電所共有54 個監測點，34 個配電點共有85 個監測點。井上電能監測點主要分布在35 kV 主變電所和選煤配電中心兩部分，35 kV 主變電所主要為礦井提升機、通風機和采煤機等大型設備供電，選煤配電中心配置6 kV高壓網絡和380 V、220 V 低壓網絡。

4 系統軟件設計

4.1 系統通信設計

綜合節能裝置主控制器與通信分站采用RS-485接口通信模式，采用標準的Modbus RTU 協議[8]，上位機組態軟件通過參數配置與該協議與節能裝置進行數據傳輸，實現節能數據上位機顯示；通信分站通過RS-485 接口集中抄送多功能電度表采集電參量后，通過網口與上位機采用TCP/IP 協議完成數據共享，監控系統上位機顯示系統實時監測測點用電情況；由于系統采用原供電監測智能或非智能儀表進行電能采集、監測儀表，開發通信協議驅動接口程序，通過RS-485 接口實現通信協議轉換，組態軟件通過非向導流方式開發腳本驅動程序。腳本驅動程序工作原理如圖2。

圖2 非向導流方式開發腳本驅動程序原理

4.2 上位機組態軟件設計

系統上位機監控軟件選用的是MCGS 組態軟件，軟件結構如圖3。主控窗口進行系統參數設定與功能系統啟動條件設定；設備窗口展示系統的拓撲結構；用戶窗口是人機交互功能界面，主要顯示系統的用電設備運行狀態和綜合節能裝置實時數據監測；實時數據庫實現數據庫中變量的增減，并對各變量的屬性和報警閾值進行設定配置。該組態軟件能夠對能耗統計信息、能耗分析數據、節能數據配置以及能耗計劃信息等以圖形、報表等形式展示，且具有數據存儲與歷史數據查詢功能。

圖3 MCGS 組態軟件架構圖

5 應用效果分析

雁崖煤礦于2021 年3 月正式將該供電能耗聯網監控系統配置完成，對全礦區用電節能進行智能監測與控制。系統能夠對礦井采煤機、帶式輸送機、提升機、通風機以及井上洗煤設備和排水設備等大型用電設備的能耗進行自動統計并分析，對電能流向展示直觀。系統監測與控制準確性極高，是礦區能耗管理的重要智能系統。

6 結語

針對雁崖煤礦能耗統計系統智能化程度低、功能單一問題進行智能化供電能耗聯網監控系統設計，形成以下結論：

1）能耗聯網監控系統架構包含地面監測主站、井下監測分站以及電能監測智能儀表系統，監測與運算數據依靠RS-485 或以太網數據交換形式進行通信，共配置448 個電能監測點，實現能耗統計、能耗分析、節能控制功能。井上控制室上位機監控終端顯示能耗等用電監測結果。

2）系統以DSSD1573 型三相三線多功能電能表配合KXJ-200/1140（660）型礦用隔爆兼本安型多路電能計量裝置以及原供電系統其他電量計量儀表進行用電設備能耗原始數據采集，利用MCGS 組態軟件直觀展示系統能耗統計、分析與報警信息。