煤峪口礦井下電力監控系統設計研究

韓 旭

（晉能控股集團煤峪口礦，山西 太原 037000）

1 概況

煤峪口礦井田含煤地層為侏羅系大同組，目前在采6 號煤層，該煤層厚度2.45～13.84 m，最大傾角為12°，采用綜合機械化放頂煤采煤方法開采，頂板采用全部垮落處理。煤礦井下用電設備多、供電系統復雜，采用多級短電纜組成干線式電網結構進行供電[1]，供電保護系統則為短路保護與階段式電流保護結合的方式，各段線路首末端間短路電流幅值無法精確測算[2]，因此傳統的電流整定級差保護方式不能保證各級開關電流速斷保護有效配合，經常會出現越級跳閘狀況[3]。2021 年煤峪口礦將供電保護系統按照定時限過電流保護模式進行重新配置，雖然在一定程度上保證了跳閘的選擇性和靈敏性，但由于供電系統層級復雜，繼電器本身具有時間靈敏度要求，導致中間時間差太小，進而出現故障不跳閘現象，供電保護系統功能性受到抑制[4]。因此研究一套適應煤峪口礦供電工況的井下電力監控系統，對供電安全具有重要現實意義。

2 井下電力監控系統設計

基于煤礦井下用電工況設計的電力監控系統共分為井上電力監控主站、井下電力測控分站以及高開綜合保護器三個系統層級。其中，高開綜合保護器內配置先進數字式礦用綜合保護裝置，配合礦用隔爆型電流保護控制器和數據通信系統，利用零時限電流保護技術避免保護系統的越級跳閘問題。

2.1 監控主站

井下電力系統監控主站核心硬件為數據服務器、通信系統以及監控工作站。數據服務器是系統監控終端采集的原始數據、系統控制過程的運算數據和結果數據的主要儲存硬件[5]，同時也是系統的Web 服務器，設置兩臺，互為備用；通信系統為監控工作站從數據服務器數據調用、數據交換、規約轉換、通道監視等提供渠道[6]；監控工作站對系統監控原始數據進行分析、管理，對井下電網運行工況監視，通過邏輯運算和程序控制進行開關動作指令的發出，系統監控狀態直接顯示在監控工作站平臺，操作人員可以進行歷史數據查詢、報表打印等交互作業。軟件架構如圖1。

圖1 監控主要集成軟件平臺功能架構圖

1）數據管理功能

軟件采用DL451-91 和MODBUS 通信協議能夠動態定義通信口和參數，并實時更新內存數據庫，是軟件人機交互界面實現SCADA功能的數據來源。硬件之間的數據傳輸采用以太網形式，保證數據傳輸速度和數據傳輸容量。

2）組態功能

系統組態功能包含有人機界面監控界面的組態、數據報表的組態以及通信拓撲結構數據點表的組態。監控界面的組態通過電力專業標準圖元、監測控制儀表圖形等在上位機根據系統監控需求設計的可以直觀展現系統監測、控制元器件狀態和實時運行工況的界面，監控數據動態實時更新，操作者還可以通過監控界面進行系統數據修改、控制指令發出等操作。數據報表為EXCEL 表格格式，對系統監測的時段內電力電量、各級開關變位次數等數據統計結果的顯示，且能夠自定義運算公式，提升電力監控拓展性。通信拓撲結構及數據點表組態可以對通信口參數進行設置，對通信規約進行設定，并設定系統與外部系統的交互提供控制邏輯。

3）報警功能

報警子系統為相對獨立的子系統，在監控值超過閾值達到報警設定值時，主控制系統自動調用報警系統觸發報警。鑒于井下供電特殊性，報警功能按照不同故障工況分為三個等級：嚴重、一般、輕微。報警系統觸發時，上位機自動彈出報警界面，顯示優先級為最高，顯示內容為報警類型、報警內容以及故障點等主要信息，界面報警燈閃爍，直到操作人員人為確認。報警閾值可以通過人機界面在線修改，但各項報警值設定范圍由系統管理員設定，操作人員只能在設定范圍內修改報警參數。

4）故障錄波分析

系統的錄波通道有各開關狀態、監測點位三項電流電壓以及保護系統電壓和電流等，操作人員能夠在上位機進行錄播通道篩選，并對波形進行放大和縮小操作，波形圖上任意位置均對應特定數值的有效數據和時間信息等。通過故障錄波分析功能可以定位故障點、故障持續時間和故障類型。

2.2 監控分站

監控分站除了對電力數據進行采集外，最重要的功能是改善原來供電保護系統的越級跳閘問題。分站的防越級跳閘保護控制器硬件原理如圖2 所示，主要包括了CPU 模塊、開關量和模擬量輸入輸出單元、絕緣監視模塊、交流采樣合并單元以及通信單元等。控制器CPU 采用STM32F207 芯片，兼具RS-485 和以太網接口，集成了A/D 轉換模塊、串口控制器和定時器。開關量輸入輸出單元實時采集供電電路中開關狀態，輸出信號經過光電隔離模塊，能夠極大屏蔽電磁干擾，由CUP 控制單元接收。絕緣監視模塊通過外接直流電源與電阻系統實現絕緣在線監測功能。監視模塊實時測量外接電阻兩端電壓，與正常工況下進行對比，如監測值電壓偏小，則表明電路出現斷路故障；如監測電壓偏大，則表明電路出現短路故障。交流采樣合并單元能夠將接收到的電壓和電流信號通過電壓/電流互感器傳輸給合并單元，進行A/D 轉化后將模擬信號傳輸給CPU 模塊。通信單元主要是依托CPU 集成的以太網控制器進行GOOSE 配置和GOOSE 收發。

圖2 防越級跳閘控制單元原理圖

防越級跳閘閉鎖保護控制器的軟件設計流程如圖3，主要通過電路的電流檢測實現故障判定。程序初始化完成后首先檢測電流信號，如系統檢測到故障電流，則延時T1 后進行是否接收到下級GOOSE 閉鎖信號判斷。如未接收到閉鎖信號，則發送跳閘指令進行保護器動作指令執行，并向上級發送解除閉鎖信號；如接收到閉鎖信號，則繼續執行延時T2 后檢測是否接收到閉鎖信號，未接收則結束程序，接收到閉鎖信號，則對保護控制器發出動作指令進行保護動作執行，并向上級發送解除閉鎖信號。

圖3 防越級跳閘閉鎖保護控制器軟件設計流程

3 系統運行效果

3.1 變電所運行監控功能

井下電力監控系統上位機顯示變電所運行狀態，界面中斷路器采用矩形圖形表示，通過矩形不同顏色顯示指示斷路器運行狀態，監控界面上狀態轉變準確清晰。在錄波顯示界面，通過移動鼠標可以觀測各波段點位的數據，便于故障分析。

3.2 防越級跳閘功能測試

為檢測設計的電力監控系統的防越級跳閘保護功能，根據煤峪口礦的供電流程進行試驗系統搭建，搭建的試驗系統如圖4。將高壓開關裝置于10 kV 的高壓開閉所中（K2），將保護器DMP5211 裝置于開關柜，高壓防爆開關K2、K3、K4、K5、K6 均配置一臺保護器，進行短路跳閘試驗。線路K2K3、K4K5 選擇光纖差動方式來對過流進行保護，線路K6 將速斷過流保護當作系統的主保護，然后對所有線路設置出速斷保護裝置。

圖4 試驗電路示意圖

分別進行D1、D2 和D3 短路點測試，結果顯示D1 點短路時，K2 和K3 跳閘，未發生越級跳閘現象；D2 點短路并且使K4 開關失靈時，K3 限時速斷保護正常工作，K3 跳閘；D2 點短路且K4 和K5 正常工作時，K4 和K5 跳閘，未發生越級跳閘現象；D3 點短路且K6 開關失靈時，K5 限時速斷保護正常工作，K5 跳閘；D3 點短路且K6 開關正常時，K6 跳閘，未發生越級跳閘現象；當K2 末端發生兩相短路時，K2-K3 光纖差動保護正確切斷故障。通過試驗可以看出，設計的井下電力監控系統的防越級跳閘保護功能有效。

4 結語

針對煤峪口礦電力監控系統采用電流整定級差保護方式，導致經常會出現越級跳閘狀況的問題進行井下電力監控系統優化設計，形成以下結論：

1）井下電力監控系統由井上電力監控主站、井下電力測控分站以及高開綜合保護器三個系統層級構成，分別對主站、分站和防越級跳閘控制器進行設計，實現高效保護煤礦供電網絡安全，避免越級跳閘問題的出現；

2）防越級跳閘閉鎖保護控制器以STM32F207為控制核心，進行軟件流程設計，兼顧電力保護系統動作靈敏度的同時，精準進行故障斷閘，防止越級跳閘；

3）對設計的井下電力監控系統的狀態監控、錄波功能以及防越級跳閘功能進行測試與試驗，試驗結果表明該電力監控系統電力監測與開關控制功能有效，能夠避免越級跳閘問題出現。