淺談煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究及二次設(shè)備選型
周莉娜
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
摘要：近年來，我國對煤礦資源的需求不斷增加，煤礦開采越來越多。在煤礦工程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作越來越受到重視。為了解決原有電力監(jiān)控系統(tǒng)存在的通信混亂、傳感器采集速度慢、數(shù)據(jù)集中處理能力較差等問題，對煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，即對電力系統(tǒng)地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、井下電力監(jiān)控分站和礦用綜合保護(hù)測控裝置進(jìn)行了設(shè)計。本文首先對電力監(jiān)控系統(tǒng)安全現(xiàn)狀概述，其次探討了電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，以供參考。
關(guān)鍵詞：煤礦；電力監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計研究
引言
隨著智能化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新興技術(shù)在電力系統(tǒng)中不斷應(yīng)用，使得電力監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的技術(shù)、工作量、工作難度在這個過程中大幅增長。此外，現(xiàn)代電力監(jiān)控系統(tǒng)使用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取代了傳統(tǒng)分布式廠站自動化設(shè)備技術(shù)，帶來便攜的同時也讓電力監(jiān)控系統(tǒng)暴露在多重網(wǎng)絡(luò)威脅中。電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控著電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況并及時做出調(diào)整控制，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
電力監(jiān)控系統(tǒng)安全現(xiàn)狀
1.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
無法保證外網(wǎng)接入安全，保證對主機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)資源的合法使用和用戶身份的合法性。通常電廠會在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)立一個DMZ區(qū)，使連接盡可能小化。
1.2區(qū)域邊界
現(xiàn)場控制層與監(jiān)控層之間存在安全威脅互侵。缺乏邊界保護(hù)，容易受到信息網(wǎng)絡(luò)和相鄰系統(tǒng)的安全影響。1.3通信網(wǎng)絡(luò)
按照《國家電網(wǎng)公司關(guān)于加快推進(jìn)電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全管理平臺建設(shè)的通知》的要求，在電力生產(chǎn)系統(tǒng)I區(qū)和II區(qū)中部署網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置，對電氣網(wǎng)中的服務(wù)器、工作站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全防護(hù)等監(jiān)測進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，但未對發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，無法及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各種違規(guī)以及入侵攻擊行為，無法溯源入侵的未知設(shè)備、非法應(yīng)用和軟件。
1.4終端設(shè)備
生產(chǎn)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的操作終端大部分采用Linux和Windows系列的操作系統(tǒng)，為保證過程控制系統(tǒng)的相對獨(dú)立性，同時考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通常現(xiàn)場工程師、操作員等在系統(tǒng)開車后不會安裝任何補(bǔ)丁，部分終端同時安裝多種防病毒軟件，上位機(jī)編程組態(tài)監(jiān)控軟件與傳統(tǒng)殺毒軟件不兼容、無嚴(yán)格的U盤等移動介質(zhì)管控、終端登錄無身份認(rèn)證措施、應(yīng)用軟件存在使用默認(rèn)密碼和用戶口令粘貼于顯眼位置現(xiàn)象、外部設(shè)備管理采取封條方式、未部署安全技術(shù)措施，終端設(shè)備存在被攻擊的可能。
1.5通訊協(xié)議
工業(yè)協(xié)議為了滿足相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時性和周期性，往往缺乏有效的用戶安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芙饷艿然拘畔踩侄巍f(xié)議的相關(guān)信息又能通過公開渠道獲取，攻擊者很有可能利用協(xié)議的漏洞對工控網(wǎng)絡(luò)發(fā)起攻擊。
1.6控制系統(tǒng)
在系統(tǒng)維修或升級檢測過程中，第三方人員的遠(yuǎn)程維護(hù)可能會導(dǎo)致相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的信息，對運(yùn)維過程中的誤操作事件缺乏證據(jù)支撐。
電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
2.1地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信柜、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。數(shù)據(jù)服務(wù)器對系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，便于后期查看；通信服務(wù)器將變電所管理站與數(shù)據(jù)服務(wù)器間的數(shù)據(jù)進(jìn)行互換，達(dá)到數(shù)據(jù)信息傳遞的目的。在地面電力監(jiān)控調(diào)度中心配置電力集控軟件，監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行過程中，備用機(jī)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)監(jiān)控主機(jī)發(fā)生異常時，備用機(jī)及時代替監(jiān)控主機(jī)，進(jìn)行冗余設(shè)置。當(dāng)軟件登錄完成后，會進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫；完成數(shù)據(jù)入庫后可以查詢相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以形成報表模式，便于查詢；同時軟件自帶作圖模塊，可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)繪制圖形，此時繪制的圖形會展示于人機(jī)界面；繪制的圖形可以通過局域網(wǎng)進(jìn)行局部分享，將監(jiān)控數(shù)據(jù)向上級監(jiān)控站傳輸。
2.2電參數(shù)模塊設(shè)計
電參數(shù)模塊子程序設(shè)計過程時，首先要配置好外部電路，其次采用基于串口通信的MODBUS協(xié)議即可從設(shè)備中讀取到相應(yīng)的函數(shù)信息，最后在操作函數(shù)時應(yīng)該先對通信端口進(jìn)行配置，配置完成后開始對芯片的指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)計算。
2.3加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控體系建設(shè)
通過在電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署工控安全審計、工業(yè)入侵檢測系統(tǒng)和日志審計系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行安全審計、檢測，識別、審計、記錄生產(chǎn)控制系統(tǒng)的操作行為和異常網(wǎng)絡(luò)行為、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備日志，便于事后進(jìn)行取證和定責(zé)。提供整個控制網(wǎng)絡(luò)的總體運(yùn)行情況，自動識別網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，顯示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能綜合分析，針對工業(yè)控制系統(tǒng)重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或區(qū)域，監(jiān)測所有通過的數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行深度解析，實(shí)現(xiàn)控制行為合規(guī)性檢查，針對異常或非法操作數(shù)據(jù)包，分析是否有外界入侵或人員誤操作，并對所有異常情況進(jìn)行審計、發(fā)出報警，提醒現(xiàn)場安全運(yùn)維人員去處置。工控安全審計系統(tǒng)不僅可輔助安全運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)、分析與處置安全事件，可以與串行部署的安全防護(hù)類設(shè)備配合使用，為實(shí)時修正安全保護(hù)類設(shè)備的安全策略提供數(shù)據(jù)支撐。還可以提供全面的安全事件數(shù)據(jù)，支撐階段性全網(wǎng)安全風(fēng)險分析與評估，為安全事件追溯提供證據(jù)。
2.4礦用綜合保護(hù)測控裝置設(shè)計
對礦用綜合保護(hù)測控裝置進(jìn)行設(shè)計，首先需要對微機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計。微機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置選用GWZB-10型微機(jī)保護(hù)裝置，其主要用于額定電壓3300V和頻率50Hz的電網(wǎng)環(huán)境。微機(jī)保護(hù)裝置核心為32位單片機(jī)，微型互感器及工業(yè)級的外圍芯片是保護(hù)裝置的輔助部分，其具有較高的靈敏度和可靠性，內(nèi)部同時匹配多種抗干擾措施，避免信息傳輸過程中的外部干擾。保護(hù)裝置具備自我檢測功能和硬件閉鎖保護(hù)功能，通過不斷地進(jìn)行自我檢測，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行，提升監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部設(shè)計有隔爆遙控器，使用者可以通過遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)操作，很大地提升了操作系統(tǒng)的效率。同時由于利用遙控器控制，可舍棄設(shè)備上的按鍵，省去礦井設(shè)備的復(fù)雜按鍵改造，提高系統(tǒng)改造效率。另外，保護(hù)裝置內(nèi)部通過設(shè)定控制值進(jìn)行控制，控制值可以查詢和修改。保護(hù)裝置定時對自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在故障時，能夠準(zhǔn)確定位故障芯片。保護(hù)裝置配備有RS-485/RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信接口，能夠較好地匹配電力監(jiān)控系統(tǒng)的接口。煤礦電網(wǎng)線路較短，阻抗較小，在發(fā)生短路事故時產(chǎn)生的電流很大，為了保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計了防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)。防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用光纖閉鎖信號，對系統(tǒng)線路段進(jìn)行電流閉鎖保護(hù)。防越級跳閘系統(tǒng)主要包括智能光纖控制服務(wù)器SU20、礦用智能光纖保護(hù)PA61和PA63。PA63防越級跳閘微機(jī)保護(hù)集控制、通信、測量、防越級等多種功能于一體；智能光纖控制服務(wù)器SU20主要用于收集閉鎖信號，收集信號后對信號進(jìn)行統(tǒng)一匯總，后轉(zhuǎn)發(fā)至上級電路。饋線段在工作時不需要打開全部光纖信號，選定一路光纖即可。
安科瑞電力監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品介紹與選型
3.1概述
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(yīng)用電力自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測、控制、通信等多功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)對變電站方位的控制和管理，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(jì)運(yùn)行提供了堅實(shí)的保障。
3.2應(yīng)用場所
辦公建筑（商務(wù)辦公、機(jī)關(guān)辦公建筑等）
商業(yè)建筑（商場、金融機(jī)構(gòu)建筑等）
交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場、車站、碼頭建筑等）
廠礦企業(yè)建筑（石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等）
新能源建筑（光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等）
3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)釆用分層分布式設(shè)計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。
3.4設(shè)備選型
應(yīng)用場合 | 型號 | 功能 |
35kV/10kV/6KV進(jìn)線柜電能質(zhì)里在線監(jiān)測 | APView500 | 電網(wǎng)頻率，電壓、電流有效值有功功率、無功功率、視在功率及功率因數(shù)，電壓偏差，頻率偏差，三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度；三相電壓、電流各序分量；基波電壓、電流，功率、功率因數(shù)、相位等，諧波（2~50次）。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等，諧波群，間諧波電壓波動、閃變。可輸入57.7V/100V或220V/380V。 |
35kV/10kV/6KV微機(jī)保護(hù)裝置 | AM6-* | 適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機(jī)、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機(jī)保護(hù) |
35kV/10kV/6kV弧光保護(hù) | ARB5-M | 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴(kuò)展單元，配置弧光保護(hù)(8組)、失靈保護(hù)(4組)、TA斷線監(jiān)測(4組)、11個跳閘出口 |
ARB5-E | 擴(kuò)展單元，多可以插接6塊擴(kuò)展插件，每個擴(kuò)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(guān)柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域 | |
35kV/100kV/6KV高壓柜智能操控節(jié)點(diǎn)測溫 | ASD500 | 一次回路模擬圖彩屏顯示及開關(guān)狀態(tài)指示，高壓帶電顯示及核相，標(biāo)配一路溫濕度控制，加熱回路故障告警，分合閘回路完好指示、分合閘回路電壓測量、預(yù)分預(yù)合閃光指示、電氣節(jié)點(diǎn)無線測溫，人體感應(yīng)自動照明，語音提示，電參數(shù)測量，4-20mA變送輸出，RS485通訊接口、以太網(wǎng)通訊接口、USB接口，IRIG-B對時 |
35KV/10kV/6kv間隔電參量測量 | APM830 | 三相(I、U、kW、kvar、kwh、kvarh、Hz、cosΦ)，零序電流In，四象限電能，實(shí)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(kuò)展記錄，2-63次諧波，2D1+2D0，RS485/Modbus，LCD顯示 |
35KV/10kV/6KV高壓柜除疑露溫濕度控制器 | WHD面板式 | 支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。 |
WHD20R | 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(yù)埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出 |
0.4KV低壓進(jìn)出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E | 無線則溫采集可接入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(yīng)取電，啟動電流大于5A，無線傳輸距離空曠150米 | |
0.4kV低壓出線柜多功能電力儀表 | AEM72 | 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos)，四象限電能,2~31次諧波測量，至大需量，RS485/Modbus，LCD顯示 RS485/Modbus，LCD顯示 |
AEM96 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、下測里，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧皮含里分析、低壓出線分相諧波及總基波電參量(電壓、電流、功率);電流規(guī)格3x1.5（6)有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 | |
04KV低壓柜內(nèi)環(huán)境溫濕度 | AHE100 | 無線溫濕度傳感器，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。 | |
網(wǎng)關(guān) | Anet-2E8S1 | 8個RS485串口2kV隔離，2個以太網(wǎng)接口,支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188DL/T645等通訊協(xié)議設(shè)備的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-0870-5-104等上傳協(xié)議支持多中心不同數(shù)據(jù)服務(wù)要求，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，裝置電源:220V AC/DC。 |
電力監(jiān)控系統(tǒng) | Acrel-2000/Z | 數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、數(shù)字通信、遠(yuǎn)程操作與程序控制、權(quán)限管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報表。 |
進(jìn)/饋線 | AM5SE-F | 三段式過流保護(hù)（帶方向、帶低壓閉鎖）、反時限過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、三相一次 重合閘、低頻減載、失壓保護(hù)、逆功率保護(hù)、斷路器遙控分合閘、故障錄波、全電參量 測量、獨(dú)立操作回路 | |
35kV | AM5SE-D2 | 兩圈變差動速斷保護(hù)、比例制動差動保護(hù) | |
變電站 | 35kV主變 | AM5SE-TB | 三段式過流保護(hù)（帶復(fù)合電壓、帶方向閉鎖）、反時限過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、間隙 零序電流保護(hù)、零序電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、啟動通風(fēng)、閉鎖有載調(diào)壓、斷路器遙控分 合閘、故障錄波、全電量測量、獨(dú)立操作回路 |
PT監(jiān)測并列 | AM5SE-UB | PT并列、低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告警 | |
進(jìn)/饋線 | AM5-F | 三段式過流保護(hù)（帶方向、帶低壓閉鎖）、反時限過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、三相一次 重合閘、低頻減載、失壓保護(hù)、逆功率保護(hù)、斷路器遙控分合閘、故障錄波 | |
廠用變 | AM5-T | 三段式過流保護(hù)（帶復(fù)合電壓閉鎖）、反時限過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、 變壓器非電量保護(hù)、斷路器遙控分合閘、故障錄波 | |
大功率異步電 機(jī)（2000kW 以上） | AM5SE-MD | 電機(jī)差動速斷保護(hù)、比例差動保護(hù)、啟動中過流一段保護(hù)、已運(yùn)行定時限過流保護(hù)、過 負(fù)荷保護(hù)、零序過流保護(hù)、過熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、低電壓保護(hù)、斷路器遙控分合閘、獨(dú) 立操作回路、故障錄波、全電量測量 | |
10(6)kV 開閉所 | 異步電機(jī) | AM5-M | 啟動中過流一段保護(hù)、已運(yùn)行兩段式過流保護(hù)、反時限過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序過 流保護(hù)、啟動時間過長、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過熱保護(hù)、相序保護(hù)、低電壓保護(hù)、斷路器遙控分 合閘、故障錄波 |
電容器 | AM5-C | 兩段式過流保護(hù)、反時限過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、不平衡 電壓/電流保護(hù)、非電量保護(hù)、斷路器遙控分合閘、故障錄波 | |
母聯(lián) | AM5-B | 兩段式過流保護(hù)、反時限過流保護(hù)、后加速過流保護(hù)、進(jìn)線備自投、母聯(lián)備自投、斷路 器遙控分合閘、故障錄波 | |
PT監(jiān)測 | AM5-U | 低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告警 | |
PT并列 | AM5-BL | 不同母線段上PT二次信號的并列/解列控制 | |
結(jié)束語
綜上所述，基于遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用電參數(shù)模塊采集母線的電壓值、電流值，通過運(yùn)算放大器對采集到的信號進(jìn)行射隨以及過零比較，利用ＡＤＣ以及外部電能計量芯片對電參數(shù)進(jìn)行測量，同時系統(tǒng)支持母線溫度檢測等功能。本文結(jié)合硬件、軟件設(shè)計，完成了實(shí)物的制造和調(diào)試，為同類產(chǎn)品設(shè)計和研究提供了參考。
參考文獻(xiàn)
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