基于物聯網的電力無人值守監控系統解決方案

煤礦電力無人值守監控系統解決方案

一、 概述
? 電力是煤礦生產的唯一能源，電力系統的安全性和運行狀態直接影響著煤礦的生產和安全。煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，在此環境下使用的電器設備、供電電纜和電纜接頭容易發生漏電和短路事故；
? 采掘面地質情況復雜，負載變化大，易造成電器設備過流發熱，使線路絕緣破壞，造成短路燒毀線路和電機；
? 采掘設備移動工作，供電線路在反復的拖拽中易發生絕緣破壞、短路等事故；
? 煤礦井下電纜供電距離短，常規保護選擇性差；
? 粗略的計量造成了用電浪費、計量管理與數據處理效率低下；
? 造成井下供電線路短路事故的原因復雜多樣，井下供電線路短路事故難以避免。
    東莞市場浩碩物聯網科技有限公司物聯網平臺可實現整個礦井的井下供電集中監控管理系統建設。系統著重解決煤礦供電供電自動化系統存在的五大問題：
? 保護可靠性差、時常有誤動和拒動的現象；
? 井下電壓波動、雷擊造成的井下高壓開關無壓釋放線圈誤動引起的大面積停電問題；
? 由于漏電保護方案單一，定值調整粗糙，無法精細整定，造成高壓漏電保護經常發生拒動、誤動；
? 電網監控功能單一，達不到無人值守變電所的建設要求。
? 電能計量功能單一，達不到節能減排和精細化考核的建設要求。
除此之外，我們還在產品中揉進了電網擾動錄波分析、故障預警、故障定位分析及短信息告警、保護器軟件遠程維護及升級等功能；

二、 設計原則
? 先進性
? 實用性
? 可靠性
? 經濟性
? 擴展性
? 開放性

三、 解決方案
（1) 按無人值守變電所設計，建設遠程電網監控系統
? 在地面調度建立一個電力監控中心，在監控中心內配置專用的電力監控服務器、操作站、打印機、UPS后備電源等硬件設備，完成整個電力系統的數據采集、運行狀態監視、電量計量和考核、安全閉鎖、遠程集控和自動控制，存儲、查詢和統計整個系統的運行數據、運行記錄、故障報警記錄等信息，并實現遠程監視設備運行情況，遠程操作控制井下設備的運行和試驗；電網監控軟件具有高級DA應用功能，可以實現故障預警和保護、故障定位處理和分析；
? 在地面變電所礦用一般型電力監控分站，接入轄區變電所的高壓開關、搭建電網監控專用通訊網絡，實現變電所通過地面調度中心和分調度中心進行遙控、遙測、遙調、遙視、遙試、電能計量等功能；達到變電所無人值班的自動化要求；
? 在井下變電所安裝礦用隔爆兼本安型電力監控分站，接入轄區變電所的高低壓開關，實現變電所通過地面調度中心和分調度中心進行遙控、遙測、遙調、遙視、遙試、電能計量等功能；達到變電所無人值班的自動化要求。
（2) 按節能減排建設要求，建設遠程電網計量監控系統
? 建設電網監控系統的同時，可利用電網監控網將變電所內高壓開關保護器內置的電度積分芯片統計計算所得的電能數據或者變電所內智能電能儀表的電能數據傳至地面調度中心，由電能計量統計分析軟件實現遠程電能計量監控功能。
（3) 采用分層、分布式配置原則，實現電網調度中心建設
? 在煤礦地面建立電力監控中心，配置相應的服務器和工作站等設備，安裝相應的電力專用組態軟件，
（4) 項目實施后的效果
? 在地面調度監控中心顯示和記錄井下各變電所所有數據；
? 進一步提高井下高壓開關保護動作的可靠性和準確性，提高供電可靠性；
? 解決電壓波動造成的井下大面積停電問題；
? 解決現有保護器整定值漂移和抗干擾能力差引起的開關誤動拒動等問題；
? 實現地面調度對井下變電所的遙測、遙控、遙信、遙調、遙視和遙脈，為實現變電所無人值班，打造數字化礦井打下基礎；
? 實現對變電所內部第三方智能設備的數據進行實時監測、預警。
（5) 煤礦電網監控系統構成圖

四、 所選產品技術指標
（1) 遠程監控部分主要功能
1) 實時測量與監視功能
測量供電系統每個回路的Ua、Ub、Uc、Uab、Ubc、Uca、3U0、Ia、Ic、3I0、P、Q、COSФ、絕緣電阻、有功電量、無功電量、頻率、功率因數等遙測量數據；
所有監測點均有動態圖標顯示，明確顯示監測點的運行狀態，每個數字量監測點有實時數據、實時曲線、運行記錄、故障記錄等數據顯示。
2) 遙信功能
實時監視開關分合位置、風電瓦斯電開入量狀態、控制輸出狀態、各故障報警狀態等信號量。
3) 遙控功能
高低壓開關的分合閘控制操作、保護信號復歸操作、啟動錄波操作和掛接檢修牌，提供并實現高低壓開關的就地/遠控兩種操作控制方式。在保護器及系統主機上都可以進行電路的分、合閘操作，具有本地控制和遠程遙控雙重功能。
4) 遙調功能
在保護器及系統主機上可就地/遠程在線進行保護定值整定、分時時段整定、最大需量周期整定、結算點整定、通訊設置整定等操作。
5) 告警功能
開關變位告警、保護動作告警、電壓電流越限告警；并且有文字彈出窗口和聲音提示。
6) 開關機構和控制電源監視功能
能夠監測開關機構異常，并發出告警，能夠監測控制電源完好性，并發出告警，以便及時檢修，避免保護動作時開關拒動。
7) 事故推畫面功能
當某變電所發生開關跳閘、保護動作等事件時，將自動調出事故回路所在的畫面；
8) 事件記錄存儲檢索功能
當開關變位、保護動作、發生預告信號、控制操作、修改定值時，均生成帶時標的事件記錄，存儲在磁盤中；
9) 定值管理功能
可以對選定的回路進行定值查詢、設定與打印。設定時為了定值設定的安全可靠，分定值預設和定值固化兩步進行。在保護器及系統主機上可就地/遠程在線進行保護定值整定、分時段整定、最大需量周期整定、結算點整定、通訊設置整定等操作。
10) 權限管理功能
有管理員級權限和客戶權限，管理員可以分配每臺工作站的權限，以保證系統操作的安全性；
11) 故障錄波分析與打印功能
當保護動作時，可自動啟動錄波功能，也可由調度下命令啟動某回路進行錄波，主站可再現電壓電流波形，分析各個時刻的幅值相位，諧波分析等，也可打印出錄波曲線；
12) 控制操作功能
控制操作有三種：高低壓開關的分合閘控制操作、保護信號復歸操作和啟動錄波操作；開關分合操作分預分預合，控制執行兩步操作，以確保開關操作的安全性；
因上級電源原因發生大面積停電時，能自動判斷故障性質，并能將故障線路迅速切除，并具備一鍵復電功能，復電邏輯程序由使用人員進行具體設定。
13) 歷史數據存儲與檢索功能
對電壓、電流、功率、功率因數、電度量等存儲小時值、日值、月值，存儲的時間長短只受磁盤容量的限制；
14) 系統及操作安全性
? 系統安全性：系統應采取可靠的軟、硬件措施，確保監測中心數據安全性及監測網絡各設備的安全性。
? 操作安全性：操作控制與管理應有級別授權，操作對象狀態檢驗、顯示和操作結果的預顯示，操作過程數據和狀態反饋、圖形顯示和過程記錄，可設置操作限制條件，對違章操作自動報警。
? 權限安全性：系統具有多級密碼驗證，自動屏蔽惡意操作和非法操作。
? 跟蹤記錄：實時記錄用戶修改、設置、整定、遠控等操作記錄。
? 系統具備現場開關停電密碼閉鎖和電子掛牌、送電密碼閉鎖和電子掛牌、遠程操控閉鎖和電子掛牌、帶電檢修保護和閉鎖等安全閉鎖功能，真正
的硬件智能閉鎖，就地遠程均可設置，不需外設閉鎖設施和旋鈕15) 編組操作及預案運行功能
? 編組操作：通過操作控制軟件，用戶可方便實現分組操作，實現分區、分批遠距離停送電功能。
? 預案運行：用戶可預先編制預案，發生預案設定情況時，用戶可啟動預案程序，執行預案操作。
16) 曲線存儲與檢索功能
可存儲電壓電流功率等的日曲線月曲線，存儲的時間長短只受磁盤容量的限制；
17) 報表設計與檢索打印功能
軟件自帶報表設計工具，可進行各類報表的設計，現實與打印時，自動
將數據從數據庫中取出，并填在表中。
系統的圖表配有顯示分析和統計計算工具，圖表均可直接打印輸出，曲線圖形可以用鼠標任意放大縮小，統計數據可以以直方圖、餅格圖顯示，方便對監測信息分析交流。
18) 打印功能
可進行屏幕打印、各類曲線打印、事件記錄打印、報表打印、錄波打??；
19) 圖形畫面組態功能
有強大的電力組態工具，可制作變電運行所需的各類圖形、曲線；
有監測點屬性設置和繪畫工具，系統圖庫儲備豐富的圖件，可根據需要更改系統界面的圖形和布局，設置與相應監測點的數據鏈接。
20) web瀏覽功能
可提供web瀏覽功能，使在局域網中的任何計算機，經授權均能瀏覽各
類曲線、報表和實時圖形。通過該功能，可實現煤業集團遠程監視供電系統的運行工況；
21) 設備檔案的管理
可在畫面上，點擊開關可調出開關的檔案資料，實現開關及相關設備的臺帳管理；系統的圖表配有顯示分析和統計計算工具，圖表均可直接打印輸出，曲線圖形可以用鼠標任意放大縮小，統計數據可以以直方圖、餅格圖顯示，方便對監測信息分析交流。
22) 監測功能
監測界面和內容可通過局域網采用C/S方式傳送到安裝了終端監控軟件的用戶，系統可通過局域網和客戶端軟件實現網上數據共享，并可接不同授權授予不同界面和功能。
23) 系統現場設備采用現場總線等傳輸方式，事件數據主動上傳，確保數據的實時性。
24) 規約轉換和數據轉發
可實現多種通訊規約的轉換，并向調度轉發數據。提供OPC Server接口，配合集中控制平臺進行集成。
25) 遠程維護功能
在用戶同意和開放時，通過Internet，可以對用戶的電力保護監控系統進行遠程維護和技術支持，使服務更加及時到位。終身免費升級保護程序，能夠在不停電情況下進行遠程升級保護和分站程序。
26) 自診斷功能
系統能及時發現分站、高開綜合保護器故障，并予以報警。
27) 數據密采功能
系統具備擴展能力，能夠實現設備電力參數遠程在線分析功能，能夠高密度（采集周期可達0.1秒）的對設備電氣參數進行遠程采集,采集參數包括：三相電壓、三相電流、零序電壓、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數、絕緣電阻、溫度、頻率、零序有功分量等數據，并自動繪制數據曲
線。
28) 一鍵式恢復供電功能
因上級電源原因發生大面積停電時，能自動判斷故障性質，并能將故障線路迅速切除，并具備一鍵復電功能，復電邏輯程序由使用人員進行具體設定。
29) 兼容性及可擴展性
系統執行國家標準，具有開放性，方便與其它系統掛接，同時能與國內主流設備生產廠家產品兼容。
可擴展性：系統配置靈活，安裝簡易方便，可根據用戶需求和資金情況，方便地對系統進行擴容和升級，如變電所增加開關、增加數據傳輸分站等擴
容，可由礦方技術人員直接完成。
30) WEB發布功能
監測界面和內容可通過局域網采用C/S方式傳送到安裝了終端監控軟件的用戶，系統可通過局域網和客戶端軟件實現網上數據共享，并可接不同授權授予不同界面和功能。
（2) 電網監控平臺高級DA功能
1) 故障診斷
當井下電網發生故障時，系統根據各分閘系統采集的開關跳閘變位信息、保護動作信息、錄波數據等故障信息進行綜合判斷，確定故障位置，給出故障區域。
2) 故障錄波
故障情況下，井下監控控分站自動優先上傳保護的動作事件信息，所有動作事件信息上傳完畢后，依次自動上傳單端測距故障分析報告和錄波文件，上傳完畢后提示用戶可以進行相關的分析，如波形分析等。故障錄波信息包含以下操作：
? 基本的波形操作、 波形顯示、 波形取反、查看離散點、波形縮放、波形移動、波形剪切、 分窗顯示、諧波分析

3) 故障報告
根據故障診斷和故障錄波的結果，生成電網故障分析報告，包括故障時間、故障范圍、故障性質、相關裝置動作情況等。此上故障信息均會在界面中央彈出報警提示框以及進行語音朗讀故障信息。一個故障發生后，自動推圖->開關閃光->事件報警框彈出打出故障文字信息->語音播報故障信息->錄波窗口閃爍提示->點擊顯示錄波曲線->錄波分析.
 
4) 保護動作行為分析
根據電網故障分析結果，自動判斷相關裝置的動作行為是否正確，并給出相關裝置的動作行為分析報告。若裝置的動作行為不正確，能夠分析裝置不正確動作的原因。
5) 網絡拓撲動態著色
網絡拓撲是電網分析軟件的基礎。它根據SCADA 系統采集的量進行網絡分析，將有電氣聯接的母線結合為“島”。其中無電源的島稱之為“死島”。同時給出各個設備的狀態信息。 網絡著色則是根據網絡拓撲監視出的設備狀態信息，以不同的顏色直觀的顯示出電網系統各個設備的電氣狀態（帶電與不帶電及其相互連接）。 在本系統中，采用接線圖直接描述拓撲關系，即所見即所得。接線圖畫好了，接線拓撲也就完成了。
（3) 電能計量部分主要功能
浩碩物聯網平臺中提供一套專業計量管理軟件，實現電量遠程自動抄錄，遠程合閘，自定義合閘等。和尖、峰、平、谷分時計量、最大需量的抄錄，可提供全礦、各單位、各設備任一時間段的用電狀況，自動生成班報、日報、月報、年報等多種形式報表，提供同期用電對比數據，為管理者提供實時精確的科學依據；并形成報表予以打??；
   浩碩物聯網平臺結構簡單清晰，分為系統設置、數據采集及處理、數據分析、曲線設計、報表生成及打印、數據維護、WEB 信息發布等功能模塊。根據系統的規模大小，既可以單機運行、也可以采用網絡運行模式。
1) 數據采集功能
? 支持多種通信規約。系統可不受限制地擴展通信接口，任何電能終端或采集負控終端、采集模塊、只要具備固定的通信規約，都可以通過編寫驅動程序接入系統。
2) 復費率分時計費功能
? 對于具有分時計費功能的電能終端，系統可直接讀取其分時段電能量。對于不具備分時計費功能的電能終端，系統可由數據處理機計算分時計費數據。
? 系統可針對同一系統內不同用戶級別、不同安裝地點的電能終端，設置不同的分時計費方案，每個方案都具有完整的日分時計費時段表。
3) 最大需量統計計算
? 最短需量周期為 5 分鐘，可按日、月、年統計線路上有功功率、無功功率、 視在功率、電流等的最大需量。
? 在電費結算公式設定時，增加按最大需量計費的參數，即可以在電費結
算和 計算單元，將需量因素計入電費，使電費管理與實際情況吻合。
4) 負荷曲線管理功能
? 提供專門的負荷曲線分析工具，可以讀取電能終端的各項歷史數據，形成日、 月、年負荷曲線。
? 提供計劃負荷與實際負荷的對比功能，使用戶實時把握負荷變化情況，針對 尖峰負荷的出現規律實施有效措施錯峰用電。

5) 自定義報表功能
? 系統提供自定義報表制作和查詢工具。
? 支持任意格式的報表和圖形( 曲線、棒圖、餅圖) 制作。
? 支持日報、月報、年報、實時報表、序列報表( 如事件報告) 等各種歷史數據的查詢。
? 可對查詢的報表進行簽名固化保存，避免報表隨數據庫數據源變動而發生改動。
? 支持對自定義報表以及 WEB 發布系統報表的查詢、修改和打印等操作, 設置不同的權限保護，有效提高系統的安全性。

6) 事件記錄及查詢功能
? 系統具有全面的事件記錄功能，可以記錄所有電能終端的原始事件及電量異常、需量超限、電能質量突變事件等高端電能終端提供的高級分析事件。
? 可詳細記錄所有系統設置、分時計費方案變更、表計啟停、校核與拆換、斷相補償、手置數據、修改數據等系統操作事件。
? 可對一些可逆操作( 如不正確的斷相補償、不合適的旁路替代等) 在授權范圍內撤消及重新恢復數據。
7) 數據查詢分析功能
? 系統具有全面豐富的數據查詢分析功能，可提供最簡單的列表查詢以及美 觀、貼近用戶管理需要的圖形顯示和打印模板等。 電量消耗對比圖：直接顯示不同結算單位的用電量消耗情況，以及某些結算單 位所消耗電量在全部消耗中的比重。 電費支出對比圖：直接顯示不同結算單位在同一段時間內的電費支出情況，以 及某些結算單位支出電費在全部電費支出中的比例。 損 耗 率對比圖：直接顯示各損耗量計算點的實際損耗率對比圖。 需量對比分析圖：直接顯示各結算單位在同一段時間內的最大需量對比圖。
? 提供圖表分析模板，支持用戶根據自己的需要定制對比分析圖表。

8) 實時監視和報警功能
? 對整個系統運行狀態進行實時監視
? 可對日、月平均電量波動超限，損耗率過高，缺相，失壓，數據缺失，數據錯誤等提供預、報警功能
? 支持用戶自定義的異常判斷條件，可對指定的數據區間進行過濾篩查；
? 具有綜合考評數據分析功能，可自動計算一段時間內的電壓合格率、電能不平衡率、月平均功率因數等，并制作報表供用戶打印分析
9) WEB 發布功能
? 系統具有WEB 信息發布平臺，可提供實時電量、開關量顯示、結算單位信息、電能數據、電費數據、事件、報表等查詢功能
? WEB 信息發布系統具有訪問權限保護，授權用戶可訪問指定數據?  WEB 信息發布系統具有可擴展性，用戶可自定義擴展頁面或修改頁面顯示風格
五、 設備電磁兼容性能及絕緣耐壓性能
電磁兼容性能試驗項目 試驗值 參照標準
靜電放電試驗 ±8KV/±15 KV GB14598.4-1998, Ⅳ級
（idtIEC60255-22-2:1996）
快速瞬變干擾試驗 ±4KV，共模，2.5KHz
±2KV，差模，2.5KHz GB14598.10-1996, Ⅳ級
（idtIEC60255-22-4:1992
浪涌(沖擊) 抗擾度 ±4KV，共模
±2KV，差模 GB/T 17626.5-1999標準Ⅳ級
絕緣耐壓性能
試驗項目 試驗值 參照標準
絕緣試驗 2kv交流，1分鐘 GB/T14598.3-93  6.0
沖擊電壓試驗 5kv,1.2/50μs,0.5J GB/T14598.3-93  8.0

六、 解決方案案例：
（1) 工程概況：
本技術規格書設計范圍包括：
地面變電所包括：地面110KV變電所、空壓機房變電所、回風立井通風機房配電室、風井場地變電所。
井下變電所包括：井下中央變電所、南翼大巷一號膠帶機機頭變電所、一采區變電所、二采區變電所，高壓開關共有83臺。
地面110kV變電所預留送礦調度中心的數據接口，地面變電所內高壓開關設備和井下變電所內的高、低壓開關設備綜合保護器具備RS485通信能力，可實現遠程通信。
（2) 總體技術要求
? 通過礦井工業以太環網通訊平臺，能夠實現對井下到地面變電所的電力參數的監測監控；
? 實現地面調度對地面和井下變電所智能開關的遙測、遙控、遙信、遙調、遙視等功能，實現變電所無人值守；
? 能夠在地面電力調度中心顯示、記錄和查詢變電所監控點的所有數據；
? 能夠事先防越級跳閘功能：對6KV及以上電壓等級的地面變電站開關及井下變電所高壓開關保護器升級改造，提高地面及井下高壓開關保護動作的可靠性和準確性，解決越級跳閘以及一個回路短路故障引起變電所開關全部跳閘的問題，提高供電可靠性；
? 解決線路瞬時失壓或電壓波動造成的井下大面積停電問題；
? 智能保護器具備后備電源，確保在失電后裝置能夠可靠動作并把故障數據記錄和傳送到地面，為事故分析提供依據；
? 對參與集控改造的變電所建立用電計量考核系統，使管理者實時掌握全礦電能消耗及重要設備電能消耗，為節能降耗提供科學指導方案；
? 兼容國網公司所定的規約，實現井上下電網監控、監測有關智能化操作規約的相關技術標準，以融合煤礦井上下電網的無差別監測監控。
（3) 建設內容：
地面各變電所建設電網監控部分：
地面監控系統共四個變電所由三部分組成：礦用一般型電力監控
分站、高壓開關用綜合保護器 ,礦用本安型網絡交換機（關聯UPS不間斷電源使用）。
? 將地面110KV變電所、空壓機房變電所、回風立井通風機房配電室、風井場地變電所，共10臺高壓開關綜合保護其更換為綜合保護器，高壓綜合保護器的RS485總線接口直接接入監控分站，實現遠程監控功能；
? 在地面110KV變電所、空壓機房變電所、回風立井通風機房配電室、風井場地變電所安裝礦用一般型電力監控分站，接入轄區變電所的高壓開關進行遠程監測、同時搭建電網監控專用通訊網絡，實現變電所通過地面調度中心和分調度中心進行遙控、遙測、遙調、遙視、遙試、電能計量等功能；真正達到變電所無人值班的自動化要求。
井下變電所建設電網監控部分：
井下監控系統共四個變電所由三部分組成：物聯云盒礦用隔爆兼本安型電力監控分站、高壓開關用綜合保護器 ,礦用本安型網絡交換機。
? 將井下中央變電所、南翼大巷一號膠帶機機頭變電所、一采變電所、二采變電所，所高壓開關綜合保護器，高低壓綜合保護器的RS485總線接口直接接入監控分站，實現遠程監控功能；
? 在井下中央變電所、南翼大巷一號膠帶機機頭變電所、一采變電所、二采變電所，各安裝物聯云盒礦用隔爆兼本安型電力監控分站，接入轄區變電所的高低壓開關進行遠程監測、搭建電網監控專用通訊網絡，實現變電所通過地面調度中心和分調度中心進行遙控、遙測、遙調、遙視、遙試、電能計量等功能；真正達到變電所無人值班的自動化要求。
地面監控主站建設：
在龐塔煤礦調度中心建立一個電力監控，監控中心內配置專用的電力監控服務器。電力監控服務器安裝浩碩物聯網平臺軟件，能夠進行開關遠程監測、遙控、定值設定，錄波分析，事故分析等，并進行網絡發布，使全網所有計算機都可以經授權通過IE進行瀏覽。
監控中心安裝在龐龐塔煤礦調度中心的監控主機可以進行運行監視和運行分析、定值修改、開關遙控等操作，可以設定授權或限制操作。并且可以遠程操作控制井下設備的運行和試驗。