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平煤集团十三矿供电远程监测监控系统技术方案

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平煤集团十三矿

井下供电远程监测监控系统

技 术 方 案

常州市利安矿用设备厂
( 常州市武进矿用设备厂)
-4-15

目 录
一、 简介………………………………………… (3)

二、 概述………………………………………… (3)

三、 系统基本构成………………………………( 5)

四、 系统监控功能及主要技术指标……………( 9)

五、 电调中心……………………………………( 11)

六、 电源与接地…………………………………( 15)

七、 安装与调试…………………………………( 16)

八、 技术支持与服务……………………………( 16)

九、 系统设备报价………………………………( 17)

一．简介
常州市利安矿用设备厂(常州市武进矿用设备厂)始建于一九八八年, 是煤炭行业生产矿用隔爆型高压真空配电装置和矿用隔爆真空磁力起动器的专业厂家。
为了适应市场经济发展的需求, 企业创立了东南自动化研究所, 引进了高科技人才, 广泛吸收国内外自动化领域的最新研究成果, 研制具有国内外先进水平的自动化成套技术装备。现已研制成功KJ118煤矿井下供电监测监控无人值守的自动化系统、 KTK( 80) 矿用隔爆兼本安型可编程控制装置以及其配套的传感器如: KGBR2-拉绳急停传感器; KGPR1-跑偏开关; KGS1-速度传感器等新产品, 使之更广泛应用于煤矿、 电力、 港口、 冶金等行业。煤矿井下电力系统特别集中监控、 无人值守、 电力的调度更为完善合理。
工厂将从单一的煤矿产品逐步发展为电力、 港口、 冶金, 建材等其它各种行业服务, 为提高中国工业自动化水平做出新的贡献。
企业位于中国经济最繁荣的长江三角洲, 312国道江苏省常州戚墅堰段, 交通十分方便。
厂区占地面积165000平方米, 建筑面积62600平方米, 是一个花园式的科研单位和制造企业, 环境优雅, 实力雄厚。现有固定资产8500万元, 流动资金5500余万元。 销售产值1.25亿, 利税 多万元元。
企业现有职工200余名, 技术人员占25%, 具有高级技术职称的有18名, 其中: 教授、 研究员、 博士生5名 。下设厂部办公室、 营销中心、 生产技术中心、 质量保证部等部门, 生产, 检测设备齐全, 具有一定实力的生产能力, 产品销于全国各大煤矿, 质量稳定, 特别是华东各大煤矿, 产品覆盖率达80%以上, 产品质量深受用户好评。

二．概述
井下供电是煤矿生产的根本动力, 全力保障井下电网供电安全将从源头保障煤矿的安全生产, 是煤矿企业安全生产的重中之重。现在最迫切的需求是, 如何实现在地面对运行中的井下电网信息进行采集、 传输、 显示, 同时进行控制, 做到足不出户对井下情况了如指掌、 应对及时准确。近年来, 煤矿对井下采区变电所及中央变电所装备电力监控系统日益重视, 特别希望采区变电所实现无人值守, 采用遥测、 遥信、 遥控。嵌入式数字处理器采集变电所高、 低压开关的电量参数和开关量, 实现遥控, 已从20世纪90年代流行的单片机主流芯片发展到21世纪初的DSP芯片。主机软件已从WINDOWS环境下的单机版发展到当前开放式组态网络版, 支持多种网络协议, 如TCP/IP协议等。KJ118远程电力监测、 监控系统是一种结合电脑监视控制、 信息远距离高速传输及煤矿井下供电设备信息实时采集与控制等技术于一身的综合性的监视、 控制系统。
KJ118变电所自动化系统的优越性有几个方面:
( 1) 安全性: 利用屏幕显示器能够连续监测电力系统的运行情况, 及时发现事故, 有助于防止事故扩大和缩短停电时间。
( 2) 经济性: 合理地调配电力, 为用户减轻电费支出。
( 3) 提高电网运行质量: 运用计算机监测管理平抑电力负荷的峰谷, 使电网在较为经济合理的条件下运行。
( 4) 运行记录自动化。
( 5) 减员提效、 无人职守。
( 6) 组网功能: 利用计算机组成局域网, 能够很方便地在各职能部门设置工作站, 使各级领导在办公室就能够及时了解到整个电网的运行情况。
由于采区变电所位于瓦斯、 湿度较大的井下垌室中, 环境比较恶劣, 电磁干扰极强, 客观条件极大的限制了地面电力监测系统直接应用于井下, 因此国内一直没有开发出比较成功的相关产品。常州市利安矿用设备厂在井下高、 低隔爆开关及数字化综合保护器的开发、 研制及生产方面拥有多年经验、 众多的用户和成熟的技术。在此基础上, 开发出了电力监测与电力保护合一的综合保护装置, 直接代替采区高、 低爆开关的模拟继电保护装置, 它不但能完成过流保护、 短路保护、 漏电保护、 绝缘保护、 欠压保护等, 而且能将高、 低爆开关的分合闸状态及故障跳闸记录及时传送到电力监测系统的主机, 还能实时接收主机发出的分/合闸命令, 完成自动分/合闸, 从而实现采区变电所的无人值守。

三．系统基本构成
平煤集团十三矿要求设计的电力监控系统能对井下中央变电因此及各采区变电所的高、 低压开关( 高压配电装置、 高压磁力起动器、 低压馈电开关) 的主要电力参数进行连续监控, 地面控制中心设在平煤集团十三矿机电科电力调度室。由控制中心用工控机监测变电所的各项电参数, 同时也能够随时调看各个变电所的运行状况。变电所系统图见附图1
平煤集团十三矿电力监控系统的构成分为三个部分, 一是电调中心、 二是信息通道、 三是远动装置。见下图

1、 电力调度中心:
电调中心的主要功能: 把变电所远动装置传来的监测信息经过计算机屏幕显示出来, 变电所发生电力故障, 主机能自动切换到故障显示画面并启动打印机, 打印故障报表。
能够发出分、 合闸命令, 实现远方控制变电所高低压开关柜分、 合闸。
电网中心的主要设备有: 1台P4研华工控机, 配置1台21ˊ液晶显示器和1台宽行打印机, 一套高速光纤转换器, 一套稳压电源系统、 UPS不间断电源。
光端机将工控机网络转换卡发送的电信息转换成光信号, 送到光纤信道, 或将接受到的光信号转换成电信号送给工控机。

2、 传输信道
传输信道采用光纤通信, 速度高, 传输距离远、 抗干扰能力强, 用于地面中心站到井下KTK(80)/104分站之间的网络协议通信。主要设备是光端机和光缆, 以及光缆连接器( 光缆分线盒) 。

3、 远动装置
煤矿井下电力变电所的远动装置( RTU) 主要设备包括KTK(80)/104分站和GZB-ARM-9110型微机综合保护装置、 PIR-800智能综合保护器组成。
KTK( 80) /104是一种高性能, 高可靠性, 高电磁兼容性的嵌入式PC机, 体积小( 92mm×90mm) , 网络接口, CANbus/RS323接口/RS485接口, 并行I/O, 电子盘接口齐全。KTK(80)/104分站主要功能是采集微机综保装置的电参量, 传输到地面电调中心。PC104软件自行开发。
PC104的网络接口采用TCP/IP协议与电调中心工控机通信。PC104的CANbus接口与高爆开关柜的数字保护装置采用异步通信。
GZB-ARM-9110型嵌入式智能型高压综合保护器, 适用于电压等级为10KV和6KV, 额定频率为50HZ, 三相交流中性点不直接接地的供电系统, 是专用的高级智能型综合保护器, 可对下属电网及设备实施有效保护。是电力监控系统及煤矿企业管理与控制信息化综合系统的重要组成部分。
本保护器主要功能有: 电参量采集与测量、 过流、 短路、 监视、 漏电、 过压、 欠压等保护, 以及遥测、 遥信、 遥控功能。适用于10KV、 6KV电网中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的供电及变电系统, 广泛用于煤矿地面和井下变电所高压开关柜的电力监控与保护。在有爆炸性气体的采区变电所应用时, 应放置在防爆柜内。该产品采用32位ARM嵌入式处理器以及专用的电参量检测芯片和先进的铁电存储技术, 性价比高, 抗干扰性能强, 工作稳定可靠, 测量精度高, 保护跳闸灵敏, 人机界面全人性化操作, 汉字液晶显示, 现场红外非接触式以及远程参量整定, 使用维护方便。

PIR-800馈电开关智能综合保护装置(以下简称保护器), 是国内首先设计成功的能使用于含有爆炸性气体(甲烷)和煤尘的煤矿井下智能化多功能综合保护器, 能与380V、 660V、 1140V、 及3.3KV等电压等级、 最大电流至1000A的各种型号馈电开关本体配套使用, 以实现供电系统的各种功能。
保护器采用了先进的微处理器, 高精度的数据处理及先进的保护算法, 具有保护精度高、 反应速度快等优点。本保护器能实现总开关漏电保护、 分开关选择性漏电保护、 漏电闭锁、 过载、 短路、 三相不平衡( 包括断相) 、 欠压等多种保护功能。

4、 软件配置
本系统主机软件采用自主开发的电力系统专用工控软件, 该软件可运行在WindowsXP/Windows200/NT/98环境下。
支持局域网, 有专用的电力开发版, 配备有常见的图元符号和作图软件。
工控软件的二次开发就是要将上述功能按照平煤十三矿变电所的具体情况, 逐一进行组态, 满足用户的特殊监控需求。

四、 系统监控功能及主要技术指标
1. 数据采集功能
本系统主机与KTK(80)/104分站采用TCP/IP网络协议通信, 理论上主机能识别的分站数量不受限制。
每个分站可接入的微机综保装置基本数量为110个, 还可扩展。采集的模拟量( 遥测量) 包括电压、 电流、 有功、 无功、 功率因数、 电网频率; 采集的脉冲量为有功电量和无功电量; 采集的开关量为开关分合闸位置辅助接点, 以及事故顺序记录等。
2. 控制功能
主机发送对地址码的分、 合闸命令, 可实现指定高、 低开关的自动分、 合闸。
3. 计算功能
计算电网的功率总加, 电量总加, 负荷全天最大值、 最小值、 平均值等。
4. 报警
( 1) 越限报警
调度员根据电网内各输电线传输能力, 各主要变压器容量, 各段母线的电压值等设定上限或下限值, 当实测的运行参数越限时, 发出报警信号, 计算出的参数如电流值、 分区负荷值等超过给定的限值时, 也按此处理。
( 2) 开关变位报警
开关变位可分为两类: 一类是正常操作变位; 一类是事故跳闸变位, 两者具有不同的报警输出方式。
音响输出: 遥测越限, 开关变位及事故跳闸时, 可用不同的频率音响提示调度员。
画面输出: 在工作站上, 利用显示器报警做出提示, 在开关变位时, 自动跳出分站画面。
( 3) 报警功能的容量
每个遥测量均可设置越限值两对, 每个开关变位均有报警输出。
5. 事故追忆
事故追忆功能是电力系统发生事故时, 自动地把故障的有关信息以文件形式记录下来, 供事后分析用, 事故追忆的结果, 能够在工作站屏幕上显示, 也能够立即打印输出, 事故追忆的文件内容自动存入历史数据库。
6.具有一键恢复功能
当井下供电出现突发事故, 造成大面积停电, 可根据预先设计好的送电程序, 在地面上位机启动紧急状态一键恢复功能, 此功能可短时间内恢复变电所供电。
7. 趋势曲线
趋势曲线功能显示供电网中重要参数随时间而变化的曲线或棒图, 供调度员观察这些参数的变化趋势, 观察的时间段能够设定, 最长为24小时, 例如: 显示24小时的总负荷变化等。趋势曲线能够是供电网的总有功功率、 总无功功率、 各分区负荷等, 由调度员选定; 曲线采样间隔一般是15分钟, 曲线总量不超过200条。
8. 历史数据存贮
历史数据存贮功能是只将电网中重要的参数, 如电网总有功功率、 总无功功率、 各分区负荷、 各重要线路功率、 中枢点母线电压、 总电量、 分区用电量等的整点值存在磁盘上, 调度运行人员可调看一个月内任意一天的有关参数或调看对比性参数, 如: 同一周日的负荷变化等, 也可将其打印出来, 历史数据的存贮能够转存, 作长期保存, 硬磁盘上历史数据的存贮时间按六个月考虑。
9. 显示
能够显示各分站结构图、 负荷、 功率图、 数据曲线等画面。
10. 报表打印
系统接有1台打印机, 既能编制各种报表, 又能随时打印各种操作记录, 事故记录及其它异常信息, 打印具有定时、 人工、 随机三种方式( 包括画面拷贝) 。
11.消息登录
( 1) 事件记录
将电网运行中发生的事件, 开关变位和继电保护动作的时间( 时、 分、 秒、 毫秒) , 开关及保护名称, 变位后的状态以及符合次数等登录下来以便报警及检查。
( 2) 动作登录
将调度自动化系统发生的问题, 如工作站通信中断等事件记录下来, 以便维修人员检查、 分析。
12、 主要技术指标
( 1) 系统响应
重要遥测越限传送到主站小于: 10秒
画面响应小于: 2秒
画面刷新时间: 5秒
( 2) 主站系统可用率: 99.8%
( 3) 网络速率: 10Mbps
( 4) 可接RTU最大数: 110个
( 5) 通信误码率: <0.0001

五、 电调中心
1. 概述
地面电调中心对矿上各变电所的遥测、 遥信、 遥控是经过各变电所高压开关柜配置的GZB-ARM-9110型嵌入式智能型高压综合保护器、 PIR-800智能综合保护器来实现的。
GZB-ARM-9110型嵌入式智能型高压综合保护器、 PIR-800智能综合保护器、 采用32位ARM嵌入式处理器以及专用的电参量检测芯片和先进的铁电存储技术, 经过交流采样法直接监测电力系统高、 低压开关柜的电网二次侧交流信号, 经过数字信号处理, 算出电压、 电流、 有功、 无功、 功率因数、 工频频率等电气参量, 传送给KTK(80)/104分站, 其主要特点为:
综合保护装置放置在高、 低压开关柜内, 体积小、 功能强、 接线方便。
直接采集交流信号: 电网二次交流信号( PT100V, CT5A) 经过测量用互感器线性变换为1V左右的交流信号, 进行A/D采样, 无需再配电量变送器, 测量精度较高, 便于使用与维护。
测控功能齐全: 具有”三遥”功能( 遥测、 遥信、 遥控) 及电度脉冲计数测量功能, 还能完成事件顺序记录等。
现场总线规约: GZB-ARM-9110型嵌入式智能型高压综合保护器、 PIR-800智能综合保护器挂接在CANbus现场总线上, 与KTK( 80) 104分站通信。可扩展PC104的CANbus接口, 实现每台综合保护装置与PC104的一对一实时通信。
e. 高性能、 高灵活性: 电参量测量精度为0.5%。SOE(事件顺序记录)分辨率为2~20ms( 可选) 电压、 电流变化, 保护整定参数可在线修改, 硬件资源配置灵活。
f. 完善的数字式保护功能, 具备高、 低压开关柜的短路、 过载、 漏电、 电缆绝缘、 过压以及开关分合闸状态的实时监控保护。
g. 友好的人机接口: 采用10×5汉字字符液晶显示器, 配合菜单式人机交互界面, 操作直观简便。运行时显示电压、 电流、 功率等。
h. 上下位机闭锁功能: 当高压开关停电检修中, 为防止遥控误送电, 高压综合保护装置设置一个闭锁开关, 通知主机, 使主机暂时解除对该综合保护装置的监控, 高压开关可就地停送电。只有解除闭锁信号, 才恢复主机遥控功能。
i. 低压真空馈电开关增加了远方检漏功能后, 经过上位机对井下变电所内的低压开关发出检漏命令, 低压真空开关内的保护器接收到命令就可实现检漏试验, 并把本机开关检漏试验是否成功的信息实时返回给上位机, 上位机将对信息进行实时记录, 并对远方检漏试验结果和线路发生真正漏电进行区别

2. 组成及功能模块
( 1) KTK(80)/104型分站由嵌入式PC104模块, +5VDC/400mA电源等组成, 放置在隔爆箱内。配置一个网卡接口和一个CANbus接口, 网卡接口与高、 低压开关柜中的综保装置通信, 汇集各开关柜的监测信息。
( 2) GZB-ARM-9110型嵌入式综合保护器主要由ARM主控制模块、 交流采样模块、 CAN通信模块和I/O模块以及人机接口等组成, 工作原理框图如图2所示。

键盘
…

基
于
ARM
的
嵌入式
微控制器
程序存储器
数据存储器
故障报警
液晶显示屏
交流模拟量采集
开关量输入采集
人机接口
CAN通信接口
嵌入式控制中心
状态指示
通信
接口
继电器分合闸单元
执行机构
红外接口
红外遥控器接口

( 3) PIR-800智能综合保护器由采样电路、 检验电路、 主控板、 显示屏等四部分组成。电流传感器为穿芯式, 可直接穿在三相母线上, 便可获得与一次侧电流成正比的电流信号。主控板是对采集的信号进行处理, 一方面能实时地在液晶屏上显示出系统状态参数, 如三相电流及电压值等等; 另一方面在出现故障时能根据故障性质决定脱扣跳闸的时间, 显示并记忆故障相关参数, 以便用户查询。显示屏上有六个按键, 经过简单操作可随时对保护器的动作参数进行整定。
其原理图如框图3所示:
液晶显示
WDT
微 处 理 器
保护执行
实时信号采样
光电隔离
开关量输入
CAN通讯接口

供电主线路
空心电流
互感器
复式电源

( 4) 隔离器模块: 高、 低压开关柜中综合保护器送出的串行信号经隔离器隔离, 实现隔爆信号与本安信号的隔离。
( 5) 整机环境要求
运行环境温度范围: -10℃~+55℃
湿度要求: 小于95%( 不结露)
大气压力: 66-108 kPa
接地电阻符合GB2887的规定

六．电源与接地
1．概述
为了保证电力监测系统的可靠工作, 我们把能够影响系统正常运行的干扰源进行了分析比较, 认为要使系统能够正常工作, 必须在电源供给和接地处理上提出一定的措施来阻止或抑制干扰的影响。
2．供电系统
根据电力监测系统的工作性质和特点, 系统要求供给电力调度中心和RTU两个独立可靠的电源, 该电源回路内不应接入其它任何负载, 以保证电源的稳定性。
控制中心的电源由矿方提供双电源。供给计算机及外设部分的电源, 先经过交流稳压电源, 保证电源的稳定度, 然后再加入不间断电源装置, 以保证在一回路电源失电或瞬间断电时, 不影响整个系统的正常运行。UPS容量应能够保证系统在交流断电后系统维持正常工作60分钟。使系统数据不至于丢失。为了使系统电源工作之间尽量减少相互干扰, 计算机部分工作电源与其它电源分开单独供电。
3．接地系统
接地线的干扰是计算机系统的主要干扰之一, 良好的接地系统是计算机正常工作和设备完好的重要保证。因此电力监测系统主站和从站都要具有独立的接地系统, 而且要采取适当的措施, 使接地电阻满足如下要求:
( 1) 逻辑接地( 信号接地) 和功率接地电阻小于1.5欧姆。
( 2) 安全接地的接地电阻不大于4欧姆。
( 3) 防雷保护接地的接地装置与功率接地装置相距5米以上。
( 4) 系统主站的计算机机房采取防静电措施和防潮、 通风及防雷处
保护措施。
( 5) 对系统中的设备最好外加屏蔽罩, 防止外界高压辐射干扰对系统弱电回路的影响, 所有的屏蔽罩都连在一起与系统的安全接地连在一起。
4．防雷措施
因为电力调度中心的设备安装在机电调度室内, 调度室的防雷系统因覆盖了本系统的设备部分, 能够不予考虑。同时, 本系统的电源及相关设备都有一定的防雷设计和措施。通讯的信道采用穿管埋地单独铺设。安装时尽量避免高压电力线或其它通讯线网。

七．安装与调试
7．1技术方案
设备安装之前, 应当做好以下工作:
1．根据现场情况选定每个设备的具体安装位置;
2．详细阅读每个产品说明书, 按要求做好下井前的测试;
3．准备好以下工具: 光缆焊接机、 光功率计、 网络压线钳、 网络测试仪、 万用表、 各种扳手、 螺丝刀、 斜口钳、 钢丝钳、 笔记本电脑等。
7．2调试
设备安装完毕后, 即能够通电测试, 测试根据各个设备使用说明书的说明进行。
八．技术支持与服务
系统的技术支持、 安装调试、 售后服务由常州市利安矿用设备厂( 常州市武进矿用设备厂) 全面承担。本公司是集综合性开发、 生产经营、 工程安装为一体的高新技术企业, 在煤矿供电、 自动化、 信息化领域有着丰富的经验, 公司有专业的工程技术队伍, 科学的客户管理体系, 保证了随时向用户提供快捷专业的服务。
九、 供电系统设备报价
配套四个变电所高、 低压开关控制系统设备清单

序号
名 称
型 号
单位
数量
单 价
( 元)
总 价
( 元)
备 注
1
分站
KTK(80)-104
台
4
66000
264000

2
隔离器
非标
只
90
1650
14850

3
接线盒
KZK121
只
35
880
30800

4
研华工控机
P4 3.0
台
2
19500
39000

5
工控软件(网络版)
XJK2.28
套
1
55000
55000

6
网络转换卡
( 工业级)
个
2
2200
4400

7
液晶显示器
21″
台
1
4620
4620

8
打印机
Laberjet
台
1
6800
6800

9
交流稳压电源
6115-2．5KVA
台
1
3850
3850

10
UPS电源
山特
台
1
8000
8000

11
集线器
16口
台
1
627
627

12
14槽光信号转换机架
WA-1814-2A
台
1
6600
6600

13
网络光端机
LF958C
个
6
2310
13860

14
ST单模光跳线
DL50/02-8
根
20
176
3520

15
地面光缆终端盒
( 48口地面)
台
2
880
1760

16
光缆分线盒
( 地面)
个
4
1210
4840

17
井下光缆分线盒
MGPJ50B-1( 8口)
台
6
1760
10560

18
井下光缆分线盒
MGPJ50B-1( 4口)
台
6
1320
7920

19
5芯控制电缆
RVVSP5×0.3
米
1600
8.8
14080

20
控制电缆
RVVSP4×1.0
米
1200
7.2
8640

21
网络线
8芯
米
300
5.5
1650

22
网络水晶压头
8口
个
100
4
3400

23
多用电源插座

只
5
35
175

24
控制操作台
定做
套
1
8580
8580

25
低压馈电开关
KBZ-400/1140
台
88
16500
145

26
高压真空配电装置
PBG23-6
台
68
13570.0
922760.0
改造
27
编程器

台
1
13200
13200

28
系统专用工具
非标
套
1

赠送

小计
2905492
安装调试费+运费( 15%)
435823.8
总价: 3341315.8