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1  引言
   煤礦供電質量對礦井安全和正常生產有著直接影響，隨著采煤機械化程度的提高，煤礦供配電系統運行的可靠性和合理性顯得更為重要。完善的電力監控系統可以有效地保證井下電網的安全運行，并能實現供電的“移峰填谷”，給煤礦帶來巨大的社會和經濟效益[1]。
   我國很多煤礦所使用的供電系統還都是原始的人工停送電模式，暴露出生產成本和管理模式上的種種不足。隨著電子信息技術、自動化技術和網絡技術在煤炭行業應用的逐漸成熟，建立一套基于工業以太網和現場總線的礦井供電監控系統已經是煤炭行業發展的大趨勢。本文闡述了基于工業以太網和現場總線的煤礦電網監控系統在戚家坡煤礦的具體應用。該系統能夠實現對井下及地面各變電所供電系統的遠程監控功能，不僅可以降低生產成本，而且提高了工作效率，具有推廣應用價值[2]。
2  工業以太網和現場總線技術
   工業以太網是一種符合IEEE802.3（以太網）和802.11（無線局域網）標準的高性能的局域網絡。通過工業以太網，用戶能建立高性能寬范圍通訊網絡。隨著互聯網技術的發展與普及推廣，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發展，使Ethernet全面應用于工業控制領域。
   現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通訊。現場總線控制系統既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布式的控制系統。它作為智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及管控一體的綜合自動化功能。
現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們各自都具有了數字計算和數字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統[1,3,4]。

3  基于工業以太網和現場總線的電網監控系統的構成
   根據系統功能需要，本系統采用工業以太網加現場總線的結構模式，由監控計算機、變電所監控站、綜合保護單元等組成。電網監控系統采用分層分布式結構，按縱向分為調度中心層、電網監控中心層、網絡層和現場設備層，具體結構如圖1所示。

                            圖1 電網監控系統結構圖

  （1）調度中心層：通過調度中心主機將電網監測數據集成在礦井綜合自動化系統，實現電網監測，便于集中調度與管理，調度中心通過工業以太環網與電網監控中心實現互聯。
  （2）電網監控中心層：為電網監測監控的主站，采用分布式、開放式的設計，組態完成站內監控功能，全面提供設備狀態監視及控制、保護信息記錄與分析等功能。主要由操作員工作站（一用一備）及工程師工作站組成，對于事故分析處理指導和培訓等專家系統，以及用戶要求的其它功能的工作站則可根據需要增減。電網監控中心通過工業以太環網與網絡層通訊管理機實現互聯。
  （3）網絡層：主要完成調度中心層與電網監控中心層、電網監控中心層與現場設備層、現場設備層之間的通訊，采用工業以太環網與RS485總線，標準的IEC60870-5-103通訊規約，通訊介質選用屏蔽網線及光纖。
  （4）現場設備層：保護測控裝置、自動裝置層。它對相關設備進行保護、測量和控制。各間隔單元均保留應急手動操作跳、合手段，各間隔單元互相獨立、互不影響，通過通信網互聯，并同電網監控中心層的設備通信，取消了原本大量引入主控室的信號、測量、控制、保護等使用的電纜，節省投資，提高系統可靠性。
   系統主干信道是光纖以太環網到各變電所，通過網絡交換機的數據接口將變電所開關數據接入主傳輸系統；在變電所內安裝電網監控站，采用現場總線RS-485方式采集變電所開關設備的運行參數和狀態，實現就地集中數據監測和設備控制的功能，主站對采集到的信息進行處理，集中上傳到系統主機。井下變電所內開關設備的運行參數和狀態通過綜合保護單元采集并輸出，電力監控站和開關綜合保護單元之間采用RS-485(隔爆設備信號輸出通過安全隔離器作本安隔離處理)，變電所的電力參數數據通過以太網傳輸到電力監控系統后臺[1,5]。
3.1電網監控中心和地面變電所
   戚家坡煤礦地面共有1個35kV變電所，3個配電室。在35kV變電所構造全礦電網監控中心。該監控中心有2套HS5000全礦電網監控主站系統，2臺HSX5020通訊管理機、1套GPS對時系統、1套模擬屏。通訊網絡利用現有綜合自動化環網平臺，具體電網監控結構如圖2所示。

                                        圖2 電網監控中心及地面變電所結構圖

3.1.1地面35kV變電所
   將35KV保護屏上保護裝置、6KV開關柜上保護裝置、6KV無功自動補償裝置、0.4kv進線及0.4kv母聯保護裝置、GPS對時系統等通過485總線接口接入1#通訊管理機，通訊管理機以以太網通信方式進35KV主控室環網交換機。
3.1.2副井絞車房配電室
   將6KV開關柜上保護裝置通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機，通訊管理機以以太網通信方式進35KV主控室環網交換機。
3.1.3制氮機房配電室
   將0.4kv進線及0.4kv母聯保護裝置等通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機，通訊管理機以以太網通信方式進35KV主控室環網交換機。
3.1.4風機房配電室
   將0.4kv進線及0.4kv母聯保護裝置等通過485總線接口接入35KV主控室2#通訊管理機，通訊管理機以以太網通信方式進35KV主控室環網交換機。
3.2井下變電所
   戚家坡煤礦井下共有3個變電所，分別是中央變電所、北翼采區變電所和南采區變電所。具體電網監控結構如圖3和圖4所示。

                              圖3 中央變電所結構圖

3.2.1中央變電所
   在6KV礦用一般型開關柜上使用1臺HSX5020通訊管理機，將6KV綜合保護裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)；低壓0.66KV進線及母聯通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)，均接入通訊管理機，轉換為以太網接入變電所環網分站，如圖3所示。
3.2.2北翼采區變電所和南采區變電所
   北翼采區變電所共有14臺高爆的保護裝置為HW3000型微機保護測控裝置，并在環網分站內使用通訊管理機1臺；南采區變電所共有17臺高爆的保護裝置為HW3000型微機保護測控裝置，在環網分站內使用通訊管理機1臺，均符合無人值守變電站微機保護測控單元功能要求。
   6KV高爆的保護裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)、660V低爆保護裝置通過485接口組成總線型式(隔爆型接線盒)，均接入通訊管理機，轉換為以太網接入變電所環網分站，如圖4所示。

                                   圖4 采區變電所結構圖

4  電網監控系統主要功能
4.1數據采集與預處理
   系統通過前置機與各受控站設備通訊，完成數據采集與設備控制任務，并負責向各受控站校對時鐘。系統能夠實時采集遙測量(電壓、電流、功率、功率因數、電度等)與遙信量(斷路器刀閘位置、保護自動裝置動作信號等)數據。采集的信息在這里經過預處理后存儲到系統實時數據庫中供其它模塊使用。本系統支持多種部頒規約（如CDT、1801、101、104等），并支持前置機主備冗余與通道主備冗余。
4.2開放的數據接口系統
   系統可以把采集和計算的數據提供給其它系統，可以采用標準通訊方式、SQL歷史數據訪問方式、API接口方式。標準通訊方式可以將系統數據轉發給上級調度或模擬屏等系統；SQL訪問方式和API接口方式可以將系統數據提供給MIS系統。
4.3畫面制作與運行狀態監視
   通過繪圖軟件（UTGraphic）可以制作各受控站主接線圖、地理圖、光字牌，定義各種類型曲線、棒圖、餅圖，可以自行定義各種圖元（變壓器、接地線、斷路器、隔離刀閘等），可以在圖形中定義各種動態關聯點（遙信量、遙測量等）。
   繪制好的圖形可以在系統運行時由人機界面程序顯示，其中的動態點可以根據現場實際情況動態顯示。
4.4控制和調節
   控制命令分遙控遙調兩類，遙控一般用于控制斷路器的合分，遙調用于控制主變分接頭位置。每次控制過程均產生一條控制記錄，包括操作人、監護人、控制內容、控制結果。該記錄可以通過操作事件查詢來觀看，操作事件可以打印到打印機。
4.5報警管理
   包括兩類報警信息：變電站運行事件信息（遙信變位、遙測越限），監控系統內事件信息（如網絡通訊故障）。當報警事件發生時系統自動彈出報警窗口，同時伴有語音、音響報警，并可同時打印到打印機。
4.6數據處理
   對于采集的數據可以進行進一步的統計、計算、旁代處理。
4.7自診斷
   本系統包括一個獨立的自診斷模塊，該模塊可以發現系統內實時運行程序的各類故障。當其發現某一模塊有問題時可以自動終止該模塊的運行，并重新啟動該模塊，恢復系統的正常運行。
4.8報表管理
   報表分定時報表和召喚報表，定時報表在用戶指定的時間時刻自動生成，召喚報表在用戶手工召喚時生成報表。
   可以定義各類日報表、月報表、季報表，這些報表都可以設置是定時打印還是召喚打印。
   對于召喚報表，可以在報表生產后直接修改報表中的相應數據，修改結果可以保存到數據庫中。

5  結論
   戚家坡煤礦應用基于工業以太網和現場總線的煤礦電網監控系統后，該礦的井下及地面各變電所供電系統實現了遠程監控，達到無人值守。實踐證明，該系統不僅可以降低生產成本，而且還提高了工作效率，具有推廣應用的價值。同時該系統具有通訊技術先進、功能豐富實用、性能安全可靠以及可擴展性強等優勢，必將在煤礦電力系統運行監控和數據采集、統計方面發揮重要作用。

作者簡介
   韋耀杰(1983-) 男  碩士研究生，現就讀于中國礦業大學信息與電氣工程學院，研究方向為電力系統無功功率補償。

參考文獻
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[2]李大鋒，趙帥，吳峰．基于工業以太網的煤礦電力監控系統的應用[J]．工礦自動化，2011(1)：84~86．
[3]喬貝貝，姜軍，苗金礦，張文科等．礦井綜合自動化系統在趙固一礦的應用[J]．工礦自動化，2011(5)：93~95．
[4]顧苑婷．工業以太網和CAN現場總線在煤礦監控系統上的應用研究[D]．上海交通大學碩士學位論文，2007（12）．
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