淺談煤礦電力監控系統的設計研究及二次設備選型

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，電力監控系統設計工作越來越受到重視。為了解決原有電力監控系統存在的通信混亂、傳感器采集速度慢、數據集中處理能力較差等問題，對煤礦電力監控系統進行了設計，即對電力系統地面主站調度監控系統、井下電力監控分站和礦用綜合保護測控裝置進行了設計。本文首先對電力監控系統安全現狀概述，其次探討了電力監控系統設計，以供參考。

關鍵詞：煤礦；電力監控系統；設計研究

引言

隨著智能化、信息化技術的不斷發展，越來越多的新興技術在電力系統中不斷應用，使得電力監控系統所涉及的技術、工作量、工作難度在這個過程中大幅增長。此外，現代電力監控系統使用計算機網絡技術取代了傳統分布式廠站自動化設備技術，帶來便攜的同時也讓電力監控系統暴露在多重網絡威脅中。電力監控系統實時監控著電力系統的運行情況并及時做出調整控制，保障了電力系統的安全穩定運行。

1. 電力監控系統安全現狀

1.1網絡結構

無法保證外網接入安全，保證對主機和應用系統資源的合法使用和用戶身份的合法性。通常電廠會在DCS系統網絡和外部網絡之間設立一個DMZ區，使連接盡可能小化。

1.2區域邊界

現場控制層與監控層之間存在安全威脅互侵。缺乏邊界保護，容易受到信息網絡和相鄰系統的安全影響。1.3通信網絡

按照《國家電網公司關于加快推進電力監控系統網絡安全管理平臺建設的通知》的要求，在電力生產系統I區和II區中部署網絡安全監測裝置，對電氣網中的服務器、工作站網絡設備安全防護等監測進行數據采集和分析，但未對發電監控系統進行監控，無法及時發現網絡中的各種違規以及入侵攻擊行為，無法溯源入侵的未知設備、非法應用和軟件。

1.4終端設備

生產控制系統和生產監控系統的操作終端大部分采用Linux和Windows系列的操作系統，為保證過程控制系統的相對獨立性，同時考慮到系統的穩定運行，通常現場工程師、操作員等在系統開車后不會安裝任何補丁，部分終端同時安裝多種防病毒軟件，上位機編程組態監控軟件與傳統殺毒軟件不兼容、無嚴格的U盤等移動介質管控、終端登錄無身份認證措施、應用軟件存在使用默認密碼和用戶口令粘貼于顯眼位置現象、外部設備管理采取封條方式、未部署安全技術措施，終端設備存在被攻擊的可能。

1.5通訊協議

工業協議為了滿足相應的數據實時性和周期性，往往缺乏有效的用戶安全認證、數據傳輸的加密解密等基本信息安全手段。協議的相關信息又能通過公開渠道獲取，攻擊者很有可能利用協議的漏洞對工控網絡發起攻擊。

1.6控制系統

在系統維修或升級檢測過程中，第三方人員的遠程維護可能會導致相關生產數據的信息，對運維過程中的誤操作事件缺乏證據支撐。

1. 電力監控系統設計

2.1地面主站調度監控系統設計

地面主站調度監控系統主要由數據服務器、通信柜、網絡設備等組成。數據服務器對系統的運行數據進行儲存，便于后期查看；通信服務器將變電所管理站與數據服務器間的數據進行互換，達到數據信息傳遞的目的。在地面電力監控調度中心配置電力集控軟件，監控主機運行過程中，備用機與監控主機進行數據交換，當監控主機發生異常時，備用機及時代替監控主機，進行冗余設置。當軟件登錄完成后，會進行數據入庫；完成數據入庫后可以查詢相關監測數據，數據可以形成報表模式，便于查詢；同時軟件自帶作圖模塊，可以根據輸入的數據繪制圖形，此時繪制的圖形會展示于人機界面；繪制的圖形可以通過局域網進行局部分享，將監控數據向上級監控站傳輸。

2.2電參數模塊設計

電參數模塊子程序設計過程時，首先要配置好外部電路，其次采用基于串口通信的MODBUS協議即可從設備中讀取到相應的函數信息，最后在操作函數時應該先對通信端口進行配置，配置完成后開始對芯片的指令進行CRC校驗計算。

2.3加強網絡安全監控體系建設

通過在電力監控系統網絡關鍵節點部署工控安全審計、工業入侵檢測系統和日志審計系統，對網絡流量進行安全審計、檢測，識別、審計、記錄生產控制系統的操作行為和異常網絡行為、網絡設備日志，便于事后進行取證和定責。提供整個控制網絡的總體運行情況，自動識別網絡設備，顯示網絡設備當前狀態，進行網絡性能綜合分析，針對工業控制系統重要的網絡節點或區域，監測所有通過的數據包，并對數據包進行深度解析，實現控制行為合規性檢查，針對異常或非法操作數據包，分析是否有外界入侵或人員誤操作，并對所有異常情況進行審計、發出報警，提醒現場安全運維人員去處置。工控安全審計系統不僅可輔助安全運維人員發現、分析與處置安全事件，可以與串行部署的安全防護類設備配合使用，為實時修正安全保護類設備的安全策略提供數據支撐。還可以提供全面的安全事件數據，支撐階段性全網安全風險分析與評估，為安全事件追溯提供證據。

2.4礦用綜合保護測控裝置設計

對礦用綜合保護測控裝置進行設計，首先需要對微機監控保護裝置進行設計。微機監控保護裝置選用GWZB-10型微機保護裝置，其主要用于額定電壓3300V和頻率50Hz的電網環境。微機保護裝置核心為32位單片機，微型互感器及工業級的外圍芯片是保護裝置的輔助部分，其具有較高的靈敏度和可靠性，內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。保護裝置具備自我檢測功能和硬件閉鎖保護功能，通過不斷地進行自我檢測，從而保證設備正常運行，提升監控系統的穩定性。微機保護裝置內部設計有隔爆遙控器，使用者可以通過遙控器進行遠程系統操作，很大地提升了操作系統的效率。同時由于利用遙控器控制，可舍棄設備上的按鍵，省去礦井設備的復雜按鍵改造，提高系統改造效率。另外，保護裝置內部通過設定控制值進行控制，控制值可以查詢和修改。保護裝置定時對自身運行狀態進行檢查，當發現設備存在故障時，能夠準確定位故障芯片。保護裝置配備有RS-485/RS-232標準通信接口，能夠較好地匹配電力監控系統的接口。煤礦電網線路較短，阻抗較小，在發生短路事故時產生的電流很大，為了保證供電系統穩定運行，設計了防越級跳閘保護系統。防越級跳閘保護系統采用光纖閉鎖信號，對系統線路段進行電流閉鎖保護。防越級跳閘系統主要包括智能光纖控制服務器SU20、礦用智能光纖保護PA61和PA63。PA63防越級跳閘微機保護集控制、通信、測量、防越級等多種功能于一體；智能光纖控制服務器SU20主要用于收集閉鎖信號，收集信號后對信號進行統一匯總，后轉發至上級電路。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。

1. 安科瑞電力監控系統產品介紹與選型

3.1概述

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等多功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現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、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

3.2應用場所

辦公建筑（商務辦公、機關辦公建筑等）

商業建筑（商場、金融機構建筑等）

交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）

廠礦企業建筑（石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等）

新能源建筑（光伏發電、風能發電等）

3.3系統結構

Acrel-2000Z電力監控系統釆用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

3.4設備選型

1. 結束語

綜上所述，基于遠程電力監控系統應用電參數模塊采集母線的電壓值、電流值，通過運算放大器對采集到的信號進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進行測量，同時系統支持母線溫度檢測等功能。本文結合硬件、軟件設計，完成了實物的制造和調試，為同類產品設計和研究提供了參考。

參考文獻

1. 路超.煤礦電力監控系統設計研究.[J]

2. 高正中，王亞男，牛慧暉，等.用于礦井電網電壓同步頻率檢測的改進型DSOGI-PLL［J］.工礦自動化，2020，46(8)：75-81.

3. 安科瑞電力監控與保護類產品選型手冊,2022.07.

4. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊，2022.05.