胡冠楠 Acrelhgn

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：近年來，我國對(duì)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(jì)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(duì)煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即對(duì)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(cè)控裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文首先對(duì)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(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦；電力監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)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(gè)過程中大幅增長。此外，現(xiàn)代電力監(jiān)控系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取代了傳統(tǒng)分布式廠站自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)，帶來便攜的同時(shí)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(shí)監(jiān)控著電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況并及時(shí)做出調(diào)整控制，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1. 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(duì)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(huì)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)立一個(gè)DMZ區(qū)，使連接盡可能小化。

1.2區(qū)域邊界

現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(cè)裝置，對(duì)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(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，但未對(duì)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，無法及時(shí)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(duì)獨(dú)立性，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通常現(xiàn)場(chǎng)工程師、操作員等在系統(tǒng)開車后不會(huì)安裝任何補(bǔ)丁，部分終端同時(shí)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(dòng)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(shí)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(duì)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(jí)檢測(cè)過程中，第三方人員的遠(yuǎn)程維護(hù)可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的信息X密，對(duì)運(yùn)維過程中的誤操作事件缺乏證據(jù)支撐。

1. 電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1地面主站調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)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(shí)，備用機(jī)及時(shí)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(huì)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(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以形成報(bào)表模式，便于查詢；同時(shí)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(shí)繪制的圖形會(huì)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?cái)?shù)據(jù)向上級(jí)監(jiān)控站傳輸。

2.2電參數(shù)模塊設(shè)計(jì)

電參數(shù)模塊子程序設(shè)計(jì)過程時(shí)，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(shí)應(yīng)該先對(duì)通信端口進(jìn)行配置，配置完成后開始對(duì)芯片的指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)計(jì)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(jì)、工業(yè)入侵檢測(cè)系統(tǒng)和日志審計(jì)系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行安全審計(jì)、檢測(cè)，識(shí)別、審計(jì)、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(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的總體運(yùn)行情況，自動(dòng)識(shí)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(duì)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(cè)所有通過的數(shù)據(jù)包，并對(duì)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(duì)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(duì)所有異常情況進(jìn)行審計(jì)、發(fā)出報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)維人員去處置。工控安全審計(jì)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(shí)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(xiǎn)分析與評(píng)估，為安全事件追溯提供證據(jù)。

2.4礦用綜合保護(hù)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)

對(duì)礦用綜合保護(hù)測(cè)控裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)微機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jí)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(shí)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(cè)功能和硬件閉鎖保護(hù)功能，通過不斷地進(jìn)行自我檢測(cè)，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(jì)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(shí)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(shí)對(duì)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(shí)，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(shí)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(jì)了防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)。防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用光纖閉鎖信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)線路段進(jìn)行電流閉鎖保護(hù)。防越級(jí)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(jí)跳閘微機(jī)保護(hù)集控制、通信、測(cè)量、防越級(jí)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(hào)，收集信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一匯總，后轉(zhuǎn)發(fā)至上級(jí)電路。饋線段在工作時(shí)不需要打開全部光纖信號(hào)，選定一路光纖即可。

1. 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(dòng)化及無人值守的要求，針對(duì)35kV及以下電壓等級(jí)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(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測(cè)、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(jí)的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiān)實(shí)的保障。

3.2應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）

交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、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(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)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

1. 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(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行射隨以及過零比較，利用ＡＤＣ以及外部電能計(jì)量芯片對(duì)電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)支持母線溫度檢測(cè)等功能。本文結(jié)合硬件、軟件設(shè)計(jì)，完成了實(shí)物的制造和調(diào)試，為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究提供了參考。

參考文獻(xiàn)

1. 路超.煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.[J]

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

3. 安科瑞電力監(jiān)控與保護(hù)類產(chǎn)品選型手冊(cè),2022.07.

4. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)，2022.05.

應(yīng)用場(chǎng)合

型號(hào)

保護(hù)功能

系統(tǒng)解決方案

10kV

分配電所

進(jìn)饋線/廠用變

PT監(jiān)測(cè)

AM4-I

AM4-U

三段式定時(shí)限過流保護(hù)、反時(shí)限過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、零序過壓保護(hù)、非電量保

護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、斷路器遙控分合閘、故障錄波

低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告