淺談煤礦智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用



    關(guān)鍵詞:煤礦;電力監(jiān)控系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);軟件;應(yīng)用
    0引言
           隨著煤械化和自動化程度的不斷提高,為保證各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的正常運行,對安全供電的依賴性較強。由于煤礦井下供電設(shè)備的故障,給煤礦的安全生產(chǎn)帶來大的安全事故,因此,煤礦供配電系統(tǒng)運行的可靠性和合理性就顯得十分重要。盡管近年來煤礦供電管理部門在改進井下配電裝備、應(yīng)用新技術(shù)成果的同時,不斷強化人員素質(zhì)的管理,使煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性得到了提高,但由于人為因素造成的供電事故時有發(fā)生,影響了煤礦的安全生產(chǎn)。另外,供電部門每天用于值班和線路維護的工作人員較多,勞動生產(chǎn)率較低。因而,對井下供電系統(tǒng)實施微機保護和監(jiān)控以及實現(xiàn)變電所**就顯得十分迫切。就目前的煤礦供電系統(tǒng)而言,雖然微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)也得到了應(yīng)用,但主要是針對地面供電系統(tǒng),用于井下的微機保護和監(jiān)控裝置還不多,大部分是在防爆開關(guān)中設(shè)置漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、斷相保護等保護功能,釆區(qū)內(nèi)配電設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)功能較弱。實現(xiàn)井下變電所**,就是要實現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)"四遙功能和各種保護功能以及遙視功能:能檢測釆區(qū)變電所每次出線的電流、電壓、功率、因數(shù)、開關(guān)內(nèi)溫度等模擬量;檢測開關(guān)的位置狀態(tài)及實驗按鈕狀態(tài);能對開關(guān)進行正常分、合閘操作;能在上位機對饋電開關(guān)進行保護動作值整定。隨著井下**變電所推廣面的擴大,由于井下供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,釆區(qū)變電所和工作面配電點供電服務(wù)對象主要是采煤、掘進、運輸以及排水等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié),供電負荷種類繁多、區(qū)域分布廣、負荷工作場所地質(zhì)條件復(fù)雜,且存在著瓦斯、煤塵、水等有害介質(zhì),影響供電系統(tǒng)運行的不確定因素也較多,有可能存在安全隱患,所以裝備、技術(shù)**、功能較為完善的煤礦安全供電系統(tǒng)是非常必要的。KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)是針對煤礦供配電系統(tǒng)的特點,采用地面電力自動化系統(tǒng)的*新技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等開發(fā)的新一代煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng),可對煤礦地面和井下10kV及以下供電系統(tǒng)實施一體化的實時監(jiān)控,實現(xiàn)礦井變電所的**。該系統(tǒng)為礦井電網(wǎng)的安全運行提供了現(xiàn)代化的管理手段。
    1.KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    1.1綜合監(jiān)控信息管理層
           本系統(tǒng)根據(jù)用戶的不同要求,在地面建立面向全礦的計算機監(jiān)控信息管理網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)具有對圖形、語音、數(shù)據(jù)和文字等多媒體的存儲傳輸和交互作用等處理能力。系統(tǒng)平臺基于Windows操作系統(tǒng),以VC卄為開發(fā)工具,實現(xiàn)以多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)管理SA系統(tǒng)平臺及平臺上的應(yīng)用,并調(diào)整運行過程中的數(shù)據(jù)和功能。系統(tǒng)采用功能和數(shù)據(jù)復(fù)制型冗余策略,運行不同計算機或同一臺計算機上的多個進程,通過相互之間的信息交換,由多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀況。
          SA系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了礦井電力系統(tǒng)調(diào)度自動化、變電站(變電所)自動化的應(yīng)用,包括實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、畫面制作及顯示、報表制作及打印、告警判別及發(fā)布、數(shù)據(jù)處理及時鐘系統(tǒng)等豐富的功能。該平臺還包括了諸如網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)和遠程診斷及維護系統(tǒng),除了關(guān)鍵的實時數(shù)據(jù)庫和圖形技術(shù)外,還包括了一些常用的工具軟件,這些工具軟件對系統(tǒng)的使用很有幫助。SA系統(tǒng)平臺的功能主要有:
    可實現(xiàn)地面變電所的監(jiān)控及井下*變電所、采區(qū)變電所及各配電點的電力監(jiān)控;
    視頻圖象網(wǎng)上壓縮傳輸,在各個工作站既能看到所有數(shù)據(jù)信息,又能同時觀察到每個攝像點的信號;
    對外接口豐富,與其它系統(tǒng)匯接方便,除主流的OPC_Server方式夕卜,同時還保留了DDE、ODBC等方式;
    實現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)"四遙功能和各種保護功能以及遙視功能;
    所有信息在工作站上都可用瀏覽器瀏覽,并實現(xiàn)遠程信息的傳輸和故障診斷功能。
           地面變電所采用變電站綜合自動化系統(tǒng),提供以部頒CDT通信規(guī)約(或其它標(biāo)準規(guī)約)為數(shù)據(jù)協(xié)議的標(biāo)準RS232/RS485/LAN通信接口,通過設(shè)在地面的環(huán)網(wǎng)交換機將地面變電站綜合自動化系統(tǒng)接入KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺計算機,實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。
           井下變電所內(nèi)開關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)通過開關(guān)綜合保護單元采集并輸出,電力監(jiān)控站和開關(guān)綜合保護單元之間采用RS485/CAN通信(隔爆設(shè)備信號的輸出需通過安全隔離器作本安隔離處理),變電所的電力參數(shù)由電力監(jiān)控站通過設(shè)在各個變電所的環(huán)網(wǎng)交換機接入井下以太網(wǎng),采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)終J36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺計算機。
    1.2信息處理與監(jiān)控層
           信息處理與監(jiān)控層以監(jiān)測和控制中產(chǎn)生的信息為來源,通過網(wǎng)絡(luò)直接參與對各開關(guān)的操作及相關(guān)環(huán)節(jié)之間的調(diào)度協(xié)調(diào)。
    (1)主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式
           本系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)釆用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)光纖傳輸(工業(yè)以太網(wǎng)100Mbps/1000Mbps),能將礦井各變電所信息連接到系統(tǒng)平臺上,本系統(tǒng)往下能對礦井內(nèi)各高低壓開關(guān)發(fā)布控制命令,的運行狀態(tài),收集所需的參數(shù)以及整定開關(guān)數(shù)值;往上能連接信息管理網(wǎng),實現(xiàn)管理信息的交換功能。
    根據(jù)煤礦的特點,系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)滿足以下要求:
           設(shè)備選型符合有關(guān)標(biāo)準和行業(yè)標(biāo)準,滿足防爆、防塵、抗高溫潮濕和電磁干擾的要求。在物理上和邏輯上考慮了網(wǎng)絡(luò)信道的冗余,確保網(wǎng)絡(luò)通路的安全。當(dāng)系統(tǒng)某一子系統(tǒng)的通信或元器件出現(xiàn)故障時,不影響其它子系統(tǒng)的通信和整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。隨著礦井建設(shè)規(guī)模進程能做到整體規(guī)劃、分步實施,并能隨著技術(shù)的發(fā)展方便升級,可靠性高、穩(wěn)定性強、人機界面友好、操作簡單、維護方便。充分考慮了系統(tǒng)平臺和數(shù)據(jù)的安全性。具有可靠的身份機制、數(shù)據(jù)備份和病毒防護功能,具有防止侵擾的有效措施。
    (2)網(wǎng)絡(luò)控制層
           基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),傳輸介質(zhì)采用雙絞式單模礦用阻燃型光纜,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)釆用基于光纖以太網(wǎng)的環(huán)形架構(gòu)。與傳統(tǒng)的總線傳輸方式相比,釆用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)后,解決了電力系統(tǒng)信息量大、通信接口不暢、傳輸速率低的問題。各變電所的數(shù)據(jù)信息均匯集到以太環(huán)網(wǎng)中傳輸,維護簡單。
           從空間分布上看,系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)備從地面一直延伸至井下。井下節(jié)點設(shè)備可以是變電所的主站,也可以是某個區(qū)域的信息監(jiān)控站,或者是協(xié)議轉(zhuǎn)換器。
    (3)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的選型

           由于煤炭行業(yè)的特殊性,普通交換機在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性等方面不能完全適應(yīng)其環(huán)境的要求,且不能形成高速冗余環(huán)的連接方式,使用壽命也會大大降低。因而選用工業(yè)級的以太網(wǎng)交換機,本系統(tǒng)以摩莎公司生產(chǎn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機系列為**,開發(fā)出礦用環(huán)網(wǎng)接入器:支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和多重冗余方式,所有冗余結(jié)構(gòu)在切換時,傳遞的數(shù)據(jù)延遲小于20ms,不會造成數(shù)據(jù)丟失問題。

    (4)網(wǎng)絡(luò)冗余方式

            為了進一步提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,釆用單環(huán)或雙環(huán)、多總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余功能。光纖環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)通 建立一個環(huán)狀的光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余功能,減少了網(wǎng)絡(luò)單點故障,增強了整個通信網(wǎng)絡(luò)在突發(fā)情況下的適應(yīng)能力。
    (5)光纖傳輸
           由于井下的工作環(huán)境復(fù)雜,大型設(shè)備會產(chǎn)生大量的電磁干擾,普通的銅質(zhì)通信電纜較易受到這些干擾的影響,從而影響整個通信系統(tǒng)的正常運行。由于銅質(zhì)通信電纜傳輸距離有限,不得不增加中繼設(shè)備,相應(yīng)增加了成本和發(fā)生故障的可能性。采用礦用光纜可克服上述缺點,獲得較長的通信距離及較強的抗干擾能力,是用于井下環(huán)境的理想通信線路。
    1.2數(shù)據(jù)釆集設(shè)備
    (1)電力監(jiān)控主站
           KJF88和KJF99電力監(jiān)控主站作為井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,具有數(shù)據(jù)處理、遠程控制、圖象顯示及網(wǎng)絡(luò)遠程通信等功能。電力監(jiān)控主站以嵌入式工控機為**部件,基于WinCE操作系統(tǒng),具有紅外人機對話接口,可同時釆集32路開關(guān)信息,有數(shù)據(jù)釆集處理能力和豐富的圖形操作工具,具有較高的可靠性和穩(wěn)定性;配有接入2路視頻的嵌入式視頻服務(wù)器,將釆集的圖形以MPEG4格式通過以太網(wǎng)上傳,配合數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)變電所的無人職守。電力監(jiān)控站的主要功能有:嵌入式計算機、液晶觸摸屏,紅外遙控;友好的人機界面,全漢化分層菜單式操作;以太網(wǎng)絡(luò)、CAN總線、485總線等各種接口;內(nèi)置交換機,獨立連成光纖以太網(wǎng);數(shù)據(jù)、視頻和語音傳輸;?故障錄波,統(tǒng)一對時;內(nèi)置后備電源,為設(shè)備提供不小于4h的供電能力;監(jiān)測控制保護功能獨立,完全不依賴于通信網(wǎng);友好靈活的組態(tài)平臺。KJA9安全隔離器采用光電隔離技術(shù),隔爆開關(guān)智能綜合保護單元的通信信號通過安全隔離器接入電力監(jiān)控主站,實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備非本安RS485信號轉(zhuǎn)為遠距離傳輸本安RS485信號,以確保電氣性能的安全。
    1.3現(xiàn)場控制層
            現(xiàn)場控制層主要包括直接針對供電設(shè)備的高、低壓開關(guān)的智能綜合保護器、電力參數(shù)變送器、監(jiān)測裝置等。
    (1)智能綜合保護器

           CZB1系列智能綜合保護器適用于煤礦井下電網(wǎng)中性點不接地供電系統(tǒng)或中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),可對高爆開關(guān)進行監(jiān)控和保護,及時將設(shè)備的電氣參數(shù)信息、設(shè)備工況以及故障信息及故障錄波數(shù)據(jù)通過電力監(jiān)控主站發(fā)送到地面調(diào)度中心,同時也能夠接收地面調(diào)度主站發(fā)出的遙控、定值設(shè)定和信號復(fù)歸等命令,實現(xiàn)遠程操作功能。智能綜合保護器的特點:集保護、遙測、遙信、遙控及電量的積分累計功能于一體;以工業(yè)級DSP為主體,性能穩(wěn)定、可靠。釆用表貼芯片、多重光電隔離、軟、硬件濾波、看門狗電路等技術(shù),從硬件到軟件的設(shè)計都充分考慮了保護器的抗干擾能力;每周波24點釆樣,采用快速傅里葉算法,具有很高的保護和測量精度;大容量的高速存儲器用于保存保護定值和保護器動作事件,存儲故障錄波數(shù)據(jù);大屏幕液晶顯示信息,紅外遙控,菜單操作、調(diào)試方便;后備電源能夠可靠運行2h以上,實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)實時上傳和就地顯示功能;實時時鐘顯示功能,能就地修改和遠方自動校時;RS485或CAN總線網(wǎng)絡(luò),可直接與微機監(jiān)控或保護管理機聯(lián)網(wǎng)通信;故障事件追憶、長期記憶保護動作跳閘原因、故障動作時刻、故障動作值。多用途、高智能化的電力參數(shù)變送器.在一些煤礦井下變電所及各配電點可能還有許多老開關(guān)無電信號輸出。以高性能單片機為**的KGD4B型電力參數(shù)變送器具有體積小、安裝方便等特點,可以直接安裝在開關(guān)內(nèi),有遙測、遙信和遙控等多種功能,可以直接釆集及顯示各類電參數(shù),并具有事件順序記錄和實現(xiàn)時鐘同步功能,特別適合井下采區(qū)變電所等場合老開關(guān)的改造使用。同時還可以直接與中心站主機通信,將電力參數(shù)變送器送來的信息經(jīng)安全隔離器隔離后,送到地面主機。

    (2)系統(tǒng)主要功能與特點

            可監(jiān)測電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電量、開關(guān)合/分閘狀態(tài)等電力參數(shù)。具有過載、短路、斷相、漏電、絕緣監(jiān)視等綜合保護功能??稍诘孛嬷鳈C上對井下智能隔爆開關(guān)進行分/合閘控制、定值整定、故障診斷等。實時數(shù)據(jù)顯示報警事件記錄,具有不同的告警權(quán)限和告警方式。電網(wǎng)運行設(shè)備發(fā)生故障時,自動記錄繼電保護、控制裝置和斷路器動作的時間和狀態(tài),實現(xiàn)圖表、曲線、事故追憶的數(shù)據(jù)釆樣和保存功能。豐富的圖形編輯及顯示功能,在畫面上可以根據(jù)設(shè)備的具體情況直接控制設(shè)備,對保護設(shè)備進行查詢、調(diào)整和復(fù)歸操作等。具有報表制作、顯示、打印功能,可統(tǒng)計和計算數(shù)據(jù)。提供GPRS時鐘或計算機時鐘對時,包括對監(jiān)控站、微機保護裝置等的統(tǒng)一對時,便于判斷電網(wǎng)開關(guān)越級跳閘等故障,并具有故障錄波分析功能。使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器,通過局域網(wǎng)或撥號網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存功能,包括畫面、報表、系統(tǒng)運行信息的査看。系統(tǒng)接口、協(xié)議豐富,易于異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通集成,實現(xiàn)與全礦井綜合自動化系統(tǒng)的無縫連接。系統(tǒng)擴展性好,本系統(tǒng)以變電所為單位,變電所的增加只需將數(shù)據(jù)通道接入主傳輸通道。通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)遠程診斷、復(fù)制更改用戶系統(tǒng)的配置文件和系統(tǒng)數(shù)據(jù)等功能。

    2.安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案
    2.1概述
           針對用戶(一般為35kV及以下電壓等級),通過微機保護裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。
           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)自動化及**的要求,針對35kV及以下電壓等級研發(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)用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù),集保護、監(jiān)測、控制、通信等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及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站,可實現(xiàn)對變電站*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)濟運行提供了堅實的**。
    2.2應(yīng)用場所
           適用于軌道交通,工業(yè),建筑,學(xué)校,商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設(shè)計、施工和運行維護。
    2.3系統(tǒng)架構(gòu)

           Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計,可分為三層:站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層,組網(wǎng)方式可為標(biāo)準網(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)分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

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    2.4系統(tǒng)功能
    (1)實時監(jiān)測:直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài),實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。
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    (2)電參量查詢:在配電一次圖中,可以直接查看該回路詳細電參量。
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    (3)曲線查詢:可以直接查看各電參量曲線。

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    (4)運行報表:查詢各回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)。

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    (5)實時告警:具有實時告警功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位,保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
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    (6)歷史事件查詢:對事件進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。
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    (7)電能統(tǒng)計報表:系統(tǒng)具備定時抄表匯計功能,用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況。
    (8)用戶權(quán)限管理:設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能,可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。
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    (9)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖:支持實時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
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    (10)電能質(zhì)量監(jiān)測:可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。
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    (11)遙控功能:可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠程遙控操作。
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    (12)故障錄波:可在系統(tǒng)發(fā)生故障時,自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
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    (13)事故追憶:可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。
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    (14)Web訪問:展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息,設(shè)備通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。
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    (15)APP訪問:設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

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    2.5系統(tǒng)硬件配置

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    3.結(jié)語
           KJ36A型煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使電網(wǎng)調(diào)度人員可*而準確地獲得各變電所運行的實時信息,完整地掌握變電所的實時運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備運行中的故障,并作出相應(yīng)的決策和處理,同時可以使值班管理人員根據(jù)設(shè)備運行情況進行負荷分析、合理調(diào)度、遠控合分閘、避峰填谷,以減少和避免誤操作、誤判斷,縮短事故停電時間。該系統(tǒng)已在柴里礦、許廠礦和梁寶寺礦等幾十個煤礦安裝使用,具有可靠性高、抗干擾能力強、實時性好及維護簡單等特點,具有良好的應(yīng)用前景。

    參考文獻:
    [1]王海波,史友仁.煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用
    [2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.


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