井下變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

杜曉璐

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤礦井下供電系統(tǒng)具有環(huán)境惡劣且復雜多變等特點，并承擔著為井下采煤、運煤、通風等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的所有設備提供電力的重要角色。加之井下各種高壓、低壓真空開關或者綜合保護器類型不一，以及各配電站與中央變電站之間距離較遠且是變化的，因此實現(xiàn)無人看守是困難的［1，2］。傳統(tǒng)的井下變電所以及各配電站需要人工巡視和操作，地面調(diào)度管理人員也無法快速直觀地了解井下變電所設備的運行狀況及參數(shù)，更不能遙控設備的啟停操作及參數(shù)設置［3］。當供電所及配電站設備出現(xiàn)故障或受到外界干擾引起配電開關掉電等現(xiàn)象時，由于故障類型及位置很難確定，若不及時處理，將對煤礦井下的生產(chǎn)造成極大影響，甚至對礦井安全帶來嚴重威脅。因此，許多學者就實現(xiàn)井下變電所及各配電站的在線監(jiān)控做了大量工作。丁平［4］基于PLC和 WinCC設計了一套井下變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)，并已應用于棗莊礦業(yè)集團。顧苑婷［5］利用工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線技術的優(yōu)勢對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進行了研制與實現(xiàn)。陳玉娟［6］對目前井下變電所遠程監(jiān)控技術做了總結(jié)，并提出了多項改進措施。

結(jié)合目前井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，為了進一步實現(xiàn)煤礦井下供電智能化調(diào)度，提高自動化管理水平，并保證井下供電的穩(wěn)定，本文基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術對井下變電所在線監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計與研究。

1 工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線技術概述

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)技術概述

工業(yè)以太網(wǎng)是一種基于IEEE 802.3（Ethernet）的強大區(qū)域和單元網(wǎng)絡，并且在抗干擾性、實用性、可互操作性、可靠性以及本安性等方面均可滿足工業(yè)現(xiàn)場需求的一種以太網(wǎng)。目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術已經(jīng)成為工業(yè)控制領域中的研究熱點，其發(fā)展主要體現(xiàn)在通信確定性、實時性、穩(wěn)定性、可靠性和安全性等方面。工業(yè)以太網(wǎng)可根據(jù)環(huán)境和特定條件進行設計與改進，使其在電磁兼容性、工作可靠性、故障自愈等方面具有更為突出的特點和性能。工業(yè)以太網(wǎng)主要具備應用廣泛、通信速率高、成本低、資源共享能力強、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在與現(xiàn)場總線結(jié)合、直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信。

1.2 現(xiàn)場總線技術概述

現(xiàn)場總線是一種實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信系統(tǒng)，被稱為數(shù)字化、開放式、多點通信的一種底層控制網(wǎng)絡，主要應用于工業(yè)、交通、樓宇等生產(chǎn)現(xiàn)場和微機測控設備?，F(xiàn)場總線技術具有系統(tǒng)開發(fā)性、互可操作性與互換性、現(xiàn)場設備智能化與功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構的高度分散性和對現(xiàn)場環(huán)境適應性等特點。目前，國際上存在數(shù)十種現(xiàn)場總線標準，主要有FF、CAN、DeviceNet、Profibus等，它們具有節(jié)省硬件與投資、節(jié)省用戶維護、高度的系統(tǒng)集成主動權、較高的系統(tǒng)準確性與可靠性等優(yōu)勢。

2 井下變電站監(jiān)控系統(tǒng)設計

在設計井下變電站監(jiān)控系統(tǒng)時，需要考慮以下幾個總體原則，即在一定的資金和資源下，有效地建立一個高水平的、完善的自動化控制監(jiān)控系統(tǒng)。所有設備選型配置堅持性價比最優(yōu)的原則，既要在符合通用標準的前提下，兼容多種自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)子系統(tǒng)最大限度的信息共享。另外，系統(tǒng)需統(tǒng)一設計規(guī)劃，并留有擴展空間，保證系統(tǒng)能夠平滑擴展，以及實現(xiàn)分期投資、分步建設。

在以上總體原則下，在實施過程中，需要使得微機保護系統(tǒng)集實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、預警與電網(wǎng)分析為一體，除數(shù)據(jù)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)外，還要實現(xiàn)遙視，最終實現(xiàn)變電所的無人值班。同時要建設井下統(tǒng)一的通訊平臺，即工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，將音頻、視頻、監(jiān)控數(shù)據(jù)全部通過該通訊平臺進行傳輸；并采用成熟先進的技術，確保電網(wǎng)自動化建設不走彎路，使所采用的產(chǎn)品技術代表煤礦電網(wǎng)自動化發(fā)展方向，避免建成即落伍的情況發(fā)生。另外，關鍵部位采用雙機熱備模式，確保系統(tǒng)運行；全面提高底層保護器的性能和功能，徹底解決井下電網(wǎng)存在的安全問題。確保系統(tǒng)建成后，真正能夠提高供電可靠性，并能對電網(wǎng)運行工況進行分析，掌握電網(wǎng)運行規(guī)律，使煤礦企業(yè)對電網(wǎng)的管理更加科學有效。

根據(jù)以上設計原則和要求，設計了井下變電站監(jiān)控系統(tǒng)總體框架，如圖1所示。本系統(tǒng)可實現(xiàn)功能綜合化、測量顯示數(shù)字化、操作監(jiān)視屏幕化、運行管理智能化，以變電所無人值守為目標，實現(xiàn)四遙功能：遙信（采集發(fā)送狀態(tài)量）、遙測（采集發(fā)送數(shù)字量及模擬量）、遙控（接收調(diào)度控制命令）、遙調(diào)（整定電壓變比、過載參數(shù)、過電壓參數(shù)、額定電流、額定電壓、過流延時參數(shù)絕緣阻值上下限參數(shù)、電流變比、短路參數(shù)）。

圖1 井下變電所及各配電點在線監(jiān)控示意圖

本系統(tǒng)主要由監(jiān)測、監(jiān)控、通訊網(wǎng)絡、上位機界面與故障報警四個主體部分組成，下面分別詳細介紹。

1）監(jiān)測部分。該部分需要在各設備安裝相關傳感器，以采集現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)參數(shù)，主要包括：電壓、配電點電路中的電流、開關觸點的溫度值等，泵房中水倉水位、真空度和壓力大小等。另外，各設備運行狀態(tài)的參數(shù)同樣要監(jiān)測，主要包括：開關的通斷狀態(tài)、水泵的起停狀態(tài)、閥門的開關狀態(tài)等。

2）監(jiān)控部分。由于煤礦井下環(huán)境比較復雜，為了確保各設備在煤礦井下的安全，在每個配電點要安裝一個防爆柜，把PLC模塊及相關設備安裝在防爆柜中。本系統(tǒng)PLC模塊選用西門子S7－300，其CPU為315-2DP，由于它集成了RS-485通訊接口，還集成了數(shù)字量輸入輸出模塊，基本可以滿足各配電點開關的起?？刂埔?。各個綜保設備由485接口連接，經(jīng)PLC連接光端機，變成電信號傳輸，再經(jīng)地面中控室光端機柜還原成電信號，最后通過多串口卡連接工控機，這樣PLC接受上位機的指令可以實現(xiàn)遠程起?？刂?。

3）通訊網(wǎng)絡。利用RS485總線具有結(jié)構簡單、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)勢。在每個配電點用RS485總線把各綜保設備連接起來，再將采集的數(shù)據(jù)信號連接至PLC的RS485接口，由PLC把數(shù)據(jù)信號送到光端機，工控機則通過多串口卡把各路的數(shù)據(jù)讀出，從而顯示在上位機上。由于變電所和各配電點的綜保和配電開關保護器較多，距離較遠，故用礦用阻燃光纜配用進行數(shù)據(jù)傳輸。在每個配電點先把各綜保用RS485總線連接起來，再將數(shù)據(jù)信號和控制信號經(jīng)數(shù)字光端機傳輸?shù)降孛娴闹锌厥?。通過軟件編程讀出各路的數(shù)據(jù)，此外，通過上位機的控制指令也能實現(xiàn)各綜保的遠程起?？刂疲瑥亩鴮崿F(xiàn)在線監(jiān)控監(jiān)測的功能。

4）上位機界面與故障報警。運用西門子WinCC軟件設計上位機監(jiān)控界面，實時監(jiān)測井下中央變電所和各配電點的運行參數(shù)，主要監(jiān)控的參數(shù)包括有：電流、電壓、過流、過壓、欠壓、有功無功功率、正反向功率、頻率等。參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場采集得到后，再通過與PLC進行連接或通信，將數(shù)據(jù)信息傳遞到上位機，在監(jiān)控界面中通過表格、曲線的方式顯示出來。

3 結(jié)語

結(jié)合地面電網(wǎng)綜合自動化成熟技術的基礎，并充分考慮到井下變電站的實際情況，基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術設計了井下變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線監(jiān)測以及監(jiān)控井下變電所設備的電壓、電流等工作情況，一旦發(fā)生故障，地面上位機可顯示具體位置以及故障類型，并發(fā)出報警信號。同時，該系統(tǒng)還可實現(xiàn)遠程操控，如開關操作、參數(shù)整定或設置等，以及實現(xiàn)“四遙”功能，實現(xiàn)變電所無人值守。該系統(tǒng)的應用，可提升煤礦企業(yè)的安全管理能力，提高安全勞動生產(chǎn)率。

［1］ 李建修，邵志敏，李立生，孫勇，張世棟.煤礦配電網(wǎng)合環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計［J］.中國煤炭，2014（1）：79-81.

［2］ 王旭波，李廣紅.煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計及應用［J］.電子設計工程，2014，14：81-83＋87.

［3］ 于合蕊，張啟偉.基于PLC的煤礦井下變電所監(jiān)控技術研究［J］.科技資訊，2014，13：90＋92.

［4］ 丁平，張曉光，蔣恒深，仝維仁，石曉妹.井下變電所及配電站在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.礦山機械，2010（10）：44-47.

［5］ 顧苑婷.工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)上的應用研究［D］.上海交通大學，2007.

［6］ 陳玉娟，劉東波，茅紅偉，顧幸生，胡英慧，曾加.煤礦井下變電所遠程監(jiān)控技術及其改進方案［J］.煤炭工程，2010（2）：110-111.

（編輯：趙琳琳）