煤礦變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

孫玉龍

（西山煤電西銘礦運(yùn)輸科，太原 030052）

0 引言

煤礦上電力網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，變電站在其中扮演著不可或缺的作用，可實(shí)現(xiàn)電壓、功率調(diào)節(jié)，同時(shí)電能在此匯聚并進(jìn)行分配使用，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造將直接影響煤礦電力網(wǎng)絡(luò)的工作效率[1]。因此，通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)，設(shè)計(jì)針對(duì)煤礦變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站的遠(yuǎn)程控制具有重要意義[2]。煤礦變電站綜合自動(dòng)化實(shí)際上就是根據(jù)功能需求將變電站中的多種二次設(shè)備進(jìn)行重新整合和優(yōu)化配置，借助計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能處理技術(shù)，對(duì)整個(gè)煤礦上變電站的重要電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、保護(hù)、遠(yuǎn)程控制等自動(dòng)化功能[3]。

煤礦變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：可實(shí)時(shí)采集各種電氣設(shè)備的電壓、電流、功率等交流信號(hào)模擬量以及電路的各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)各種電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視；根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算和智能處理，獲得最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，進(jìn)而對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行控制操作，提高工作效率。

1 煤礦變電站存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的煤礦變電站存在著如下缺點(diǎn)與不足[4-5]。

（1）電氣設(shè)備可靠性、安全性不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。傳統(tǒng)的煤礦變電站仍然使用常規(guī)的電氣設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且沒(méi)有自我故障診斷能力，可靠性差，存在許多的安全隱患。

（2）自動(dòng)化程度低，監(jiān)控時(shí)效性差。傳統(tǒng)的煤礦變電站由于監(jiān)控設(shè)備無(wú)法全面覆蓋電氣設(shè)備，導(dǎo)致監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不全面，同時(shí)由于通信系統(tǒng)的落后，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和信息無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸?shù)秸{(diào)度中心和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，同時(shí)變電站自身缺乏相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制手段，這些因素都影響了煤礦變電站的工作效率和安全運(yùn)行。

（3）設(shè)備維護(hù)工作量大，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理水平低。變電站內(nèi)的電氣設(shè)備易受環(huán)境溫度影響，需要大量人力、物力、財(cái)力來(lái)維護(hù)這些設(shè)備，人工維護(hù)成本高、難度大；變電站中各電氣設(shè)備之間關(guān)聯(lián)較少，通常都是根據(jù)設(shè)備的功能將其簡(jiǎn)單的組合在一起，缺乏對(duì)變電站的統(tǒng)籌管理和統(tǒng)一監(jiān)控，協(xié)調(diào)操作困難，可能會(huì)出現(xiàn)操作混亂的情況。

2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

煤礦變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要由各種分布式保護(hù)測(cè)控裝置、MCU主控單元、現(xiàn)場(chǎng)總線、智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、通信管理設(shè)備、后臺(tái)控制計(jì)算機(jī)以及遠(yuǎn)程控制設(shè)備等部分組成。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其保證所設(shè)計(jì)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可以從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到第一手?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的智能處理，完成對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與控制。通信系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)總線通信和以太網(wǎng)通信，分別連接遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和前端監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以保障各電氣設(shè)備與MCU主控單元、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)的暢通傳輸。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心大腦，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備各類(lèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，對(duì)其進(jìn)行智能處理和分析，進(jìn)而對(duì)終端設(shè)備實(shí)施控制操作，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)報(bào)警；同時(shí)后臺(tái)配置有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，可存儲(chǔ)所有采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)和控制信息。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控單元現(xiàn)場(chǎng)總線

MCU主控單元與各種分布式保護(hù)測(cè)控裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)之間采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)進(jìn)行通信傳輸。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和靈活性[6]，在其支持下，可以將通信設(shè)備和終端監(jiān)控設(shè)備組合起來(lái)，整體形成一個(gè)上下有序的分布式系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線使用CAN總線進(jìn)行通信，CAN總線理論上可以連接無(wú)窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，節(jié)點(diǎn)之間可以自由通信，能夠?qū)崿F(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的資源共享，極大地減少了電纜的布置，同時(shí)又有足夠的通信距離和傳輸速率。因此非常適合在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中作為通信系統(tǒng)的總線。

3.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)由模擬量采集和開(kāi)入量、脈沖量采集構(gòu)成。模擬量主要指電流、電壓、功率等交流電信號(hào)；開(kāi)入量是指保護(hù)裝置的信號(hào)輸入，采集現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)、刀閘等位置信息；脈沖量是指一些不連續(xù)的突變電壓或電流信號(hào)。

（1）模擬量的采集

模擬量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，PT為電壓互感器，CT為電流互感器，U為信號(hào)放大電路，MUX為集成多路模擬開(kāi)關(guān)。外部強(qiáng)電交流信號(hào)通過(guò)PT/CT隔離轉(zhuǎn)換為弱交流電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路U、集成多路模擬開(kāi)關(guān)MUX和A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)镸CU可處理的數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理就能計(jì)算出此時(shí)電流電壓的有效值，并計(jì)算得到有功功率與無(wú)功功率，最后通過(guò)以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能處理，并實(shí)現(xiàn)控制功能。整個(gè)采集系統(tǒng)最高可同時(shí)采集12路模擬量數(shù)據(jù)，采集效率極高。

圖2 模擬量采集結(jié)構(gòu)框圖

（2）開(kāi)入量和脈沖量的采集

開(kāi)入量采集結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在MCU主控單元對(duì)外部開(kāi)入量進(jìn)行采集時(shí)，需要先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，通常在開(kāi)入量采集電路中設(shè)置光電隔離裝置，這樣可降低外部信號(hào)的干擾，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，然后將信號(hào)上傳到MCU進(jìn)行采集。為避免信號(hào)采集錯(cuò)誤導(dǎo)致誤報(bào)情況的發(fā)生，開(kāi)人量的采集需在硬件和軟件上采用去抖動(dòng)措施。本系統(tǒng)采用抗干擾濾除法對(duì)脈沖量進(jìn)行采集，當(dāng)脈沖寬度大于設(shè)定寬度時(shí)才計(jì)數(shù)，否則視為干擾信號(hào)，脈沖量由裝置實(shí)時(shí)計(jì)算后累加上傳到MCU主控單元。

圖3 開(kāi)入量采集結(jié)構(gòu)圖

3.3 分布式保護(hù)測(cè)控裝置功能

用于煤礦變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的保護(hù)測(cè)控裝置主要有：饋線保護(hù)測(cè)控裝置、電容器保護(hù)測(cè)控裝置、變壓器保護(hù)測(cè)控裝置等[7]。功能介紹如下。

（1）饋線保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置主要是對(duì)6 kV或10 kV電壓等級(jí)經(jīng)消弧線圈接地的饋線系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)測(cè)控。具有三相一次重合閘保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)、二段定時(shí)限過(guò)流保護(hù)等功能，且其操作回路具有獨(dú)立性，支持脈沖輸入。

（2）電容器保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置主要對(duì)單Y、雙Y、Δ形接線的并聯(lián)電容器組進(jìn)行保護(hù)測(cè)控，用于6 kV或10 kv電壓等級(jí)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地或不接地低壓系統(tǒng)當(dāng)中。具有過(guò)電壓或者低電壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、二段定時(shí)限過(guò)流保護(hù)等功能，且其操作回路具有獨(dú)立性。

（3）主變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置。該裝置主要是對(duì)35～110 kV的變壓器進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)。具有差動(dòng)保護(hù)、非電量保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等功能，支持脈沖輸入。

（4）主變壓器后備保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置主要是對(duì)6～110 kV電壓等級(jí)的兩卷／三卷變壓器進(jìn)行后備保護(hù)。具有零序過(guò)壓保護(hù)、間隙過(guò)流保護(hù)等功能。

以上保護(hù)測(cè)控裝置均可通過(guò)與通信系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量、開(kāi)入量、脈沖量等的采集，并通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行遙信操作。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦變電站綜合自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等設(shè)計(jì)的[8]。針對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)采集煤礦變電站各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線顯示，同時(shí)可將采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便以后調(diào)用。此外，監(jiān)控軟件具有友好的人機(jī)界面和超強(qiáng)的數(shù)據(jù)智能處理能力，可以在線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)監(jiān)控功能。

上位機(jī)監(jiān)控軟件選用Visual C++6.0語(yǔ)言作為軟件開(kāi)發(fā)工具，將Windows操作系統(tǒng)作為監(jiān)控軟件的運(yùn)行環(huán)境，以SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)造系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)。Visual C++6.0編程語(yǔ)言是由Microsoft公司推出的一款靈活性好、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展的可視化開(kāi)發(fā)工具，是面向?qū)ο蟮某绦蜷_(kāi)發(fā)語(yǔ)言，借助其強(qiáng)大的編譯器以及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)能力，可以開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序[9]。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件體系采用模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，根據(jù)前面所述煤礦變電站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能要求，將監(jiān)控軟件的系統(tǒng)功能與其一一對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)成相應(yīng)的功能模塊，功能模塊中包含具體的子系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析傳統(tǒng)煤礦變電站存在諸多問(wèn)題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集終端電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息和工作參數(shù)，并將采集數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)的智能處理和分析判斷，獲取控制和操作信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。實(shí)地運(yùn)行證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)大大提高了煤礦變電站自動(dòng)化水平、安全性和可靠性，減少了人力物力，節(jié)省成本，對(duì)于提高變電站性能，降低變電站風(fēng)險(xiǎn)有著重要意義。