煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)

楊云峰

(山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司,山西 晉城 046700)

煤礦井下變電所分為中央變電所和采區(qū)變電所(后續(xù)井下變電所均是兩者的統(tǒng)稱),能夠有效地為井下采煤、掘進(jìn)、運輸和通風(fēng)等提供電力保證,保證井下采礦機(jī)械化、自動化設(shè)備的運作。隨著設(shè)備機(jī)械化程度的提高,供電質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高。許多供電負(fù)荷場所分布復(fù)雜,存在瓦斯、煤塵等安全隱患,同時，人為因素的干擾也增加了供電事故的發(fā)生[1]。煤礦在向大型化、機(jī)械化和自動化方向發(fā)展的過程中,對井下變電所的可靠性和測控一體性提出了新的要求[2-5]。

南陽煤業(yè)礦井原有井下變電所供電系統(tǒng)采用人工值守的方式。由于人工值守方式應(yīng)激性差,信息化程度低,自動化能力不足,導(dǎo)致地面總調(diào)度室無法實時監(jiān)控井下供電狀況并對事故狀況迅速反映。鑒于井下工作環(huán)境惡劣,常發(fā)生斷線、擠壓短路、過負(fù)荷和漏電等事故,礦井決定實行供電系統(tǒng)改造,通過信息化和自動化的手段,提高對礦井事故的應(yīng)激反應(yīng)能力,提高供電可靠性。基于此背景,本文設(shè)計提出了一種無人監(jiān)守、供電可靠的井下變電所監(jiān)控系統(tǒng),并于井下實施。

1 供電監(jiān)控系統(tǒng)工作概況

供電監(jiān)控系統(tǒng)采用DCS型分布計算機(jī)監(jiān)控,主要分為地面監(jiān)控和井下監(jiān)控,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

地面監(jiān)控中心布置在調(diào)度室,系統(tǒng)能夠?qū)卢F(xiàn)場供電設(shè)備進(jìn)行實施監(jiān)控,對待突發(fā)故障能夠自動報警和處理故障。為保障系統(tǒng)安全可靠運行,調(diào)度室安排兩人輪流值班。

地面監(jiān)控主機(jī)與井下監(jiān)控站采用RS-485方式通信,井下變電站采取RS-232方式與本變電站監(jiān)控裝置通信。相關(guān)通信設(shè)備硬件主要安裝于井下各分站內(nèi)部,礦井井下分站型號為KTK(80)/104,各電路板均為本安型。各井下變電站分別對負(fù)責(zé)的監(jiān)控站點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)場采用C2000 MDIA通道隔離型智能模擬量數(shù)字量采集器。數(shù)據(jù)采集種類主要有電壓、電流、溫度、功率以及分合閘狀態(tài)等,所得數(shù)據(jù)緩存于井下變電站的控制器緩存區(qū)中,經(jīng)由光纖傳輸至地面,經(jīng)由光譜機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,然后傳輸至調(diào)度室監(jiān)控主機(jī)?，F(xiàn)場采用高開綜合保護(hù)器,與上述數(shù)據(jù)采集裝置一同構(gòu)成圖1所示的終端保護(hù)裝置。

在獲得井上變電站指令后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控系統(tǒng)。需要注意的是,井上變電站可以通過軟件對井下變電站進(jìn)行實時操作,實現(xiàn)分、合閘等操作命令。供電監(jiān)測系統(tǒng)獨立于供電主系統(tǒng),所以監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生故障不影響供電系統(tǒng)的正常工作,提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 供電監(jiān)控系統(tǒng)主要功能及特點

1)遙測功能。采集井下開關(guān)柜等的實時參數(shù),如電流、電壓,溫度、功率等,經(jīng)由通信線路傳送至地面調(diào)度中心,利用監(jiān)控主機(jī)上的軟件進(jìn)行信息顯示。

2)遙信功能。對現(xiàn)場開關(guān)柜的開斷狀態(tài)、繼電保護(hù)壓板及保護(hù)動作等進(jìn)行監(jiān)控和信息采集,經(jīng)由通信線路傳送至地面監(jiān)控中心主機(jī)軟件進(jìn)行顯示。

3)遙控功能?；诘孛姹O(jiān)控中心主機(jī)軟件可實現(xiàn)對現(xiàn)場開關(guān)柜開斷狀態(tài)的控制。

4)保護(hù)定值設(shè)置和復(fù)位。通過地面監(jiān)控主機(jī)軟件可以遠(yuǎn)程查看和修改保護(hù)裝置的額定保護(hù)值,當(dāng)保護(hù)裝置觸發(fā)進(jìn)行保護(hù)動作后,可對保護(hù)裝置進(jìn)行軟件復(fù)位操作。

5)信息記錄、存檔、查詢和打印。依照記錄時間和記錄裝置編號進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括故障信息)的記錄和存檔,可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢操作,查詢時間單位有時、班、天和年,主機(jī)軟件支持不同時間單位的報表打印功能。

6)報警功能。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)電氣參數(shù)超范圍時,保護(hù)動作激發(fā),斷路器分合閘等操作時,監(jiān)控軟件以明顯的聲像信號進(jìn)行報警,便于操作人員處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要有由主控芯片、通信線路元器件和測溫電路元器件等組成。其中，監(jiān)控系統(tǒng)基于MSP430F5438單片機(jī)設(shè)計；通信線路分別為RS-485和RS-232等。前者基于ADM2587E芯片設(shè)計,后者基于MAX3232ESE單片機(jī)設(shè)計,測溫電路主要基于DS18b20芯片進(jìn)行設(shè)計。

3.2 系統(tǒng)通信方式

當(dāng)前煤礦井下采用的通信方式主要有RS-485、CAN總線、RS-232、光纖等方式?；诘V井實際條件,井上管理計算機(jī)與井下監(jiān)測設(shè)備通信采用RS-485,二線制接線,最大傳輸1 500 m。由于該通信方式采用光電隔離技術(shù),所以能夠增加信號傳輸和提高信號保真性。井下傳輸主要采用RS-232方式,三線制接線,因信息收集裝置都布置在井下,且響應(yīng)距離較短,所以該方式通信距離較短,最大傳輸距離15 m。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件編程語言及系統(tǒng)配置

軟件主要基于VB和C語言進(jìn)行設(shè)計,其中VB用于編寫窗口界面,C語言用于編寫底層接口交互界面。軟件內(nèi)存23.2 MB,可在Windows XP和Window 7上運行,運行需要NET Framework 3.5運行庫。由于軟件小,占用內(nèi)存少,所以i3及以上處理器上便可運行。

4.2 軟件界面與使用

圖2所示為井下高壓供電監(jiān)控軟件的部分界面。該軟件可對井下不同位置的變電所的高壓開關(guān)電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,并采取相應(yīng)合閘、分閘和復(fù)位控制。同時，具備查詢功能,通過限定日期可以查詢不同時間下相應(yīng)變電所及位置的配電開關(guān)工作情況。為了降低收集數(shù)據(jù)誤差,軟件采用算數(shù)平均法、比較取舍法和中值法等多種算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 監(jiān)控軟件界面Fig.2 Monitoring software interface

4.3 軟件功能

1)系統(tǒng)定義。軟件首次運行根據(jù)系統(tǒng)所接分站及各分站的智能采集器進(jìn)行“系統(tǒng)定義”,即定義計算機(jī)接分站數(shù)量、各分站地址和對應(yīng)變電所名稱、分站連接的采集器數(shù)量、采集器地址號和對應(yīng)的開關(guān)編號等等，實現(xiàn)系統(tǒng)和井下硬件裝置的一一對應(yīng),否則系統(tǒng)無法顯示和查看數(shù)據(jù)。

2)變電所分站初始化。初始化動作在定義結(jié)束后進(jìn)行,即計算機(jī)通過發(fā)送各分站及智能采集器參數(shù),實現(xiàn)井下設(shè)備初始化,初始化成功后即可進(jìn)行“實時監(jiān)控狀態(tài)”。

3)數(shù)據(jù)記錄、處理。軟件具備數(shù)據(jù)信息記錄和處理功能,即依照記錄時間和記錄裝置編號進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括故障信息)的記錄和存檔,可依據(jù)年、月、日、時的時間單位調(diào)取處理相關(guān)數(shù)據(jù)。需要注意的是,若進(jìn)行除系統(tǒng)初始化外的其他監(jiān)控需要,需保障運行狀態(tài)的連續(xù)性,即監(jiān)控主機(jī)不關(guān)機(jī),監(jiān)測線路不斷電,為數(shù)據(jù)傳輸提供安全保證。

4)遙控功能。通過監(jiān)控中心主機(jī)軟件控制,可以實現(xiàn)對現(xiàn)場開關(guān)柜開斷狀態(tài)的控制。軟件進(jìn)行遙控操作時,需有專人和專用密碼才可進(jìn)行,避免隨意分合閘。

5)數(shù)據(jù)查詢和打印。軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)依照年、月、日、時等單位進(jìn)行查詢,并支持不同時間單位的報表打印功能。

5 應(yīng)用效果

南陽煤業(yè)礦井基于圖1所示內(nèi)容進(jìn)行井下變電所高壓供電監(jiān)測布置,整個監(jiān)控系統(tǒng)于2018年4月投入使用,已運行兩年。運行期間井下實現(xiàn)了零人值守,供電設(shè)施平穩(wěn)運行,未發(fā)生相關(guān)電力事故。同時,通過井上監(jiān)測電腦可以進(jìn)行井下供電狀態(tài)的實時監(jiān)測和記錄,基本達(dá)到前期設(shè)計效果。

在2019年7月,井下進(jìn)行線路整修。井下變電所采用兩個供電回路,為了保證井下供電(比如風(fēng)機(jī))正常,需進(jìn)行切換風(fēng)機(jī)供電。在此過程中導(dǎo)致一個回路負(fù)荷過大,相關(guān)設(shè)備曾短時間內(nèi)發(fā)生過變電所電流過大,溫度偏高的情況,由于系統(tǒng)及時報警和保護(hù)處理,并未產(chǎn)生人員和設(shè)備損傷,說明該監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠,且應(yīng)急性較高,對井下供電管理工作提效十分明顯。

不過,該系統(tǒng)也存在部分問題,由于設(shè)計之前,礦井部分設(shè)備已采用RS-232通信設(shè)備,為節(jié)省成本,礦上充分整合了原有設(shè)備資源。但實際工作中發(fā)現(xiàn)井下RS-232通訊電路芯片易損壞,且傳輸距離受限,同時該通信模式的傳輸易產(chǎn)生共模干擾。針對上述問題,后期準(zhǔn)備進(jìn)行通信方式升級,使用RS-485通信方式逐步替代,統(tǒng)一全礦井供電監(jiān)測的通信方式。

6 結(jié)束語

本文針對南陽煤業(yè)的實際供電條件,設(shè)計提出了一種井下變電所無人監(jiān)守供電系統(tǒng),并簡要闡述了系統(tǒng)的主要功能和軟硬件構(gòu)成。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用,實現(xiàn)了南陽煤業(yè)井下變電所無人監(jiān)守,提高了煤礦井下供電的信息化,方便了井下供電的管理,具有較好的社會效益和推廣價值。