煤礦井下變電站無人巡檢技術(shù)的研究應(yīng)用

董 俊

（霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043302）

煤礦井下變電站是井下供電系統(tǒng)的核心，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響到井下各用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，由于井下巷道交錯、縱深較大，因此變電站在井下的分布呈現(xiàn)顯著的分散性特點。 為了提高供電的穩(wěn)定性，各煤礦生產(chǎn)企業(yè)均設(shè)置了專門的巡視組，用于日常對井下供電站的巡視和供電調(diào)控，但該方案的工作效率極其低下，主要依賴于巡查人員的技術(shù)水平和責(zé)任心。 隨著井下供電安全性需求的不斷提高，人工巡檢的模式已經(jīng)不能很好地滿足供電需求，給井下的用電安全帶來了較大的隱患。

結(jié)合井下供電安全的發(fā)展趨勢，本文提出了一種新的井下變電站無人巡檢技術(shù)，首先建立變電站集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電站運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集、集中分析和控制，及時對運(yùn)行故障進(jìn)行報警和自動處理，提高運(yùn)行的安全性。 同時針對礦井配電所內(nèi)設(shè)置視頻監(jiān)控所存在的盲區(qū)大、 監(jiān)控結(jié)果依賴人工分析效率低、精確度差的不足，開發(fā)了自動巡檢機(jī)器人，實現(xiàn)了對井下變電所設(shè)備運(yùn)行情況的自動巡檢和監(jiān)控。

1 無人運(yùn)行控制系統(tǒng)

為了滿足對井下變電站運(yùn)行狀態(tài)自動監(jiān)控和調(diào)整的需求，提出了一種無人運(yùn)行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括集中控制模塊和受控子站點數(shù)據(jù)采集模塊兩個部分[1]，該系統(tǒng)中集控主站設(shè)置在地面控制中心，受控子站則分布在井下各變電站處，該無人運(yùn)行控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人運(yùn)行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，在集控主站中主要包括了數(shù)據(jù)服務(wù)器、總操作站、視頻監(jiān)控主機(jī)、視頻傳輸模塊等，主要用于接收受控子站監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)信息，并對信息進(jìn)行分析，確定各變電站單元的實際運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)監(jiān)測到異常發(fā)生時，第一時間發(fā)出報警并進(jìn)行故障的定位和分析，便于監(jiān)控人員能快速掌握異常情況，提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。

受控子站內(nèi)主要包括了測控保護(hù)裝置、 防誤閉鎖裝置及視頻傳輸模塊，主要對監(jiān)控范圍內(nèi)的分站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)通過高速光纖通道傳輸給集控主站。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在受控子站系統(tǒng)內(nèi)采用了分布式的控制結(jié)構(gòu)，以多個數(shù)據(jù)處理CPU為核心，以主從工作模式為基礎(chǔ)，每個微控計算機(jī)均采用獨立的CPU控制，負(fù)責(zé)接受主機(jī)的控制指令，并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果返回到主機(jī)內(nèi)進(jìn)行集成。

多個微處理器協(xié)同工作的模式能夠顯著提升系統(tǒng)的運(yùn)算速度和抗干擾性，能夠大幅度地提升系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

2 測控保護(hù)裝置

測控保護(hù)裝置是集保護(hù)、測量、控制、監(jiān)測、通訊、事件記錄、故障錄播、操作防誤等多種功能于一體，可以和綜合操作系統(tǒng)配合完成電站控制、保護(hù)、防誤閉鎖功能，主要分布在井下受控子站的保護(hù)電路上。 為了提高測控保護(hù)裝置的應(yīng)用可靠性，在測控保護(hù)裝置內(nèi)設(shè)置了高精度的時鐘模塊，能夠連續(xù)顯示系統(tǒng)工作時的時間，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障則能夠及時記錄故障發(fā)生的位置和時間；經(jīng)過多次實際驗證，測控保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)時鐘的鐘芯可選擇DS1302 型，其外部工作時的直流電壓為3.4～5.0 V，計時精度為0.01 ms，可滿足井下高強(qiáng)度工作時計時的精確性需求。

為了滿足測控保護(hù)裝置的測控需求，根據(jù)井下變電站的工作情況，設(shè)置了一套新的測控保護(hù)控制程序，系統(tǒng)上電后自動對微機(jī)控制裝置進(jìn)行電路情況自檢，若系統(tǒng)出現(xiàn)異常則軟件進(jìn)行重啟，若系統(tǒng)運(yùn)行正常則開始進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，該測控保護(hù)裝置的控制邏輯如圖2 所示[2]。

圖2 軟件測控保護(hù)邏輯

3 防誤閉鎖控制

防誤閉鎖控制系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)控指令進(jìn)行核對，避免發(fā)出的指令導(dǎo)致電氣故障，當(dāng)系統(tǒng)判定指令有誤時則會對指令進(jìn)行隔離，確保供電系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。

系統(tǒng)工作時，在防誤閉鎖控制裝置內(nèi)設(shè)置有安全密鑰，只有正確的密鑰編碼才能解鎖防誤閉鎖控制裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)的正常通信。 防誤閉鎖控制裝置和系統(tǒng)的集控主站通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每次集控主站發(fā)出的控制指令傳輸給防誤閉鎖控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)對指令密碼進(jìn)行解鎖和匹配，只有完成數(shù)據(jù)匹配后才能進(jìn)一步傳遞控制指令，確保在控制過程中調(diào)節(jié)指令的安全性，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，該防誤閉鎖控制系統(tǒng)的控制邏輯如圖3 所示。

圖3 防誤閉鎖控制系統(tǒng)邏輯

4 變電站機(jī)器人自動巡檢系統(tǒng)

傳統(tǒng)的控制模式中，在變電站內(nèi)設(shè)置有視頻監(jiān)控裝置，對各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 但由于視頻監(jiān)控存在較大的盲區(qū)，而且需要控制人員實時的監(jiān)測其運(yùn)行情況，因而存在著較大的不足。 為了解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控所存在的不足[3]，本文提出了一種新的變電站機(jī)器人自動巡檢系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要包括了機(jī)器人巡檢軌道、 地面工作站、 供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，以模塊化設(shè)計為核心，能夠根據(jù)井下變電站的不同情況靈活地組合，提升了自動巡檢系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性，該自動巡檢系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人自動巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

行走軌道是機(jī)器人進(jìn)行自動巡檢時的動作基礎(chǔ)，需要保證行走軌道的平整性和可靠性。 為了降低制造成本，行走軌道采用了H型鋼軌道，在軌道旁邊設(shè)置了電纜線槽，用于設(shè)置充電樁，滿足巡檢機(jī)器人長距離巡檢時的自動充電需求。 在軌道的端部和末端，設(shè)置了限位磁鐵，用于滿足對機(jī)器人的限位需求。

為了滿足在井下復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)控準(zhǔn)確性的需求，在行走機(jī)器人上設(shè)置了高清防爆攝像頭、紅外線熱成像裝置、全角度攝像頭等，以滿足不同工況下的精確監(jiān)控需求[4]。機(jī)器人的行走裝置主要包括電源模塊、驅(qū)動電機(jī)、行走編碼器三個部分。 電源模塊主要是為機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)供電，驅(qū)動電機(jī)主要用于驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)行和視頻監(jiān)控裝置的旋轉(zhuǎn)，行走編碼器的主要作用是對機(jī)器人在井下的位置進(jìn)行精確監(jiān)控和記錄。

該變電站自動巡檢機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示[5]。

圖5 自動巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

5 應(yīng)用效果

該自動巡檢系統(tǒng)目前已經(jīng)在騰暉煤業(yè)有限公司投入使用，能夠自主對井下變電站的運(yùn)行情況進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，統(tǒng)計了從2021年2月到2021年7月間的數(shù)據(jù)，井下變電站的運(yùn)行故障下降了89.4%，同時由于采用了自動巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，將井下的巡檢人員減少了3 人，每年節(jié)約人工成本約24 萬元，初步實現(xiàn)了井下變電站的無人化值守作業(yè)，提升了井下的供電安全性。

6 結(jié)論

針對煤礦井下變電站采用人工值守、 人工巡檢模式所存在的巡檢效率低、可靠性差的不足，提出了一種新的煤礦井下變電站無人巡檢技術(shù)，通過集中控制和機(jī)器人自動巡檢，初步實現(xiàn)了井下變電站的“無人化”值守作業(yè)，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）無人巡檢控制系統(tǒng)，主要包括集中控制模塊和受控子站點數(shù)據(jù)采集模塊兩個部分，控制邏輯通過采用多個微處理器協(xié)同工作的模式，顯著提升了系統(tǒng)的運(yùn)算速度和抗干擾性。

2）防誤閉鎖控制系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)控指令進(jìn)行核對，當(dāng)指令有誤時自動對指令進(jìn)行隔離，從而有效保證井下變電站的運(yùn)行安全。

3）變電站機(jī)器人自動巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了模塊化的控制模式，提升了自動巡檢系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。

4）該系統(tǒng)能夠?qū)⒕伦冸娬具\(yùn)行故障降低89.4%，減員3 人，初步實現(xiàn)了井下變電站的無人化值守作業(yè)。