煤礦井下無人值守變電所遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

韓建萍

(山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600)

煤礦安全生產(chǎn)最重要的基礎(chǔ)是供電系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，井下變電所擔(dān)負(fù)著井下所有生產(chǎn)設(shè)備的供電任務(wù)，需要時(shí)刻監(jiān)控變電所輸變電設(shè)備的運(yùn)行工況。為此，煤炭生產(chǎn)企業(yè)在對(duì)井下變電站的運(yùn)維檢修工作上投入了大量的人力物力，力求做到對(duì)電網(wǎng)工作可靠性的預(yù)判，預(yù)防事故發(fā)生[1-3]。

多年來各煤業(yè)集團(tuán)一直致力于井下智能變電所監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)[4-6]。隨著井下智能變電設(shè)備的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的超速發(fā)展，井下變電所實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)端控制成為可能。眾學(xué)者利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)挖掘、處理和傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息不失真快速傳輸，形成井下電網(wǎng)事故預(yù)判，對(duì)大面積停電等事故迅速制定應(yīng)急方案，由此推動(dòng)了井下供電遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的較大改進(jìn)。王金華[7]提出一種以層次架構(gòu)為基礎(chǔ)的煤礦井下無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，以環(huán)境監(jiān)測、門禁聯(lián)動(dòng)、語音對(duì)講、視頻監(jiān)控等技術(shù)手段，將多種不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流統(tǒng)一到同一軟件平臺(tái)上處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邏輯判斷和協(xié)同控制，該技術(shù)方案在天地王坡礦數(shù)字化礦山系統(tǒng)中投入使用，效果良好。侯剛[8]以紅柳林煤礦為工程背景，通過對(duì)井上下電力系統(tǒng)、井下各排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及電力系統(tǒng)智能化無人值守的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了固定崗位無人值守有人巡視。王興友[9]等通過對(duì)煤礦供電系統(tǒng)無人化現(xiàn)狀的詳細(xì)調(diào)研，總結(jié)得出供電系統(tǒng)無人化建設(shè)所面臨的困境，提出解決越級(jí)跳閘、漏電選擇性差、監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)速度慢等問題是實(shí)現(xiàn)減員增效、提高供電可靠性的重要途徑。戴萬波[10]設(shè)計(jì)了一套集電力監(jiān)控、環(huán)境檢測和安防等信息一體化的無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)際應(yīng)用于李雅莊煤礦中，實(shí)現(xiàn)了井下變電所的無人值守。

上述學(xué)者對(duì)于煤礦井下無人值守變電所系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均從宏觀整體出發(fā)，對(duì)于越級(jí)跳閘、漏電選擇性差、響應(yīng)速度慢等關(guān)鍵問題沒有提出明確的解決方法[11-13]。鑒于此，本文提出井下供電遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)改造方案，并以潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司二采區(qū)無人值守變電所系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目為例進(jìn)行了方案實(shí)現(xiàn)。通過更新井下電力監(jiān)控分站，增添級(jí)聯(lián)綜合保護(hù)器等設(shè)備，組建光纖環(huán)網(wǎng)，改進(jìn)軟件系統(tǒng)等措施，提高了信號(hào)傳遞的實(shí)時(shí)性和可靠性，解決了井下供電系統(tǒng)的越級(jí)跳閘、漏電和響應(yīng)速度慢等問題，實(shí)現(xiàn)了減員增效、提高供電可靠性的目的。

1 總體改造方案制定

1.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在地面監(jiān)控中心對(duì)二采區(qū)1#、2#變電所高低壓電氣設(shè)備的工況信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)“四遙”，具備批量遙控、電能計(jì)量、分析電網(wǎng)和電能質(zhì)量的功能；準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律，建立事故預(yù)判模型，對(duì)故障精準(zhǔn)定位，迅速做出應(yīng)對(duì)方案，縮短大面積停電時(shí)間的功能，真正做到井下變電所無人值守；電網(wǎng)監(jiān)控信息和全礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和多形式可視化顯示數(shù)據(jù)[14，15]。

1.2 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)分為地面監(jiān)控主站、井下監(jiān)控分站和測控?cái)?shù)據(jù)單元三個(gè)層面，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

二采區(qū)1#、2#變電所地面監(jiān)控主站即監(jiān)控室設(shè)置在地面值班室，通過35kV變電站KJF81-F接入35kV變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控主站，共同構(gòu)成防越級(jí)跳閘35kV變電站監(jiān)控系統(tǒng)；井下設(shè)置1#、2#兩個(gè)監(jiān)控分站，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和地面主站傳輸信息，作為下位機(jī)完成與主站(上位機(jī))雙向通信；同時(shí)與高低壓保護(hù)器、變電站環(huán)境監(jiān)測聯(lián)動(dòng)模塊和照明綜保器雙向通信，具備顯示高低壓保護(hù)器的電流、電壓值、分、合閘狀態(tài)、聲音報(bào)警、發(fā)指令信息到高低壓保護(hù)器等功能；信息單元包括高開綜保、低壓饋電綜保、照明綜保和變電站環(huán)境監(jiān)測聯(lián)動(dòng)模塊[16]。司馬煤業(yè)二采區(qū)無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)示意如圖2所示。

1.3 設(shè)備選型

該改造升級(jí)是在原系統(tǒng)構(gòu)架上完成新舊設(shè)備更換、新智能設(shè)備的補(bǔ)充、連接和應(yīng)用，系統(tǒng)構(gòu)成框架不變，從設(shè)備的智能性和安全穩(wěn)定性出發(fā)，地面35kV變電站選用了KJF81-F礦用一般型電力監(jiān)控分站、井下采區(qū)變電站采用了監(jiān)控分站KJ360-F，防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)備選用ZBT-11C型級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器，井下所有設(shè)備均為礦用隔爆兼本安型，在礦井惡劣的環(huán)境下，保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)組成光纖環(huán)網(wǎng)，通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和井上交換機(jī)進(jìn)行信息互通，組成35kV變電站井下供電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。改造和新增設(shè)備選型清單見表1。

表1 改造和新增設(shè)備選型清單

2 系統(tǒng)方案實(shí)施

2.1 地面監(jiān)控中心改造

2.1.1 地面監(jiān)控中心組成及功能

地面監(jiān)控中心主要由電力監(jiān)控主機(jī)和系統(tǒng)軟件組成。系統(tǒng)硬件包括電力監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控備機(jī)，形成雙機(jī)熱備的工作模式，配套視頻監(jiān)控主機(jī)、UPS電源、GPS受時(shí)器、打印機(jī)、音響等設(shè)備；軟件運(yùn)行環(huán)境是Windows 7/8/server 2008操作平臺(tái)，安裝專業(yè)版電力組態(tài)軟件。

井下分站通過光纖以太環(huán)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)并接收主機(jī)命令；上傳的數(shù)據(jù)以不同文件形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫，組態(tài)軟件調(diào)用這些數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成組態(tài)軟件的內(nèi)存變量。對(duì)其進(jìn)行整理并進(jìn)行相應(yīng)處理，轉(zhuǎn)化為直觀的動(dòng)態(tài)圖像。

系統(tǒng)通過KJF81-F的OPC SERVER接口接入公司集控平臺(tái)。

2.1.2 軟件系統(tǒng)改造

井下智能化監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)按其功能分為系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和監(jiān)控調(diào)度模塊，每個(gè)模塊具體的功能如圖3所示。

該改造一是增加系統(tǒng)的更新和新增設(shè)備部分的數(shù)據(jù)采集，需軟件系統(tǒng)做出相應(yīng)的地址配置、傳輸格式、生成記錄等工作，保證這些設(shè)備數(shù)據(jù)按系統(tǒng)規(guī)約采集、存儲(chǔ)、應(yīng)用；二是應(yīng)用OPC SERVER接口，基于OPC傳輸協(xié)議，與全礦井集控平臺(tái)無縫連接。

2.2 無人值守電力系統(tǒng)建設(shè)

2.2.1 防越級(jí)跳閘建設(shè)

1)35kV變電所。35kV變電所2條入井電纜的開關(guān)柜各并接一臺(tái)ZBT-11C型級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器；安裝一臺(tái)KJF81-F，利用KJF81-F內(nèi)置光端機(jī)搭建光纖防越級(jí)跳閘通道，將其動(dòng)作信息轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，ZBT-11的信息利用光通道和分站進(jìn)行數(shù)據(jù)互動(dòng)，接收分站命令，同時(shí)輸出高開設(shè)備的工況數(shù)據(jù)。

2)二采區(qū)1#、2#變電所。二采區(qū)1#、2#變電所各安裝1臺(tái)KJ360-F監(jiān)控分站；1#變電所的20臺(tái)防爆開關(guān)和2#變電所的30臺(tái)防爆開關(guān)臺(tái)均安裝1臺(tái)ZBT-11C保護(hù)器，可以完美解決防越級(jí)跳閘和防漏電保護(hù)的問題；ZBT-11C將所有高開工礦信息由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過KJ360-F分站和內(nèi)配置KJJ156網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(含電源)搭建的光纖防越級(jí)跳閘通道，將動(dòng)作信息幾乎無損耗的遠(yuǎn)程傳輸。

2.2.2 低壓電網(wǎng)建設(shè)

1#、2#變電所各10臺(tái)低壓饋電開關(guān)的綜合保護(hù)器和照明綜保綜合保護(hù)器通過RS485和CAN接入井下分站，通過分站內(nèi)置光纖交換機(jī)光口，做基于OPC過程控制系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)的接入程序，則可以將采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到地面監(jiān)控中心。至此，地面主機(jī)就完成了井下所有數(shù)據(jù)的收集。

2.3 工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)

為了保證防越級(jí)跳閘信號(hào)傳遞的實(shí)時(shí)性和可靠性，需要自主組成光纖環(huán)網(wǎng)，把各變電所安裝的KJ360-F礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站接入環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心對(duì)變電所設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、遙測、遙調(diào)。

3 數(shù)據(jù)傳輸處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

底層數(shù)據(jù)的收集、轉(zhuǎn)換和傳輸依賴于交換機(jī)和遵守規(guī)約。底層硬件即井下分站的內(nèi)嵌通信管理機(jī)，它相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，如圖4所示，通信機(jī)與“上位機(jī)”地面監(jiān)控主站PC機(jī)通信采用TCP/IP協(xié)議，而與監(jiān)控分站(單片機(jī)或PLC)通信采用UDP通信協(xié)議。地面監(jiān)控主機(jī)、井下分站數(shù)據(jù)和命令上傳下達(dá)需要一個(gè)“中間件”，OPC規(guī)約就充當(dāng)了這個(gè)中間件，它是統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，即多個(gè)通信接口，一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)。變電所監(jiān)控系統(tǒng)中地面監(jiān)控主站及井下兩個(gè)分站子系統(tǒng)中都具備OPC接口，使不同系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)都變得簡單了。目前越來越多的硬件產(chǎn)品帶有標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，方便不同軟件系統(tǒng)通過OPC協(xié)議互換信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。基于OPC協(xié)議，各軟件設(shè)計(jì)就是將不同設(shè)備自己的軟件定義進(jìn)行一一映射的過程了[17]。

3.2 軟件運(yùn)行系統(tǒng)體系架構(gòu)

軟件運(yùn)行平臺(tái)把數(shù)據(jù)傳輸和處理分成了數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)層、應(yīng)用層和終端層。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)從井下現(xiàn)場電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；應(yīng)用層核心是電力數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，支持處理電力四遙數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的二次實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算；終端層提供專業(yè)的電力套件、報(bào)警SOE、故障錄波處理、分析曲線及電流棒圖等，便于監(jiān)測線路各相電流的平衡情況和負(fù)荷大小。軟件運(yùn)行系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖5所示。

3.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1)數(shù)據(jù)采集服務(wù)軟件用C++語言開發(fā)，采用socket技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以保證高并發(fā)、高效率、跨平臺(tái)，接收井下各種數(shù)據(jù)并上傳到中心數(shù)據(jù)庫。

2)采用MYSQL5.7數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，不存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。全部采用MySQL的內(nèi)存表作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間，這樣保證了實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)的高效性。歷史數(shù)據(jù)庫采用基于Hadoop分布式架構(gòu)的HBase[18]，因?yàn)镠Base集群可以存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，容易擴(kuò)展且成本低，為大數(shù)據(jù)的挖掘、分析提供了基礎(chǔ)。

3)應(yīng)用服務(wù)部分用java語言開發(fā)，采用spring boot框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。中間件采用tomcat作為應(yīng)用服務(wù)的容器，將諸多不同的應(yīng)用做成多個(gè)獨(dú)立的spring boot服務(wù)，部署在多個(gè)tomcat下面，以提供多個(gè)對(duì)外的服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高并發(fā)[19]。

4)靜態(tài)頁面完全由ngix代理服務(wù)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)通過tomcat應(yīng)用服務(wù)獲取。通過ngix代理服務(wù)和tomcat的spring boot應(yīng)用服務(wù)集群，可以保證高迸發(fā)的訪問。

5)前端顯示采用純js代碼來實(shí)現(xiàn)；前端架構(gòu)采用主流的vue響應(yīng)式架構(gòu)[20]；模塊化開發(fā)采用es5規(guī)范；界面UI采用主流的ELEMENT-UI。手機(jī)端app采用hbuilder開發(fā)平臺(tái)的uni-app，一次編寫可以在各個(gè)終端使用，比如ios和andirod。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 供電可靠性

在各變電所升級(jí)改造前，當(dāng)?shù)V井電網(wǎng)發(fā)生大面積停電需要恢復(fù)送電時(shí)，全礦恢復(fù)送電需半個(gè)小時(shí)左右；升級(jí)改造后，全礦不到10min就恢復(fù)供電，提高了供電的可靠性，避免了井下采掘地點(diǎn)瓦斯超限事故的發(fā)生。

4.2 供電安全性

在這次變電所升級(jí)改造中，安裝了防越級(jí)跳閘裝置，該裝置結(jié)合電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)中所有電氣參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的收集、計(jì)算和分析，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行精準(zhǔn)的辨別，迅速準(zhǔn)確地切斷有故障線路的電源，進(jìn)而避免越級(jí)跳閘。在改造前，變電所經(jīng)常出現(xiàn)越級(jí)跳閘的事故，改造后，越級(jí)跳閘得到了有效的控制，同時(shí)也大大地減低了礦井發(fā)生大面積停電事故的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高了供電的安全性。

4.3 減員增效

通過對(duì)各變電所監(jiān)控系統(tǒng)的改造升級(jí)，可以做到對(duì)所有開關(guān)停送電、定值調(diào)整等操作，自動(dòng)化程度得到了大幅的提高；此外，監(jiān)控系統(tǒng)改造前后變電所配電工人數(shù)減少。如圖6所示，地面變電所無人值守升級(jí)改造前，35kV變電站的配電工有18人，副井場地變電所10人，升級(jí)改造后只需要10人，減員18人；洗煤廠變電所的配電工10人，升級(jí)改造后需要6人，減員4人；井下變電所無人值守升級(jí)改造前，實(shí)現(xiàn)各變電所的正常運(yùn)行共需要配電工34人，升級(jí)改造后只需14人，減員20人。無人值守變電所在減員增效方面取得了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了減員增效的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

1)利用ZBT-11C型級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器專業(yè)功能解決了越級(jí)跳閘、高壓漏電選擇性差、諧波環(huán)境下高開保護(hù)器拒動(dòng)誤動(dòng)、在線修改定值困難等問題。并通過構(gòu)建光纖以太網(wǎng)平臺(tái)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

2)井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC SERVER接口接入公司集控平臺(tái)，基于OPC傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與全礦井集控平臺(tái)的無縫連接。

3)井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)改造升級(jí)后，可以準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律，建立事故預(yù)判模型，對(duì)故障精準(zhǔn)定位，迅速做出應(yīng)對(duì)方案，縮短了大面積停電時(shí)間，改善了井下作業(yè)環(huán)境，確保工人的人身安全，實(shí)現(xiàn)了井下變電所無人值守的目標(biāo)。