煤礦智能綜合供電監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

李小東

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030206）

煤礦供配電系統(tǒng)主要由地面變電所及調(diào)控中心、井下中央變電所和各采區(qū)變電所三大部分組成［1-3］。受煤礦特殊工作環(huán)境影響，井下供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，負(fù)荷波動較大，供電穩(wěn)定性較低，且發(fā)生故障時(shí)排查處理困難，會嚴(yán)重影響煤礦供電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不利于煤礦安全生產(chǎn)。近年來，隨著自動化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，針對煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)及井下供電設(shè)備的監(jiān)控平臺也朝著綜合一體化、智能化、可視化的方向發(fā)展。通過具備故障自診斷功能的微機(jī)自動控制及保護(hù)裝置可對煤礦供電系統(tǒng)及設(shè)備實(shí)施有效監(jiān)測及保護(hù)，也可對煤礦所有供電線路及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)信號通過地面調(diào)控中心上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，井下變電所的開關(guān)動作及參數(shù)整定也均可通過地面控制臺實(shí)現(xiàn)，完成了井下變電所無人值守，大大提高了煤礦供電系統(tǒng)工作效率及智能化程度［4-5］。

目前國內(nèi)已投入使用的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)所存在的普遍問題有以下幾點(diǎn)：首先井下各變電所大多采用獨(dú)立的綜保裝置及隔爆型開關(guān)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場保護(hù)及監(jiān)測，由于缺少有效的通信手段，地面調(diào)控中心難以獲取各變電所的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及開關(guān)位置信息，無法提供及時(shí)有效的安全監(jiān)控及控制。其次部分具備通信功能的監(jiān)控系統(tǒng)存在由通信協(xié)議不統(tǒng)一、不規(guī)范引起的通訊效果及兼容性差的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)容易產(chǎn)生信息孤島，數(shù)據(jù)交互性較差。因此對煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使地面監(jiān)控平臺、井下各采區(qū)變電所監(jiān)控分站及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備形成一體化的聯(lián)合監(jiān)測體系，對實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守及可靠的智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控模式具有重要研究意義。

1 煤礦智能供電監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

目前煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題主要集中于數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)通信方面，為了進(jìn)一步提升監(jiān)控系統(tǒng)的性能，需要對其數(shù)據(jù)采集單元及通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集的精確性、全面性及遠(yuǎn)程通信的可靠性，解決井下供電信息孤島問題。

首先在數(shù)據(jù)采集方面，通過對數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行設(shè)計(jì)及選型，其監(jiān)測數(shù)據(jù)種類除了現(xiàn)場母線的三相電壓、電流、功率及相應(yīng)變化率等模擬量參數(shù)外，還包括各類高低壓開關(guān)等電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；此外還具備井下環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能，如溫度、濕度、pH酸堿度等。在保證監(jiān)測參數(shù)種類豐富、準(zhǔn)確度高的同時(shí)，智能采集終端還應(yīng)具備光電隔離及通信功能，保證所采集數(shù)據(jù)可靠傳輸至地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

高性能的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守的關(guān)鍵，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能一是保證地面監(jiān)控主站與井下各監(jiān)測分站的實(shí)時(shí)通信交互，將分站所采集的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控；二是實(shí)現(xiàn)井下各監(jiān)測分站的雙向通信功能，通過各分站的數(shù)據(jù)互通形成通信環(huán)網(wǎng)，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性及效率，從而實(shí)現(xiàn)對井下供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。本次所采取的技術(shù)路線是用工業(yè)以太網(wǎng)+RS485組合式通訊環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，首先地面監(jiān)測主站與井下各分站采用高速光纖通道建立通信網(wǎng)絡(luò)，并通過環(huán)網(wǎng)光纖交換機(jī)建立以太環(huán)網(wǎng)，各綜保裝置、數(shù)據(jù)采集終端等現(xiàn)場設(shè)備通過RS485總線通信接入監(jiān)測分站，最終接入到環(huán)網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主站的實(shí)時(shí)交互。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井下變電所無人值守，系統(tǒng)需具備遠(yuǎn)程控制功能及手段，通過地面監(jiān)控中心對井下各供電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制指令的下達(dá)及參數(shù)整定，包括各類綜保測控裝置參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定及高低壓開關(guān)等分合閘的遠(yuǎn)程控制等。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

供電監(jiān)控系統(tǒng)按照分層分布式結(jié)構(gòu)共劃分為三層架構(gòu)，分別為：井上監(jiān)控層、通信網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場設(shè)備層三部分。其中：井上監(jiān)控層主要由監(jiān)控主站構(gòu)成，監(jiān)控主站上位機(jī)搭載了煤礦智能供電軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)供電系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，除上位機(jī)交互平臺外還配有打印機(jī)、光纖交換機(jī)、UPS電源等輔助設(shè)備。通信網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信及各類數(shù)據(jù)信息上傳下達(dá)，主要由工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及RS485總線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中各井下監(jiān)測分站雙向通信及地面主站與井下分站通信由以太環(huán)網(wǎng)完成，綜保裝置、攝像頭及數(shù)據(jù)采集器等現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通過RS485與監(jiān)測分站進(jìn)行傳輸?，F(xiàn)場設(shè)備層主要由井下電力監(jiān)測分站及電力測控單元構(gòu)成，用于井下現(xiàn)場供電線路及設(shè)備參數(shù)的采集與上傳。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供電監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 井上供電監(jiān)控主站設(shè)計(jì)

2.1 井上監(jiān)控主站硬件設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控主站是管理整個(gè)供電系統(tǒng)及相應(yīng)設(shè)備的樞紐環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)信號的匯集、分析與控制指令下達(dá)。其硬件配置主要由監(jiān)測主站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、UPS電源等組成，具體硬件方案如下：

每處監(jiān)控主站配置了兩臺工業(yè)計(jì)算機(jī)，其內(nèi)部搭載了供電監(jiān)控軟件系統(tǒng)及人機(jī)交互界面，可以對所采集的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，各類控制操作如參數(shù)整定、故障報(bào)警等可通過交互界面遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)分析運(yùn)算、故障診斷、歷史報(bào)表及實(shí)時(shí)曲線制作等功能。監(jiān)控主站還配備兩臺用于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可對所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并生成數(shù)據(jù)庫及對外發(fā)布網(wǎng)頁。同時(shí)監(jiān)控主站還設(shè)置了一臺容量為3 kVA的UPS電源，能保證2小時(shí)可靠不間斷供電。

監(jiān)控主站所配置的2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用于存儲各類歷史數(shù)據(jù)，從而對監(jiān)控主站實(shí)施有效監(jiān)控，并與監(jiān)控主站互為雙機(jī)備份，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。數(shù)據(jù)服務(wù)器具體功能如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)服務(wù)器功能

監(jiān)控主站配置1臺通信服務(wù)器，其接口類型為以太網(wǎng)，運(yùn)行方式為雙機(jī)備用模式，主要功能包括監(jiān)控主站、各監(jiān)測分站及數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)互傳、通信通道監(jiān)視、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式化等。

2.2 井上監(jiān)控主站軟件設(shè)計(jì)

井上監(jiān)控主站軟件的應(yīng)用系統(tǒng)平臺以組態(tài)王7.5為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過多個(gè)組態(tài)工具模塊實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)控功能，主要包括供電系統(tǒng)運(yùn)行主界面繪制、通信管理模塊、參數(shù)庫管理、歷史記錄存儲等模塊。其中組態(tài)工具模塊程序流程如圖2所示。

圖2 組態(tài)程序流程

3 井下供電監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

井下監(jiān)控分站是負(fù)責(zé)將現(xiàn)場所采集的各類開關(guān)狀態(tài)、供電線路及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換后上傳至井上監(jiān)控主站，同時(shí)接收來自主站下達(dá)的控制指令的主要設(shè)備，主要由以太網(wǎng)交換機(jī)、嵌入式通信服務(wù)器、光端設(shè)備、開關(guān)電源及UPS電源等組成。為了保證系統(tǒng)采集精度及控制效果，本系統(tǒng)選用KJ360-F型井下電力監(jiān)測分站實(shí)現(xiàn)井下變電所就地監(jiān)控與數(shù)據(jù)通信，KJ360-F的隔爆主箱體內(nèi)配備了光端機(jī)箱及接線箱兩個(gè)隔爆腔，通信服務(wù)器、交換機(jī)、電源等主要設(shè)備均置于隔爆腔內(nèi)。KJ360-F具備8個(gè)可配置RS485串口，最大波特率可達(dá)115 200 bps，可滿足現(xiàn)場綜保裝置、智能采集器等設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)具備6個(gè)100 Mbps的以太網(wǎng)口和2對單模光口，配合內(nèi)置以太網(wǎng)交換機(jī)可方便架構(gòu)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，無需增加額外設(shè)備。UPS后備電源可在停電后提供3小時(shí)不間斷供電，在功能及可靠性上均滿足本系統(tǒng)需求。

4 結(jié)語

為進(jìn)一步提高煤礦供電系統(tǒng)可靠性，提出了一種煤礦智能綜合供電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在硬件方面采用三層架構(gòu)通過對地面監(jiān)控主站及井下監(jiān)控分站等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及分析功能，并通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)對系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)，保證了井上井下通信暢通，實(shí)現(xiàn)了井下供電設(shè)備及變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)控及無人值守。