孫玉龍

（西山煤電西銘礦運輸科，太原 030052）

0 引言

煤礦上電力網絡復雜，變電站在其中扮演著不可或缺的作用，可實現(xiàn)電壓、功率調節(jié)，同時電能在此匯聚并進行分配使用，對其進行自動化改造將直接影響煤礦電力網絡的工作效率[1]。因此，通過現(xiàn)代化技術，設計針對煤礦變電站的綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站的遠程控制具有重要意義[2]。煤礦變電站綜合自動化實際上就是根據(jù)功能需求將變電站中的多種二次設備進行重新整合和優(yōu)化配置，借助計算機控制技術、網絡通信技術和智能處理技術，對整個煤礦上變電站的重要電氣設備實現(xiàn)實時監(jiān)控、保護、遠程控制等自動化功能[3]。

煤礦變電站綜合自動化系統(tǒng)應具備以下功能：可實時采集各種電氣設備的電壓、電流、功率等交流信號模擬量以及電路的各種開關狀態(tài)，實現(xiàn)對變電站內各種電氣設備運行狀態(tài)的監(jiān)視；根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)，通過遠程計算機的快速計算和智能處理，獲得最經濟的運行方式，進而對電氣設備進行控制操作，提高工作效率。

1 煤礦變電站存在的問題

傳統(tǒng)的煤礦變電站存在著如下缺點與不足[4-5]。

（1）電氣設備可靠性、安全性不能滿足實際需要。傳統(tǒng)的煤礦變電站仍然使用常規(guī)的電氣設備，系統(tǒng)結構復雜，并且沒有自我故障診斷能力，可靠性差，存在許多的安全隱患。

（2）自動化程度低，監(jiān)控時效性差。傳統(tǒng)的煤礦變電站由于監(jiān)控設備無法全面覆蓋電氣設備，導致監(jiān)控數(shù)據(jù)不全面，同時由于通信系統(tǒng)的落后，監(jiān)控數(shù)據(jù)和信息無法實時傳輸?shù)秸{度中心和遠程計算機，同時變電站自身缺乏相應的遠程控制手段，這些因素都影響了煤礦變電站的工作效率和安全運行。

（3）設備維護工作量大，系統(tǒng)運營管理水平低。變電站內的電氣設備易受環(huán)境溫度影響，需要大量人力、物力、財力來維護這些設備，人工維護成本高、難度大；變電站中各電氣設備之間關聯(lián)較少，通常都是根據(jù)設備的功能將其簡單的組合在一起，缺乏對變電站的統(tǒng)籌管理和統(tǒng)一監(jiān)控，協(xié)調操作困難，可能會出現(xiàn)操作混亂的情況。

2 綜合自動化系統(tǒng)總體方案設計

煤礦變電站綜合自動化系統(tǒng)主要由各種分布式保護測控裝置、MCU主控單元、現(xiàn)場總線、智能監(jiān)測設備、通信管理設備、后臺控制計算機以及遠程控制設備等部分組成。監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和開關控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關鍵部分，其保證所設計的綜合自動化系統(tǒng)可以從現(xiàn)場實時采集到第一手數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的智能處理，完成對電氣設備的遠程操作與控制。通信系統(tǒng)包括現(xiàn)場總線通信和以太網通信，分別連接遠程控制系統(tǒng)和前端監(jiān)測設備，可以保障各電氣設備與MCU主控單元、遠程計算機之間數(shù)據(jù)的暢通傳輸。遠程控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心大腦，可實現(xiàn)對電氣設備各類數(shù)據(jù)的實時采集，對其進行智能處理和分析，進而對終端設備實施控制操作，當出現(xiàn)故障時可及時報警；同時后臺配置有數(shù)據(jù)庫服務器，可存儲所有采集到的設備數(shù)據(jù)和控制信息。其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統(tǒng)結構框圖

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 主控單元現(xiàn)場總線

MCU主控單元與各種分布式保護測控裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開關控制系統(tǒng)之間采用現(xiàn)場總線通信技術進行通信傳輸?，F(xiàn)場總線技術具有很強的擴展性和靈活性[6]，在其支持下，可以將通信設備和終端監(jiān)控設備組合起來，整體形成一個上下有序的分布式系統(tǒng)。

本設計現(xiàn)場總線使用CAN總線進行通信，CAN總線理論上可以連接無窮多個節(jié)點數(shù)，節(jié)點之間可以自由通信，能夠實現(xiàn)不同結構的資源共享，極大地減少了電纜的布置，同時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化系統(tǒng)中作為通信系統(tǒng)的總線。

3.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由模擬量采集和開入量、脈沖量采集構成。模擬量主要指電流、電壓、功率等交流電信號；開入量是指保護裝置的信號輸入，采集現(xiàn)場開關、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。

（1）模擬量的采集

模擬量采集系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。圖中，PT為電壓互感器，CT為電流互感器，U為信號放大電路，MUX為集成多路模擬開關。外部強電交流信號通過PT/CT隔離轉換為弱交流電信號，經信號放大電路U、集成多路模擬開關MUX和A/D轉換變?yōu)镸CU可處理的數(shù)字信號，對數(shù)字信號進行處理就能計算出此時電流電壓的有效值，并計算得到有功功率與無功功率，最后通過以太網將采集數(shù)據(jù)傳送至遠程計算機進行智能處理，并實現(xiàn)控制功能。整個采集系統(tǒng)最高可同時采集12路模擬量數(shù)據(jù)，采集效率極高。

圖2 模擬量采集結構框圖

（2）開入量和脈沖量的采集

開入量采集結構圖如圖3所示。在MCU主控單元對外部開入量進行采集時，需要先對其進行預處理，通常在開入量采集電路中設置光電隔離裝置，這樣可降低外部信號的干擾，保證信號的準確性，然后將信號上傳到MCU進行采集。為避免信號采集錯誤導致誤報情況的發(fā)生，開人量的采集需在硬件和軟件上采用去抖動措施。本系統(tǒng)采用抗干擾濾除法對脈沖量進行采集，當脈沖寬度大于設定寬度時才計數(shù)，否則視為干擾信號，脈沖量由裝置實時計算后累加上傳到MCU主控單元。

圖3 開入量采集結構圖

3.3 分布式保護測控裝置功能

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

（1）饋線保護測控裝置。該裝置主要是對6 kV或10 kV電壓等級經消弧線圈接地的饋線系統(tǒng)進行保護測控。具有三相一次重合閘保護、零序過流保護、二段定時限過流保護等功能，且其操作回路具有獨立性，支持脈沖輸入。

（2）電容器保護測控裝置。該裝置主要對單Y、雙Y、Δ形接線的并聯(lián)電容器組進行保護測控，用于6 kV或10 kv電壓等級的中性點經消弧線圈接地或不接地低壓系統(tǒng)當中。具有過電壓或者低電壓保護、過載保護、二段定時限過流保護等功能，且其操作回路具有獨立性。

（3）主變壓器差動保護裝置。該裝置主要是對35～110 kV的變壓器進行差動保護。具有差動保護、非電量保護、過載保護等功能，支持脈沖輸入。

（4）主變壓器后備保護測控裝置。該裝置主要是對6～110 kV電壓等級的兩卷／三卷變壓器進行后備保護。具有零序過壓保護、間隙過流保護等功能。

以上保護測控裝置均可通過與通信系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)對模擬量、開入量、脈沖量等的采集，并通過遠程控制系統(tǒng)對其進行遙信操作。

圖4 上位機軟件結構框圖

4 軟件系統(tǒng)設計

煤礦變電站綜合自動化遠程監(jiān)控系統(tǒng)是基于計算機技術、網絡通信技術、智能控制技術等設計的[8]。針對該系統(tǒng)設計的上位機監(jiān)控軟件可以實時采集煤礦變電站各種設備運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線顯示，同時可將采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便以后調用。此外，監(jiān)控軟件具有友好的人機界面和超強的數(shù)據(jù)智能處理能力，可以在線實現(xiàn)遠程監(jiān)監(jiān)控功能。

上位機監(jiān)控軟件選用Visual C++6.0語言作為軟件開發(fā)工具，將Windows操作系統(tǒng)作為監(jiān)控軟件的運行環(huán)境，以SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫構造系統(tǒng)應用數(shù)據(jù)庫。Visual C++6.0編程語言是由Microsoft公司推出的一款靈活性好、功能強大、可擴展的可視化開發(fā)工具，是面向對象的程序開發(fā)語言，借助其強大的編譯器以及網絡與數(shù)據(jù)庫的開發(fā)能力，可以開發(fā)出功能強大的應用程序[9]。

整個監(jiān)控系統(tǒng)的軟件體系采用模塊化和面向對象的設計思路，根據(jù)前面所述煤礦變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求，將監(jiān)控軟件的系統(tǒng)功能與其一一對應，設計成相應的功能模塊，功能模塊中包含具體的子系統(tǒng)。上位機監(jiān)控軟件結構框圖如圖4所示。

5 結束語

本文在分析傳統(tǒng)煤礦變電站存在諸多問題的基礎上，設計了一套變電站綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時采集終端電氣設備的運行狀態(tài)信息和工作參數(shù)，并將采集數(shù)據(jù)上傳到遠程控制系統(tǒng)，可通過計算機的智能處理和分析判斷，獲取控制和操作信息，實現(xiàn)遠程控制。實地運行證明，本文設計的系統(tǒng)大大提高了煤礦變電站自動化水平、安全性和可靠性，減少了人力物力，節(jié)省成本，對于提高變電站性能，降低變電站風險有著重要意義。