楊云峰

(山西高平科興南陽(yáng)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(chēng)),能夠有效地為井下采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸和通風(fēng)等提供電力保證,保證井下采礦機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)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(lái)越高。許多供電負(fù)荷場(chǎng)所分布復(fù)雜,存在瓦斯、煤塵等安全隱患,同時(shí)，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(dòng)化方向發(fā)展的過(guò)程中,對(duì)井下變電所的可靠性和測(cè)控一體性提出了新的要求[2-5]。

南陽(yáng)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(dòng)化能力不足,導(dǎo)致地面總調(diào)度室無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控井下供電狀況并對(duì)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(xiàn)、擠壓短路、過(guò)負(fù)荷和漏電等事故,礦井決定實(shí)行供電系統(tǒng)改造,通過(guò)信息化和自動(dòng)化的手段,提高對(duì)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(jì)提出了一種無(wú)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(shí)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(jì)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(chǎng)供電設(shè)備進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控,對(duì)待突發(fā)故障能夠自動(dòng)報(bào)警和處理故障。為保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(hào)為KTK(80)/104,各電路板均為本安型。各井下變電站分別對(duì)負(fù)責(zé)的監(jiān)控站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)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(chǎng)采用高開(kāi)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(guò)軟件對(duì)井下變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)操作,實(shí)現(xiàn)分、合閘等操作命令。供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立于供電主系統(tǒng),所以監(jiān)測(cè)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(diǎn)

1)遙測(cè)功能。采集井下開(kāi)關(guān)柜等的實(shí)時(shí)參數(shù),如電流、電壓,溫度、功率等,經(jīng)由通信線(xiàn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜的開(kāi)斷狀態(tài)、繼電保護(hù)壓板及保護(hù)動(dòng)作等進(jìn)行監(jiān)控和信息采集,經(jīng)由通信線(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜開(kāi)斷狀態(tài)的控制。

4)保護(hù)定值設(shè)置和復(fù)位。通過(guò)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(dòng)作后,可對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行軟件復(fù)位操作。

5)信息記錄、存檔、查詢(xún)和打印。依照記錄時(shí)間和記錄裝置編號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括故障信息)的記錄和存檔,可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)操作,查詢(xún)時(shí)間單位有時(shí)、班、天和年,主機(jī)軟件支持不同時(shí)間單位的報(bào)表打印功能。

6)報(bào)警功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)電氣參數(shù)超范圍時(shí),保護(hù)動(dòng)作激發(fā),斷路器分合閘等操作時(shí),監(jiān)控軟件以明顯的聲像信號(hào)進(jìn)行報(bào)警,便于操作人員處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(xiàn)路元器件和測(cè)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(jì)；通信線(xiàn)路分別為RS-485和RS-232等。前者基于ADM2587E芯片設(shè)計(jì),后者基于MAX3232ESE單片機(jī)設(shè)計(jì),測(cè)溫電路主要基于DS18b20芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(xiàn)、RS-232、光纖等方式?；诘V井實(shí)際條件,井上管理計(jì)算機(jī)與井下監(jiān)測(cè)設(shè)備通信采用RS-485,二線(xiàn)制接線(xiàn),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(hào)傳輸和提高信號(hào)保真性。井下傳輸主要采用RS-232方式,三線(xiàn)制接線(xiàn),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(jì)

4.1 軟件編程語(yǔ)言及系統(tǒng)配置

軟件主要基于VB和C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì),其中VB用于編寫(xiě)窗口界面,C語(yǔ)言用于編寫(xiě)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(yùn)行,運(yùn)行需要NET Framework 3.5運(yùn)行庫(kù)。由于軟件小,占用內(nèi)存少,所以i3及以上處理器上便可運(yùn)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(duì)井下不同位置的變電所的高壓開(kāi)關(guān)電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)合閘、分閘和復(fù)位控制。同時(shí)，具備查詢(xún)功能,通過(guò)限定日期可以查詢(xún)不同時(shí)間下相應(yīng)變電所及位置的配電開(kāi)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(yùn)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(jì)算機(jī)接分站數(shù)量、各分站地址和對(duì)應(yīng)變電所名稱(chēng)、分站連接的采集器數(shù)量、采集器地址號(hào)和對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)編號(hào)等等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和井下硬件裝置的一一對(duì)應(yīng),否則系統(tǒng)無(wú)法顯示和查看數(shù)據(jù)。

2)變電所分站初始化。初始化動(dòng)作在定義結(jié)束后進(jìn)行,即計(jì)算機(jī)通過(guò)發(fā)送各分站及智能采集器參數(shù),實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備初始化,初始化成功后即可進(jìn)行“實(shí)時(shí)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(shí)間和記錄裝置編號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括故障信息)的記錄和存檔,可依據(jù)年、月、日、時(shí)的時(shí)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(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)性,即監(jiān)控主機(jī)不關(guān)機(jī),監(jiān)測(cè)線(xiàn)路不斷電,為數(shù)據(jù)傳輸提供安全保證。

4)遙控功能。通過(guò)監(jiān)控中心主機(jī)軟件控制,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜開(kāi)斷狀態(tài)的控制。軟件進(jìn)行遙控操作時(shí),需有專(zhuān)人和專(zhuān)用密碼才可進(jìn)行,避免隨意分合閘。

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

5 應(yīng)用效果

南陽(yáng)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(cè)布置,整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)于2018年4月投入使用,已運(yùn)行兩年。運(yùn)行期間井下實(shí)現(xiàn)了零人值守,供電設(shè)施平穩(wěn)運(yùn)行,未發(fā)生相關(guān)電力事故。同時(shí),通過(guò)井上監(jiān)測(cè)電腦可以進(jìn)行井下供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄,基本達(dá)到前期設(shè)計(jì)效果。

在2019年7月,井下進(jìn)行線(xiàn)路整修。井下變電所采用兩個(gè)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(guò)程中導(dǎo)致一個(gè)回路負(fù)荷過(guò)大,相關(guān)設(shè)備曾短時(shí)間內(nèi)發(fā)生過(guò)變電所電流過(guò)大,溫度偏高的情況,由于系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警和保護(hù)處理,并未產(chǎn)生人員和設(shè)備損傷,說(shuō)明該監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠,且應(yīng)急性較高,對(duì)井下供電管理工作提效十分明顯。

不過(guò),該系統(tǒng)也存在部分問(wèn)題,由于設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)該通信模式的傳輸易產(chǎn)生共模干擾。針對(duì)上述問(wèn)題,后期準(zhǔn)備進(jìn)行通信方式升級(jí),使用RS-485通信方式逐步替代,統(tǒng)一全礦井供電監(jiān)測(cè)的通信方式。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)南陽(yáng)煤業(yè)的實(shí)際供電條件,設(shè)計(jì)提出了一種井下變電所無(wú)人監(jiān)守供電系統(tǒng),并簡(jiǎn)要闡述了系統(tǒng)的主要功能和軟硬件構(gòu)成。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了南陽(yáng)煤業(yè)井下變電所無(wú)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(huì)效益和推廣價(jià)值。