方崇全

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)是用來監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、溫度、電網(wǎng)絕緣電阻、保護(hù)接地電阻、饋電開關(guān)狀態(tài)、越級(jí)跳閘斷電等，并實(shí)行漏電保護(hù)、饋電開關(guān)閉鎖控制、地面遠(yuǎn)程控制等的系統(tǒng)[1]。目前，國(guó)內(nèi)的大中型煤礦基本建設(shè)了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下變電所的無人值守，對(duì)減少井下作業(yè)人員，提高生產(chǎn)效率發(fā)揮了積極作用[2-4]，很多相關(guān)文獻(xiàn)介紹了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5-8]，煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)一般包括：地面集控中心、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、井下變電所的監(jiān)控分站及高低壓配電裝置內(nèi)的電力綜合保護(hù)器?，F(xiàn)行的MT/T 1114—2011 煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)條件[1]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求地面集控中心具備雙機(jī)切換功能，從工作主機(jī)故障到備用主機(jī)投入正常工作時(shí)間應(yīng)不大于5 min，煤礦井下的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用冗余工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[9]，自愈時(shí)間一般小于100 ms，這些冗余措施提升了系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[10]提到一種煤礦供電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)，主要從RS485 通信多次輪詢及軟件看門狗方面實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。目前的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)在井下變電所一般只設(shè)置1 臺(tái)監(jiān)控分站用于與高低壓配電裝置內(nèi)的電力綜合保護(hù)器通信，當(dāng)監(jiān)控分站掉電、備用電池失效、嵌入式軟件異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控失效，因此有必要設(shè)計(jì)一種監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)其中1 臺(tái)監(jiān)控分站異常時(shí)自動(dòng)切換至另外1 臺(tái)監(jiān)控分站運(yùn)行，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，因高低壓配電裝置內(nèi)部的電力綜合保護(hù)器沒有實(shí)現(xiàn)冗余，2 臺(tái)監(jiān)控分站同時(shí)接入電力綜合保護(hù)器的RS485 通信總線，需要解決總線通信競(jìng)爭(zhēng)的問題，同時(shí)需要設(shè)計(jì)監(jiān)控分站的雙機(jī)熱備軟件。為此,從冗余監(jiān)控分站與高低壓配電裝置之間RS485 總線硬件互鎖、監(jiān)控分站熱備軟件等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性。

1 監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)

為了滿足煤礦井下變電所無人值守的需要，提高煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機(jī)及監(jiān)控軟件、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)、監(jiān)控分站、高低壓配電裝置等組成，煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖如圖1。

圖1 煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of coal mine power supply monitoring system

其中地面集控中心設(shè)置2 套上位機(jī)及監(jiān)控軟件互為熱備，其中1 套故障時(shí)，另外1 套可在5 min 內(nèi)切換并投入運(yùn)行；傳輸平臺(tái)為千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間采用光纖互聯(lián)，環(huán)網(wǎng)故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；井下變電所高壓開關(guān)設(shè)置2 臺(tái)監(jiān)控分站互為熱備，低壓開關(guān)也設(shè)置2 臺(tái)監(jiān)控分站互為熱備，其中1 臺(tái)監(jiān)控分站掉電或者故障時(shí)，另外1 臺(tái)監(jiān)控分站可在30 s 內(nèi)投入運(yùn)行，監(jiān)控分站與高低壓配電裝置內(nèi)的電力綜合保護(hù)器之間采用RS485 總線通信。系統(tǒng)從遠(yuǎn)程操控、傳輸、數(shù)據(jù)采集均實(shí)現(xiàn)冗余配置，進(jìn)一步保障了供電監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

2 監(jiān)控分站硬件冗余

監(jiān)控分站采用嵌入式ARM 處理器作為控制核心，每臺(tái)監(jiān)控分站設(shè)計(jì)2 路以太網(wǎng)接口，至少1 路RS485 總線通信接口，為加快監(jiān)控分站對(duì)高低壓配電裝置的巡檢周期，可設(shè)計(jì)多路RS485 總線通信接口分組輪詢。其中1 路以太網(wǎng)接口作為與上位機(jī)的通信接口，接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，另1 路以太網(wǎng)接口作為與冗余監(jiān)控分站之間的心跳維持通信接口，與另外1 臺(tái)監(jiān)控分站通信。

目前井下高低壓配電裝置內(nèi)的電力綜合保護(hù)器均提供RS485 總線通信接口，監(jiān)控分站采用RS485總線通信輪詢電力綜合保護(hù)器，2 臺(tái)冗余的監(jiān)控分站同時(shí)接入RS485 總線會(huì)產(chǎn)生總線沖突，所以需設(shè)計(jì)RS485 總線通信硬件閉鎖切換電路，以保證RS485 總線上只有1 臺(tái)監(jiān)控分站處于輪詢狀態(tài)，設(shè)計(jì)的監(jiān)控分站RS485 總線通信接口硬件互鎖電路如圖2。

圖2 監(jiān)控分站RS485 總線通信硬件互鎖電路Fig.2 RS485 bus communication hardware interlock circuit of monitoring substation

監(jiān)控分站RS485 總線經(jīng)過總線切換繼電器的常開觸點(diǎn)后連接到高低壓配電裝置內(nèi)的電力綜合保護(hù)器?？偩€切換繼電器僅受監(jiān)控分站內(nèi)部硬件看門狗驅(qū)動(dòng)控制，監(jiān)控分站的微處理器在程序的控制下定時(shí)輸出喂狗脈沖，防止看門狗溢出，并持續(xù)輸出高電平控制RS485 總線切換繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，從而接通監(jiān)控分站和電力綜合保護(hù)器的RS485 總線通信。當(dāng)監(jiān)控分站異常宕機(jī)停止工作時(shí)，喂狗脈沖消失，繼電器常開觸點(diǎn)自動(dòng)斷開，從而切斷監(jiān)控分站與電力綜合保護(hù)器之間的RS485 總線通信。

3 監(jiān)控分站熱備軟件

監(jiān)控分站的應(yīng)用軟件運(yùn)行于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)上，采用C 語言開發(fā)、模塊化方式設(shè)計(jì)，主要包括：人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信、串行通信、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、切換邏輯等模塊。監(jiān)控分站嵌入式軟件模塊圖如圖3。

圖3 監(jiān)控分站嵌入式軟件模塊圖Fig.3 Embedded software module diagram of monitoring substation

人機(jī)交互模塊完成紅外遙控按鍵的輸入采集，液晶界面顯示等功能，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)顯示等功能。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括遠(yuǎn)程通信和心跳維護(hù)2 個(gè)子模塊。其中遠(yuǎn)程通信模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控分站和上位機(jī)監(jiān)控軟件之間的數(shù)據(jù)交互，完成遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)的處理過程；心跳維護(hù)模塊用于和備用監(jiān)控分站之間的通信，根據(jù)心跳維護(hù)和應(yīng)答命令信息控制切換邏輯模塊。

串行通信模塊完成和高低壓配電裝置內(nèi)的電力綜合保護(hù)器的RS485 總線通信功能。根據(jù)操作人員配置的通信協(xié)議類型采用輪詢的方式發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取命令，接收電力綜合保護(hù)器返回的報(bào)文數(shù)據(jù)，將接收的報(bào)文提交給協(xié)議解析模塊分析出需要的各種數(shù)據(jù)和命令，同時(shí)串行通信模塊接收上位機(jī)監(jiān)控軟件下發(fā)的控制指令，傳輸給電力綜合保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低壓配電裝置的遠(yuǎn)程操控。

協(xié)議解析模塊根據(jù)不同電力綜合保護(hù)器的協(xié)議類型調(diào)用相應(yīng)的解析函數(shù)，對(duì)串行通信模塊提交的報(bào)文進(jìn)行分析，得出各種電力參數(shù)后提交給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊開辟1 段內(nèi)存生成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，保存各種臨時(shí)數(shù)據(jù)，以此提高數(shù)據(jù)的存取速度。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式設(shè)計(jì)了模擬量、開關(guān)量、和字符串3 種類型，其中各種狀態(tài)參數(shù)按照開關(guān)量來存取，而事件記錄或SOE 則以字符串方式存取。

切換邏輯模塊是監(jiān)控分站熱備軟件的核心，包含主機(jī)邏輯和備機(jī)邏輯2 種。主機(jī)邏輯按照定時(shí)間隔主動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)接口給備機(jī)發(fā)送心跳命令A(yù)，備機(jī)接收到心跳命令A(yù) 之后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送應(yīng)答命令B 給主機(jī)，同時(shí)主機(jī)定時(shí)輸出RS485 總線通信喂狗脈沖，使主機(jī)的RS485 總線通信和電力綜合保護(hù)器之間保持通信連接。備機(jī)邏輯則時(shí)刻監(jiān)視主機(jī)的連接和命令，當(dāng)接收到主機(jī)的心跳命令A(yù) 之后發(fā)送應(yīng)答命令B 給主機(jī)并清零軟件定時(shí)器，同時(shí)備機(jī)閉鎖RS485 總線通信喂狗脈沖的輸出，切斷備機(jī)和電力綜合保護(hù)器的RS485 總線通信連接。當(dāng)備機(jī)的軟件定時(shí)器溢出之后還未接收到主機(jī)的心跳命令A(yù)時(shí)，則判斷主機(jī)工作異常，備機(jī)恢復(fù)輸出RS485 總線通信喂狗脈沖，接通備機(jī)RS485 總線通信和電力綜合保護(hù)器之間的連接，從而使備機(jī)投入工作。如果主機(jī)恢復(fù)正常之后，根據(jù)以上邏輯，主機(jī)將接管與電力綜合保護(hù)器的通信，使主機(jī)投入運(yùn)行，備機(jī)切換為備用狀態(tài)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，2019 年12 月，該系統(tǒng)開始在山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司賀西煤礦進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，在賀西煤礦井下9 個(gè)變電所共安裝36 臺(tái)KJJ660 礦用供電監(jiān)控分站，每個(gè)變電所安裝2 臺(tái)監(jiān)控分站互為熱備用于與高壓開關(guān)通信，另外2 臺(tái)監(jiān)控分站互為熱備用于與低壓開關(guān)通信。正常情況下，其中1 臺(tái)監(jiān)控分站采集電力綜保數(shù)據(jù)并與上位機(jī)通信，2 臺(tái)監(jiān)控分站之間通過光纖通信維持心跳包，當(dāng)其中1 臺(tái)監(jiān)控分站出現(xiàn)異常而不能維持心跳時(shí)，另外1 臺(tái)正常的監(jiān)控分站在30 s 內(nèi)接管與電力綜保的總線通信，同時(shí)將相關(guān)異常傳輸至上位機(jī)顯示并報(bào)警，監(jiān)控分站互為熱備提高了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié) 語

1）監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的2 臺(tái)監(jiān)控分站競(jìng)爭(zhēng)與電力綜合保護(hù)器的RS485 通信總線可采用看門狗加繼電器切換的方式，從物理上實(shí)現(xiàn)總線隔離。

2）監(jiān)控分站嵌入式熱備軟件在嵌入式Linux 系統(tǒng)上采用多任務(wù)方式設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，其中1 臺(tái)監(jiān)控分站異常時(shí)，另外1 臺(tái)監(jiān)控分站能在30 s 內(nèi)自動(dòng)投入運(yùn)行。