鄭鵬健

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033199)

0 引 言

井下煤礦開采過程中需要使用很多電力設(shè)備設(shè)施，供電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行直接決定了這些機(jī)電裝備的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行[3]。由于礦井作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，粉塵較大、濕度較高，這些都礦井用電安全比較大的威脅[4]。礦井供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障問題，從而影響煤礦開采過程的連續(xù)性，制約煤礦開采效率的提升[5]。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅設(shè)備和井下人員安全?；诖?，設(shè)計(jì)研究井下變電所的無人值守監(jiān)控系統(tǒng)，基于現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)變電所進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，保障變電所的可靠運(yùn)行[6]。

1 變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1所示為設(shè)計(jì)的煤礦井下變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)整體方案圖。設(shè)計(jì)的無人值守監(jiān)控系統(tǒng)整體上可以劃分成為三大部分，分別為地面監(jiān)控主站、井下監(jiān)控分站以及測(cè)控單元。

圖1 井下變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

(1) 地面監(jiān)控主站。此部分主要由工業(yè)電視大屏幕、監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控備用機(jī)、打印機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)施等部分構(gòu)成，相關(guān)的硬件設(shè)施全部位于地面，作用是對(duì)井下采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析并顯示。位于監(jiān)控主站的管理人員可以通過監(jiān)控屏幕下達(dá)控制指令，對(duì)井下相關(guān)裝置進(jìn)行控制。

(2) 井下監(jiān)控分站。井下監(jiān)控分站的作用是對(duì)測(cè)控單元采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集。如果變電所設(shè)備存在故障問題，還需要完成故障錄波工作。井下監(jiān)控分站是地面監(jiān)控主站和測(cè)控單元之間的橋梁。分站采集的數(shù)據(jù)信息通過工業(yè)以太網(wǎng)以遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞捷斔偷街髡?，主站下達(dá)的控制指令需要通過分站分配到測(cè)控單元。

(3) 測(cè)控單元。主要硬件設(shè)施是綜合保護(hù)器、瓦斯傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、高清攝像頭等，其作用是對(duì)變電所中相關(guān)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，通過對(duì)變電所環(huán)境參數(shù)采集并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y(cè)控分站。測(cè)控單元還需接受地面監(jiān)控主站的控制。

井下部分通過以太網(wǎng)光纖組件環(huán)網(wǎng)，所有井下監(jiān)控分站全部接入環(huán)網(wǎng)中，環(huán)網(wǎng)通過光端機(jī)實(shí)現(xiàn)與地面監(jiān)控主站之間的數(shù)據(jù)通信。測(cè)控單元與監(jiān)控分站之間通過雙絞線和RS485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信。所有采集得到的數(shù)據(jù)信息以及變電所出現(xiàn)的故障問題信息，全部會(huì)在工業(yè)電視大屏幕上實(shí)時(shí)顯示。

監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可以對(duì)變電所中的電壓電量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與控制，并對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。同時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電所中存在的故障問題，以便及時(shí)處理問題，縮短停電時(shí)間。系統(tǒng)可以根據(jù)不同分站的用電量大小對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行調(diào)配，提升電力的合理利用率，降低企業(yè)的電費(fèi)消耗，真正實(shí)現(xiàn)無人值守的效果。

2 地面監(jiān)控主站設(shè)計(jì)

圖2所示為地面監(jiān)控主站的整體框架結(jié)構(gòu)，其中最重要的三個(gè)部分分別為Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控工作站。

圖2 地面監(jiān)控主站框架結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)服務(wù)器

基于數(shù)據(jù)服務(wù)器硬件設(shè)施再配合使用相關(guān)軟件處理程序，可以被動(dòng)地接收來自井下監(jiān)控分站傳輸上來的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)可以設(shè)定時(shí)間間隔，定期對(duì)井下終端數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，也可按照實(shí)際使用需要隨時(shí)對(duì)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集得到的數(shù)據(jù)信息全部存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，利用數(shù)據(jù)服務(wù)器可以對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理。比如可以對(duì)模擬量分別設(shè)置上限和下限，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息超過了上限或者下限，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，并被警報(bào)進(jìn)行記錄。為了提升無人值守監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程的可靠性，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用的是冗余設(shè)計(jì)，其中一個(gè)作為主服務(wù)器，另外一個(gè)作為備用服務(wù)器，兩臺(tái)服務(wù)器只要有一臺(tái)能夠正常運(yùn)行，那么整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)即可穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 Web服務(wù)器

無人值守監(jiān)控系統(tǒng)采集得到的信息很多為無用信息，或者信息之間存在相互交叉、冗余的問題。為了提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的質(zhì)量和效率，對(duì)采集的信息進(jìn)行深入挖掘分析后，將有用的信息存儲(chǔ)到Web服務(wù)器中。利用先進(jìn)的Java開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)了信息發(fā)布系統(tǒng)，可以對(duì)Web服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的分類輸出，直觀的顯示在監(jiān)控屏幕上。

2.3 監(jiān)控工作站

監(jiān)控工作站的作用是實(shí)現(xiàn)用戶在監(jiān)控系統(tǒng)中的登錄，并對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行管理。不同權(quán)限的人員進(jìn)入無人值守監(jiān)控系統(tǒng)后，顯示的畫面和能夠查詢的數(shù)據(jù)存在一定差異。通過監(jiān)控工作站可以對(duì)井下變電所的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息及其周圍的瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度等環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)取。一旦監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變電所存在安全隱患，即會(huì)通過監(jiān)控工作站發(fā)出警告。另外，管理人員可以通過監(jiān)控工作站向井下監(jiān)控終端發(fā)出控制指令。

3 井下監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

圖3所示為井下監(jiān)控分站及測(cè)控單元的框架結(jié)構(gòu)圖。井下監(jiān)控分站的主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。一方面將測(cè)控單元采集得到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄媳O(jiān)控主站，同時(shí)井上監(jiān)控主站下達(dá)的控制指令也要通過監(jiān)控分站傳輸?shù)綔y(cè)控單元中。測(cè)控單元和監(jiān)控分站之間通過雙絞線和RS485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，監(jiān)控分站與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間通過RS485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。測(cè)控單元可以劃分成為兩大類，第一類主要是對(duì)變電所內(nèi)部的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保變電所的運(yùn)行安全；第二類主要是對(duì)變電所周圍的環(huán)境參數(shù)，如瓦斯、溫濕度、煙霧等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保變電所的環(huán)境安全。

圖3 井下監(jiān)控分站及測(cè)控單元的框架結(jié)構(gòu)

4 實(shí)踐應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的煤礦井下變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，經(jīng)過連續(xù)一年時(shí)間的觀察，其運(yùn)行效果良好，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

(1) 不需要再專門安排人員在井下變電所值班，通過監(jiān)控系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)掌握井下變電所及其周圍的基本情況。只需要在監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)后，安排人員對(duì)出現(xiàn)問題的區(qū)域進(jìn)行檢修即可，人員利用科學(xué)。

(2) 變電所無人值守后，降低了由于人為失誤導(dǎo)致的各種故障問題，杜絕了值班人員私下調(diào)班埋下的安全隱患，安全效益顯著。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并檢查變電所中出現(xiàn)的各種故障問題，準(zhǔn)確定位故障位置，極大縮短了變電所故障導(dǎo)致的停電時(shí)間。

(3) 無人值守監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息全部會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)進(jìn)行調(diào)取分析，提升了數(shù)據(jù)的利用率。為后續(xù)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

(4) 文中所述的煤礦企業(yè)中，通過使用無人值守監(jiān)控系統(tǒng)，井下變電所可以減少4名值班人員。每名工作人員的支出按每月6000元計(jì)算，則每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省28.8萬元。產(chǎn)生的其他經(jīng)濟(jì)效益更是難以估量。