王 磊

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200）

煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程逐漸推進(jìn)過(guò)程中，煤礦供電組網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、負(fù)荷不斷增加、設(shè)備用電量不斷增大。煤礦井下惡劣用電環(huán)境對(duì)用電設(shè)備的壽命、使用情況會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此，對(duì)煤礦變電站進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)具有重要意義。一般煤礦變電站維護(hù)人員采用井下巡游環(huán)視模式記錄變電站各個(gè)儀表數(shù)據(jù)，通過(guò)電話或者短信方式向井上調(diào)度人員通報(bào)變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，這種方式存在耗時(shí)耗力、危險(xiǎn)系數(shù)大、工作強(qiáng)度大以及不確認(rèn)因素多的問(wèn)題[1-2]。針對(duì)上述問(wèn)題，基于通信技術(shù)、控制器技術(shù)對(duì)煤礦變電站數(shù)據(jù)進(jìn)行自主采集、測(cè)量、控制、保護(hù)和監(jiān)測(cè)，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)專家技術(shù)進(jìn)行在線決策，實(shí)現(xiàn)煤礦變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化，保障煤礦變電站安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1 總體設(shè)計(jì)

煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)需滿足的基本要求包括：①實(shí)時(shí)性。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)變電站設(shè)備的狀態(tài)信息，滿足傳輸速度快、低延時(shí)的要求。②速度快。能夠快速處理大信息量的變電站設(shè)備故障信息，滿足處理故障信息速度快的要求。③預(yù)警性。能夠根據(jù)采集的設(shè)備信息分析設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，具備預(yù)警報(bào)告能力。④友好性。能夠支持多種通信接口，使得系統(tǒng)易操作且易擴(kuò)展。因此，煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為過(guò)程層、間隔層以及站控層三層結(jié)構(gòu)。

圖1 煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1）過(guò)程層。采集變電站設(shè)備的A/D 信號(hào)、傳輸變電站設(shè)備的開(kāi)關(guān)量以及動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)全站設(shè)備的監(jiān)測(cè)。該層包含的設(shè)備有合并單元、智能終端、電流/電壓互感器等[3]。該層網(wǎng)絡(luò)由SV 和GOOSE組成。

2）間隔層。對(duì)采集到的變電站設(shè)備信息進(jìn)行合并，并組成站控層可解析的報(bào)文，同時(shí)傳遞站控層指令。該層包含的設(shè)備由保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障濾波裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀以及電能計(jì)量?jī)x等。

3）站控層。綜合周期性采集變電站全站數(shù)據(jù)信息并轉(zhuǎn)存至歷史信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)站域控制、智能警告、SCDAD 監(jiān)控以及五防閉鎖功能。當(dāng)接收到變電站調(diào)度中心指令時(shí)，可傳遞并執(zhí)行調(diào)度命令。該層包含的設(shè)備有監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控工作站、路由器等。該層網(wǎng)絡(luò)由MMS 和GOOSE 組成。

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)備包括控制器、綜合保護(hù)裝置、交換機(jī)、智能LED 以及互感器等。

1）控制器。采用DSP+FPAG 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。DSP 控制器用于控制監(jiān)控系統(tǒng)中的控制指令的傳輸、GOOSE 報(bào)文、SV 報(bào)文、MME 報(bào)文的傳輸與解析以及外部執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)作控制等。其具體型號(hào)為T(mén)I的176 引腳LQFP 四邊形封裝的TMS320C28335，主頻為150 MHz，指令周期為6.67 ns，采用高性能靜態(tài)CMO 技術(shù)，支持6 通道DMA 控制、8 個(gè)外部中斷、3 個(gè)32 位定時(shí)器、16 個(gè)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器、88 個(gè)可編程復(fù)用GPIO 引腳，滿足煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)控制要求。FPAG 控制器用于固化煤礦變電站監(jiān)控系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)算法，包括卡爾曼濾波算法、雙策略灰狼優(yōu)化算法等。其具體型號(hào)為Xilinx Artix?-7 系列的FPA A7[4-5]，采用28 nm 設(shè)計(jì)架構(gòu)，低功耗、低成本且滿足本方案實(shí)時(shí)性強(qiáng)、處理速度要求高的設(shè)計(jì)要求。

2）綜合保護(hù)裝置。選用江蘇域網(wǎng)的CW301 數(shù)字式線路保護(hù)測(cè)控裝置，支持三段電壓閉鎖方向過(guò)流保護(hù)、反時(shí)限過(guò)流保護(hù)、過(guò)流后加速保護(hù)、三段零序過(guò)流保護(hù)、三相一次重合閘、低頻減載、過(guò)負(fù)荷保護(hù)等；支持11 路遙信信號(hào)采集、故障錄波、開(kāi)關(guān)遙控跳閘合閘、遙測(cè)量三相電壓/三相電流/頻率/功率因素等功能。

3）交換機(jī)。選用濟(jì)南華科的礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)KJJ127，支持以太網(wǎng)千兆、以太網(wǎng)百兆光信號(hào)接口，可根據(jù)需求定制；采用全雙工TCP/IP傳輸協(xié)議，傳輸速率可達(dá)1 000 Mbps；采用獨(dú)特密封式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，承壓強(qiáng)度高、密封性能可靠，適用AC127、660 V 電壓；采用獨(dú)立斷電閉鎖開(kāi)關(guān)，安全性好。

4）互感器。選用樂(lè)清冷氏的電子式礦用電壓、電流互感器，用于將變電站的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入至DSP 控制器，實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，基于Altova XMLspy 軟件平臺(tái)，建立IEC61850規(guī)約下的智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件[6]，采用SCL 編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集模塊

需采集的信號(hào)變電站設(shè)備模擬量，如設(shè)備電壓、電流、功率等信號(hào)；設(shè)備開(kāi)關(guān)量，如設(shè)備開(kāi)關(guān)、刀閘、輸入輸出等信號(hào)；設(shè)備脈沖量，如不連續(xù)的突變電壓與電流信號(hào)等。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集模塊通過(guò)電流/ 電壓互感器將高壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓等級(jí)交流信號(hào)，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入至控制器，完成數(shù)據(jù)采集過(guò)程。

2）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理模塊

需完成變電站設(shè)備監(jiān)測(cè)報(bào)文的接收、解析、管理、計(jì)算、壓縮、存儲(chǔ)以及上傳等功能。如GOOSE報(bào)文、SV 報(bào)文、MME 報(bào)文之間的解析與轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。基于接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)。變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分為正常、異常、警告、故障四級(jí)，分別用不同顏色標(biāo)識(shí)，提示運(yùn)維人員按需檢修。

3）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用模塊

需完成變電站監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)接口功能，如設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主界面、歷史數(shù)據(jù)記錄界面、故障錄波界面、GOOSE/SV/MME 報(bào)文在線分析界面、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面等，方便運(yùn)維人員及時(shí)掌握變電站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況。

4 應(yīng)用分析

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)在山西焦煤集團(tuán)東曲煤礦進(jìn)行為期6 個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證該監(jiān)控系統(tǒng)的可用性和適用性。工業(yè)試驗(yàn)期間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員反饋，實(shí)際應(yīng)用效果良好。通過(guò)該監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員可實(shí)時(shí)掌握變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患以及故障，縮短故障處理時(shí)間。同時(shí)可查看或者回溯變電站設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)曲線、歷史報(bào)表以及歷史故障記錄等。應(yīng)用該智能控制系統(tǒng)后變電站運(yùn)維人數(shù)由6 人減少至2 人，故障率降低了14%，單次故障處理時(shí)間縮短為2.2 min/ 次，為煤礦連續(xù)、高效開(kāi)采提供有力保障。

5 結(jié)論

以煤礦變電站監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)架構(gòu)，基于DSP+FPAG 技術(shù)、通信技術(shù)，詳細(xì)分析了變電站監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案并完成了應(yīng)用分析，得出以下2 點(diǎn)結(jié)論：

1）完成了煤礦變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，完成應(yīng)用分析。結(jié)果表明，該智能監(jiān)控系統(tǒng)滿足煤礦變電站設(shè)計(jì)要求，能夠適應(yīng)變電站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行要求高的特點(diǎn)。

2）有效提升了煤礦變電站監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平，達(dá)到了少人巡視、無(wú)人值守、安全、高效運(yùn)行的目的。