井下變電站在線監控系統的設計與研究

杜曉璐

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤礦井下供電系統具有環境惡劣且復雜多變等特點，并承擔著為井下采煤、運煤、通風等各個生產環節的所有設備提供電力的重要角色。加之井下各種高壓、低壓真空開關或者綜合保護器類型不一，以及各配電站與中央變電站之間距離較遠且是變化的，因此實現無人看守是困難的［1，2］。傳統的井下變電所以及各配電站需要人工巡視和操作，地面調度管理人員也無法快速直觀地了解井下變電所設備的運行狀況及參數，更不能遙控設備的啟停操作及參數設置［3］。當供電所及配電站設備出現故障或受到外界干擾引起配電開關掉電等現象時，由于故障類型及位置很難確定，若不及時處理，將對煤礦井下的生產造成極大影響，甚至對礦井安全帶來嚴重威脅。因此，許多學者就實現井下變電所及各配電站的在線監控做了大量工作。丁平［4］基于PLC和 WinCC設計了一套井下變電站在線監控系統，并已應用于棗莊礦業集團。顧苑婷［5］利用工業以太網和CAN總線技術的優勢對煤礦安全監控系統進行了研制與實現。陳玉娟［6］對目前井下變電所遠程監控技術做了總結，并提出了多項改進措施。

結合目前井下變電所監控系統的研究現狀，為了進一步實現煤礦井下供電智能化調度，提高自動化管理水平，并保證井下供電的穩定，本文基于工業以太網和現場總線技術對井下變電所在線監控系統進行了設計與研究。

1 工業以太網及現場總線技術概述

1.1 工業以太網技術概述

工業以太網是一種基于IEEE 802.3（Ethernet）的強大區域和單元網絡，并且在抗干擾性、實用性、可互操作性、可靠性以及本安性等方面均可滿足工業現場需求的一種以太網。目前，工業以太網技術已經成為工業控制領域中的研究熱點，其發展主要體現在通信確定性、實時性、穩定性、可靠性和安全性等方面。工業以太網可根據環境和特定條件進行設計與改進，使其在電磁兼容性、工作可靠性、故障自愈等方面具有更為突出的特點和性能。工業以太網主要具備應用廣泛、通信速率高、成本低、資源共享能力強、可持續發展潛力大等優勢，其發展趨勢主要體現在與現場總線結合、直接應用于工業現場設備間的通信。

1.2 現場總線技術概述

現場總線是一種實現雙向串行多節點數字通信系統，被稱為數字化、開放式、多點通信的一種底層控制網絡，主要應用于工業、交通、樓宇等生產現場和微機測控設備。現場總線技術具有系統開發性、互可操作性與互換性、現場設備智能化與功能自治性、系統結構的高度分散性和對現場環境適應性等特點。目前，國際上存在數十種現場總線標準，主要有FF、CAN、DeviceNet、Profibus等，它們具有節省硬件與投資、節省用戶維護、高度的系統集成主動權、較高的系統準確性與可靠性等優勢。

2 井下變電站監控系統設計

在設計井下變電站監控系統時，需要考慮以下幾個總體原則，即在一定的資金和資源下，有效地建立一個高水平的、完善的自動化控制監控系統。所有設備選型配置堅持性價比最優的原則，既要在符合通用標準的前提下，兼容多種自動化控制系統，實現子系統最大限度的信息共享。另外，系統需統一設計規劃，并留有擴展空間，保證系統能夠平滑擴展，以及實現分期投資、分步建設。

在以上總體原則下，在實施過程中，需要使得微機保護系統集實時監控、歷史數據統計、預警與電網分析為一體，除數據的遙測、遙信、遙控、遙調外，還要實現遙視，最終實現變電所的無人值班。同時要建設井下統一的通訊平臺，即工業以太環網，將音頻、視頻、監控數據全部通過該通訊平臺進行傳輸；并采用成熟先進的技術，確保電網自動化建設不走彎路，使所采用的產品技術代表煤礦電網自動化發展方向，避免建成即落伍的情況發生。另外，關鍵部位采用雙機熱備模式，確保系統運行；全面提高底層保護器的性能和功能，徹底解決井下電網存在的安全問題。確保系統建成后，真正能夠提高供電可靠性，并能對電網運行工況進行分析，掌握電網運行規律，使煤礦企業對電網的管理更加科學有效。

根據以上設計原則和要求，設計了井下變電站監控系統總體框架，如圖1所示。本系統可實現功能綜合化、測量顯示數字化、操作監視屏幕化、運行管理智能化，以變電所無人值守為目標，實現四遙功能：遙信（采集發送狀態量）、遙測（采集發送數字量及模擬量）、遙控（接收調度控制命令）、遙調（整定電壓變比、過載參數、過電壓參數、額定電流、額定電壓、過流延時參數絕緣阻值上下限參數、電流變比、短路參數）。

圖1 井下變電所及各配電點在線監控示意圖

本系統主要由監測、監控、通訊網絡、上位機界面與故障報警四個主體部分組成，下面分別詳細介紹。

1）監測部分。該部分需要在各設備安裝相關傳感器，以采集現場設備的運行狀態參數，主要包括：電壓、配電點電路中的電流、開關觸點的溫度值等，泵房中水倉水位、真空度和壓力大小等。另外，各設備運行狀態的參數同樣要監測，主要包括：開關的通斷狀態、水泵的起停狀態、閥門的開關狀態等。

2）監控部分。由于煤礦井下環境比較復雜，為了確保各設備在煤礦井下的安全，在每個配電點要安裝一個防爆柜，把PLC模塊及相關設備安裝在防爆柜中。本系統PLC模塊選用西門子S7－300，其CPU為315-2DP，由于它集成了RS-485通訊接口，還集成了數字量輸入輸出模塊，基本可以滿足各配電點開關的起停控制要求。各個綜保設備由485接口連接，經PLC連接光端機，變成電信號傳輸，再經地面中控室光端機柜還原成電信號，最后通過多串口卡連接工控機，這樣PLC接受上位機的指令可以實現遠程起停控制。

3）通訊網絡。利用RS485總線具有結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強等優勢。在每個配電點用RS485總線把各綜保設備連接起來，再將采集的數據信號連接至PLC的RS485接口，由PLC把數據信號送到光端機，工控機則通過多串口卡把各路的數據讀出，從而顯示在上位機上。由于變電所和各配電點的綜保和配電開關保護器較多，距離較遠，故用礦用阻燃光纜配用進行數據傳輸。在每個配電點先把各綜保用RS485總線連接起來，再將數據信號和控制信號經數字光端機傳輸到地面的中控室。通過軟件編程讀出各路的數據，此外，通過上位機的控制指令也能實現各綜保的遠程起停控制，從而實現在線監控監測的功能。

4）上位機界面與故障報警。運用西門子WinCC軟件設計上位機監控界面，實時監測井下中央變電所和各配電點的運行參數，主要監控的參數包括有：電流、電壓、過流、過壓、欠壓、有功無功功率、正反向功率、頻率等。參數數據經過現場采集得到后，再通過與PLC進行連接或通信，將數據信息傳遞到上位機，在監控界面中通過表格、曲線的方式顯示出來。

3 結語

結合地面電網綜合自動化成熟技術的基礎，并充分考慮到井下變電站的實際情況，基于工業以太網和現場總線技術設計了井下變電站在線監控系統。該系統可以實現在線監測以及監控井下變電所設備的電壓、電流等工作情況，一旦發生故障，地面上位機可顯示具體位置以及故障類型，并發出報警信號。同時，該系統還可實現遠程操控，如開關操作、參數整定或設置等，以及實現“四遙”功能，實現變電所無人值守。該系統的應用，可提升煤礦企業的安全管理能力，提高安全勞動生產率。

［1］ 李建修，邵志敏，李立生，孫勇，張世棟.煤礦配電網合環監測系統的研究與設計［J］.中國煤炭，2014（1）：79-81.

［2］ 王旭波，李廣紅.煤礦井下供電安全監控系統的設計及應用［J］.電子設計工程，2014，14：81-83＋87.

［3］ 于合蕊，張啟偉.基于PLC的煤礦井下變電所監控技術研究［J］.科技資訊，2014，13：90＋92.

［4］ 丁平，張曉光，蔣恒深，仝維仁，石曉妹.井下變電所及配電站在線監測監控系統的設計［J］.礦山機械，2010（10）：44-47.

［5］ 顧苑婷.工業以太網和CAN現場總線在煤礦監控系統上的應用研究［D］.上海交通大學，2007.

［6］ 陳玉娟，劉東波，茅紅偉，顧幸生，胡英慧，曾加.煤礦井下變電所遠程監控技術及其改進方案［J］.煤炭工程，2010（2）：110-111.

（編輯：趙琳琳）