煤礦變電站綜合自動化系統研究與設計

孫玉龍

（西山煤電西銘礦運輸科，太原 030052）

0 引言

煤礦上電力網絡復雜，變電站在其中扮演著不可或缺的作用，可實現電壓、功率調節，同時電能在此匯聚并進行分配使用，對其進行自動化改造將直接影響煤礦電力網絡的工作效率[1]。因此，通過現代化技術，設計針對煤礦變電站的綜合自動化系統，實現變電站的遠程控制具有重要意義[2]。煤礦變電站綜合自動化實際上就是根據功能需求將變電站中的多種二次設備進行重新整合和優化配置，借助計算機控制技術、網絡通信技術和智能處理技術，對整個煤礦上變電站的重要電氣設備實現實時監控、保護、遠程控制等自動化功能[3]。

煤礦變電站綜合自動化系統應具備以下功能：可實時采集各種電氣設備的電壓、電流、功率等交流信號模擬量以及電路的各種開關狀態，實現對變電站內各種電氣設備運行狀態的監視；根據實時采集到的數據，通過遠程計算機的快速計算和智能處理，獲得最經濟的運行方式，進而對電氣設備進行控制操作，提高工作效率。

1 煤礦變電站存在的問題

傳統的煤礦變電站存在著如下缺點與不足[4-5]。

（1）電氣設備可靠性、安全性不能滿足實際需要。傳統的煤礦變電站仍然使用常規的電氣設備，系統結構復雜，并且沒有自我故障診斷能力，可靠性差，存在許多的安全隱患。

（2）自動化程度低，監控時效性差。傳統的煤礦變電站由于監控設備無法全面覆蓋電氣設備，導致監控數據不全面，同時由于通信系統的落后，監控數據和信息無法實時傳輸到調度中心和遠程計算機，同時變電站自身缺乏相應的遠程控制手段，這些因素都影響了煤礦變電站的工作效率和安全運行。

（3）設備維護工作量大，系統運營管理水平低。變電站內的電氣設備易受環境溫度影響，需要大量人力、物力、財力來維護這些設備，人工維護成本高、難度大；變電站中各電氣設備之間關聯較少，通常都是根據設備的功能將其簡單的組合在一起，缺乏對變電站的統籌管理和統一監控，協調操作困難，可能會出現操作混亂的情況。

2 綜合自動化系統總體方案設計

煤礦變電站綜合自動化系統主要由各種分布式保護測控裝置、MCU主控單元、現場總線、智能監測設備、通信管理設備、后臺控制計算機以及遠程控制設備等部分組成。監控數據采集系統和開關控制系統是整個系統的關鍵部分，其保證所設計的綜合自動化系統可以從現場實時采集到第一手數據，通過對數據的智能處理，完成對電氣設備的遠程操作與控制。通信系統包括現場總線通信和以太網通信，分別連接遠程控制系統和前端監測設備，可以保障各電氣設備與MCU主控單元、遠程計算機之間數據的暢通傳輸。遠程控制系統是本系統的核心大腦，可實現對電氣設備各類數據的實時采集，對其進行智能處理和分析，進而對終端設備實施控制操作，當出現故障時可及時報警；同時后臺配置有數據庫服務器，可存儲所有采集到的設備數據和控制信息。其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 綜合自動化系統結構框圖

3 硬件系統設計

3.1 主控單元現場總線

MCU主控單元與各種分布式保護測控裝置、數據采集系統、開關控制系統之間采用現場總線通信技術進行通信傳輸。現場總線技術具有很強的擴展性和靈活性[6]，在其支持下，可以將通信設備和終端監控設備組合起來，整體形成一個上下有序的分布式系統。

本設計現場總線使用CAN總線進行通信，CAN總線理論上可以連接無窮多個節點數，節點之間可以自由通信，能夠實現不同結構的資源共享，極大地減少了電纜的布置，同時又有足夠的通信距離和傳輸速率。因此非常適合在綜合自動化系統中作為通信系統的總線。

3.2 監控數據采集系統

監控數據采集系統由模擬量采集和開入量、脈沖量采集構成。模擬量主要指電流、電壓、功率等交流電信號；開入量是指保護裝置的信號輸入，采集現場開關、刀閘等位置信息；脈沖量是指一些不連續的突變電壓或電流信號。

（1）模擬量的采集

模擬量采集系統結構框圖如圖2所示。圖中，PT為電壓互感器，CT為電流互感器，U為信號放大電路，MUX為集成多路模擬開關。外部強電交流信號通過PT/CT隔離轉換為弱交流電信號，經信號放大電路U、集成多路模擬開關MUX和A/D轉換變為MCU可處理的數字信號，對數字信號進行處理就能計算出此時電流電壓的有效值，并計算得到有功功率與無功功率，最后通過以太網將采集數據傳送至遠程計算機進行智能處理，并實現控制功能。整個采集系統最高可同時采集12路模擬量數據，采集效率極高。

圖2 模擬量采集結構框圖

（2）開入量和脈沖量的采集

開入量采集結構圖如圖3所示。在MCU主控單元對外部開入量進行采集時，需要先對其進行預處理，通常在開入量采集電路中設置光電隔離裝置，這樣可降低外部信號的干擾，保證信號的準確性，然后將信號上傳到MCU進行采集。為避免信號采集錯誤導致誤報情況的發生，開人量的采集需在硬件和軟件上采用去抖動措施。本系統采用抗干擾濾除法對脈沖量進行采集，當脈沖寬度大于設定寬度時才計數，否則視為干擾信號，脈沖量由裝置實時計算后累加上傳到MCU主控單元。

圖3 開入量采集結構圖

3.3 分布式保護測控裝置功能

用于煤礦變電站綜合自動化系統的保護測控裝置主要有：饋線保護測控裝置、電容器保護測控裝置、變壓器保護測控裝置等[7]。功能介紹如下。

（1）饋線保護測控裝置。該裝置主要是對6 kV或10 kV電壓等級經消弧線圈接地的饋線系統進行保護測控。具有三相一次重合閘保護、零序過流保護、二段定時限過流保護等功能，且其操作回路具有獨立性，支持脈沖輸入。

（2）電容器保護測控裝置。該裝置主要對單Y、雙Y、Δ形接線的并聯電容器組進行保護測控，用于6 kV或10 kv電壓等級的中性點經消弧線圈接地或不接地低壓系統當中。具有過電壓或者低電壓保護、過載保護、二段定時限過流保護等功能，且其操作回路具有獨立性。

（3）主變壓器差動保護裝置。該裝置主要是對35～110 kV的變壓器進行差動保護。具有差動保護、非電量保護、過載保護等功能，支持脈沖輸入。

（4）主變壓器后備保護測控裝置。該裝置主要是對6～110 kV電壓等級的兩卷／三卷變壓器進行后備保護。具有零序過壓保護、間隙過流保護等功能。

以上保護測控裝置均可通過與通信系統的連接，實現對模擬量、開入量、脈沖量等的采集，并通過遠程控制系統對其進行遙信操作。

圖4 上位機軟件結構框圖

4 軟件系統設計

煤礦變電站綜合自動化遠程監控系統是基于計算機技術、網絡通信技術、智能控制技術等設計的[8]。針對該系統設計的上位機監控軟件可以實時采集煤礦變電站各種設備運行狀態信息，實現數據的在線顯示，同時可將采集數據存入數據庫，方便以后調用。此外，監控軟件具有友好的人機界面和超強的數據智能處理能力，可以在線實現遠程監監控功能。

上位機監控軟件選用Visual C++6.0語言作為軟件開發工具，將Windows操作系統作為監控軟件的運行環境，以SQL Server 2000數據庫構造系統應用數據庫。Visual C++6.0編程語言是由Microsoft公司推出的一款靈活性好、功能強大、可擴展的可視化開發工具，是面向對象的程序開發語言，借助其強大的編譯器以及網絡與數據庫的開發能力，可以開發出功能強大的應用程序[9]。

整個監控系統的軟件體系采用模塊化和面向對象的設計思路，根據前面所述煤礦變電站綜合自動化監控系統所要實現的功能要求，將監控軟件的系統功能與其一一對應，設計成相應的功能模塊，功能模塊中包含具體的子系統。上位機監控軟件結構框圖如圖4所示。

5 結束語

本文在分析傳統煤礦變電站存在諸多問題的基礎上，設計了一套變電站綜合自動化系統，該系統可以實時采集終端電氣設備的運行狀態信息和工作參數，并將采集數據上傳到遠程控制系統，可通過計算機的智能處理和分析判斷，獲取控制和操作信息，實現遠程控制。實地運行證明，本文設計的系統大大提高了煤礦變電站自動化水平、安全性和可靠性，減少了人力物力，節省成本，對于提高變電站性能，降低變電站風險有著重要意義。