煤礦井下變電所高壓供電監控系統

楊云峰

(山西高平科興南陽煤業有限公司,山西 晉城 046700)

煤礦井下變電所分為中央變電所和采區變電所(后續井下變電所均是兩者的統稱),能夠有效地為井下采煤、掘進、運輸和通風等提供電力保證,保證井下采礦機械化、自動化設備的運作。隨著設備機械化程度的提高,供電質量和可靠性的要求也越來越高。許多供電負荷場所分布復雜,存在瓦斯、煤塵等安全隱患,同時，人為因素的干擾也增加了供電事故的發生[1]。煤礦在向大型化、機械化和自動化方向發展的過程中,對井下變電所的可靠性和測控一體性提出了新的要求[2-5]。

南陽煤業礦井原有井下變電所供電系統采用人工值守的方式。由于人工值守方式應激性差,信息化程度低,自動化能力不足,導致地面總調度室無法實時監控井下供電狀況并對事故狀況迅速反映。鑒于井下工作環境惡劣,常發生斷線、擠壓短路、過負荷和漏電等事故,礦井決定實行供電系統改造,通過信息化和自動化的手段,提高對礦井事故的應激反應能力,提高供電可靠性。基于此背景,本文設計提出了一種無人監守、供電可靠的井下變電所監控系統,并于井下實施。

1 供電監控系統工作概況

供電監控系統采用DCS型分布計算機監控,主要分為地面監控和井下監控,具體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 System structure diagram

地面監控中心布置在調度室,系統能夠對井下現場供電設備進行實施監控,對待突發故障能夠自動報警和處理故障。為保障系統安全可靠運行,調度室安排兩人輪流值班。

地面監控主機與井下監控站采用RS-485方式通信,井下變電站采取RS-232方式與本變電站監控裝置通信。相關通信設備硬件主要安裝于井下各分站內部,礦井井下分站型號為KTK(80)/104,各電路板均為本安型。各井下變電站分別對負責的監控站點進行數據采集,現場采用C2000 MDIA通道隔離型智能模擬量數字量采集器。數據采集種類主要有電壓、電流、溫度、功率以及分合閘狀態等,所得數據緩存于井下變電站的控制器緩存區中,經由光纖傳輸至地面,經由光譜機進行光電轉換,然后傳輸至調度室監控主機。現場采用高開綜合保護器,與上述數據采集裝置一同構成圖1所示的終端保護裝置。

在獲得井上變電站指令后將相關數據傳送至地面監控系統。需要注意的是,井上變電站可以通過軟件對井下變電站進行實時操作,實現分、合閘等操作命令。供電監測系統獨立于供電主系統,所以監測系統產生故障不影響供電系統的正常工作,提高了供電系統的穩定性。

2 供電監控系統主要功能及特點

1)遙測功能。采集井下開關柜等的實時參數,如電流、電壓,溫度、功率等,經由通信線路傳送至地面調度中心,利用監控主機上的軟件進行信息顯示。

2)遙信功能。對現場開關柜的開斷狀態、繼電保護壓板及保護動作等進行監控和信息采集,經由通信線路傳送至地面監控中心主機軟件進行顯示。

3)遙控功能。基于地面監控中心主機軟件可實現對現場開關柜開斷狀態的控制。

4)保護定值設置和復位。通過地面監控主機軟件可以遠程查看和修改保護裝置的額定保護值,當保護裝置觸發進行保護動作后,可對保護裝置進行軟件復位操作。

5)信息記錄、存檔、查詢和打印。依照記錄時間和記錄裝置編號進行監測數據(包括故障信息)的記錄和存檔,可以對數據進行查詢操作,查詢時間單位有時、班、天和年,主機軟件支持不同時間單位的報表打印功能。

6)報警功能。當現場出現電氣參數超范圍時,保護動作激發,斷路器分合閘等操作時,監控軟件以明顯的聲像信號進行報警,便于操作人員處理。

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件結構

系統硬件主要有由主控芯片、通信線路元器件和測溫電路元器件等組成。其中，監控系統基于MSP430F5438單片機設計；通信線路分別為RS-485和RS-232等。前者基于ADM2587E芯片設計,后者基于MAX3232ESE單片機設計,測溫電路主要基于DS18b20芯片進行設計。

3.2 系統通信方式

當前煤礦井下采用的通信方式主要有RS-485、CAN總線、RS-232、光纖等方式。基于礦井實際條件,井上管理計算機與井下監測設備通信采用RS-485,二線制接線,最大傳輸1 500 m。由于該通信方式采用光電隔離技術,所以能夠增加信號傳輸和提高信號保真性。井下傳輸主要采用RS-232方式,三線制接線,因信息收集裝置都布置在井下,且響應距離較短,所以該方式通信距離較短,最大傳輸距離15 m。

4 系統軟件設計

4.1 軟件編程語言及系統配置

軟件主要基于VB和C語言進行設計,其中VB用于編寫窗口界面,C語言用于編寫底層接口交互界面。軟件內存23.2 MB,可在Windows XP和Window 7上運行,運行需要NET Framework 3.5運行庫。由于軟件小,占用內存少,所以i3及以上處理器上便可運行。

4.2 軟件界面與使用

圖2所示為井下高壓供電監控軟件的部分界面。該軟件可對井下不同位置的變電所的高壓開關電壓、電流和溫度等數據進行監測,并采取相應合閘、分閘和復位控制。同時，具備查詢功能,通過限定日期可以查詢不同時間下相應變電所及位置的配電開關工作情況。為了降低收集數據誤差,軟件采用算數平均法、比較取舍法和中值法等多種算法進行數據處理。

圖2 監控軟件界面Fig.2 Monitoring software interface

4.3 軟件功能

1)系統定義。軟件首次運行根據系統所接分站及各分站的智能采集器進行“系統定義”,即定義計算機接分站數量、各分站地址和對應變電所名稱、分站連接的采集器數量、采集器地址號和對應的開關編號等等，實現系統和井下硬件裝置的一一對應,否則系統無法顯示和查看數據。

2)變電所分站初始化。初始化動作在定義結束后進行,即計算機通過發送各分站及智能采集器參數,實現井下設備初始化,初始化成功后即可進行“實時監控狀態”。

3)數據記錄、處理。軟件具備數據信息記錄和處理功能,即依照記錄時間和記錄裝置編號進行監測數據(包括故障信息)的記錄和存檔,可依據年、月、日、時的時間單位調取處理相關數據。需要注意的是,若進行除系統初始化外的其他監控需要,需保障運行狀態的連續性,即監控主機不關機,監測線路不斷電,為數據傳輸提供安全保證。

4)遙控功能。通過監控中心主機軟件控制,可以實現對現場開關柜開斷狀態的控制。軟件進行遙控操作時,需有專人和專用密碼才可進行,避免隨意分合閘。

5)數據查詢和打印。軟件支持數據依照年、月、日、時等單位進行查詢,并支持不同時間單位的報表打印功能。

5 應用效果

南陽煤業礦井基于圖1所示內容進行井下變電所高壓供電監測布置,整個監控系統于2018年4月投入使用,已運行兩年。運行期間井下實現了零人值守,供電設施平穩運行,未發生相關電力事故。同時,通過井上監測電腦可以進行井下供電狀態的實時監測和記錄,基本達到前期設計效果。

在2019年7月,井下進行線路整修。井下變電所采用兩個供電回路,為了保證井下供電(比如風機)正常,需進行切換風機供電。在此過程中導致一個回路負荷過大,相關設備曾短時間內發生過變電所電流過大,溫度偏高的情況,由于系統及時報警和保護處理,并未產生人員和設備損傷,說明該監控系統安全可靠,且應急性較高,對井下供電管理工作提效十分明顯。

不過,該系統也存在部分問題,由于設計之前,礦井部分設備已采用RS-232通信設備,為節省成本,礦上充分整合了原有設備資源。但實際工作中發現井下RS-232通訊電路芯片易損壞,且傳輸距離受限,同時該通信模式的傳輸易產生共模干擾。針對上述問題,后期準備進行通信方式升級,使用RS-485通信方式逐步替代,統一全礦井供電監測的通信方式。

6 結束語

本文針對南陽煤業的實際供電條件,設計提出了一種井下變電所無人監守供電系統,并簡要闡述了系統的主要功能和軟硬件構成。通過該系統的應用,實現了南陽煤業井下變電所無人監守,提高了煤礦井下供電的信息化,方便了井下供電的管理,具有較好的社會效益和推廣價值。