霍州煤電辛置礦井下無人值守采區(qū)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

于敬澤

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

當(dāng)前階段，我國(guó)煤礦行業(yè)生產(chǎn)過程基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化[1]。在煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)中，變電站是非常重要的構(gòu)成部分。煤礦行業(yè)的特點(diǎn)決定了變電站分布比較廣，不同變電站之間距離很遠(yuǎn)[2]。在這種情況下，如果采用傳統(tǒng)的人工方式進(jìn)行運(yùn)行和管理，不僅工作效率非常低下，且需要耗費(fèi)大量的人力和物力。基于此，實(shí)現(xiàn)煤礦井下變電站自動(dòng)化是發(fā)展的必然趨勢(shì)，自動(dòng)化系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)無人值守，這樣可降低日常運(yùn)營(yíng)成本，提升工作效率，確保變電站的可靠性[3-4]。本文以霍州煤電辛置礦井變電站為例，詳細(xì)介紹了無人值守采區(qū)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 無人值守采區(qū)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)化系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無人值守采區(qū)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成，分別為集控主站和受控子站。該自動(dòng)化系統(tǒng)除了最基本的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓δ芡猓€增加設(shè)置了微機(jī)自動(dòng)巡視和實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)視功能，這兩項(xiàng)功能是實(shí)現(xiàn)無人值守的關(guān)鍵。如圖1所示為無人值守采區(qū)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，集控主站主要包括1個(gè)操作員工作站、2臺(tái)SCADA服務(wù)器、主前置機(jī)和備前置機(jī)，還有綜合操作屏，該屏幕會(huì)實(shí)時(shí)顯示整個(gè)變電站內(nèi)一些關(guān)鍵的電氣參數(shù)。而受控子站主要包括防誤閉鎖裝置、測(cè)控保護(hù)裝置以及視頻傳輸模塊。集控主站和受控子站兩者之間相對(duì)獨(dú)立，通過光纖通道進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

圖1 無人值守采區(qū)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 集控主站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)而言，集控主站是其核心部分，主要功能就是針對(duì)受控子站進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和監(jiān)測(cè)、遙控巡視等，為收集準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)提供堅(jiān)實(shí)的保障。集控主站操作顯示屏幕需要對(duì)所有受控子站的視頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，因此中間涉及到大量的數(shù)據(jù)處理與傳輸，這些數(shù)據(jù)首先要通過視頻監(jiān)視主機(jī)進(jìn)行處理后才能在屏幕上顯示。現(xiàn)場(chǎng)采集得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在操作員工作站中，同時(shí)還可通過工作站實(shí)現(xiàn)綜合操作屏的控制。另外，考慮到無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在整個(gè)生產(chǎn)過程中的重要作用，為確保萬無一失，為集控主站配備了一個(gè)UPS備用電源。

1.3 受控子站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，受控子站是最底層的部分。受控子站的結(jié)構(gòu)可以分為兩種，分別為分布式結(jié)構(gòu)和集中式結(jié)構(gòu)[5-6]。其中，集中式結(jié)構(gòu)只通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，將所有的微機(jī)控制器、視頻采集設(shè)備等這些基礎(chǔ)的設(shè)備全部接入到這臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)中，利用這一臺(tái)計(jì)算機(jī)來完成數(shù)據(jù)的分析和處理。這種結(jié)構(gòu)的形式簡(jiǎn)單、操作方便，但是可靠性較低，如果此臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障那么整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。考慮到集中式結(jié)構(gòu)的缺陷，本文最終選擇分布式結(jié)構(gòu)搭建受控子站系統(tǒng)。對(duì)每個(gè)微機(jī)控制器都利用一個(gè)CPU對(duì)其進(jìn)行控制，通過這樣的方式使得每個(gè)微機(jī)控制器都具備了數(shù)據(jù)分析和處理能力。微機(jī)控制器通過CPU直接與主機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。分布式結(jié)構(gòu)由于采用多個(gè)CPU，即便某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，不會(huì)對(duì)其他微機(jī)控制器產(chǎn)生影響。這種模式能夠在很大程度上提升了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，也有利于及時(shí)排除故障問題。

2 微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 硬件的設(shè)計(jì)

2.1.1 液晶屏的設(shè)計(jì)

采用MSP430f5438a型芯片作為主控芯片，此芯片通過3.3 V直流電壓進(jìn)行供電，整體功耗相對(duì)較低，當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，該芯片的供電電流僅為1 mA。雖然功耗較低，但完全能夠滿足煤礦井下變電站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集相關(guān)要求，速度快、實(shí)時(shí)性很高。本系統(tǒng)在控制器外部增加設(shè)置了一個(gè)12864顯示器，通過該顯示器可以達(dá)到人機(jī)交互的目的，這款顯示器具備豐富的中文字體庫，整個(gè)界面可以實(shí)現(xiàn)全中文顯示，滿屏狀態(tài)下可以顯示16×16個(gè)漢字。自動(dòng)化系統(tǒng)可將變電站中存在的問題顯示在顯示屏中，巡視人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，可直接通過顯示器內(nèi)容來迅速定位問題并完成對(duì)應(yīng)的操作。如圖2所示為12864液晶顯示屏的電路原理圖。

圖2 12864液晶顯示屏電路原理圖

2.1.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

為了方便針對(duì)出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行深入分析，本文在微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置中增加設(shè)置了一個(gè)時(shí)鐘模塊，該模塊能夠?qū)崟r(shí)高精度地顯示系統(tǒng)時(shí)間。系統(tǒng)時(shí)間記錄的準(zhǔn)確性對(duì)于通過分段保護(hù)原理的保護(hù)系統(tǒng)而言尤為重要，因?yàn)橄录?jí)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間通常都是基于時(shí)鐘系統(tǒng)的記錄時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，時(shí)鐘系統(tǒng)記錄時(shí)間的準(zhǔn)確性非常重要。本文選用DS1302芯片作為時(shí)鐘模塊的主芯片，當(dāng)外部供電電壓在2～5.5 V的條件下該芯片都能夠正常工作，正常工作時(shí)的電流值為300 mA，如圖3所示為DS1302芯片的接線原理圖。X1、X2兩者中間連接有一個(gè)晶振，頻率為32.88 Hz，其作用是為芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，CE、I/O、SCLK分別與MSO430型號(hào)單片機(jī)中的不同I/O接口進(jìn)行連接。如果需要讀取時(shí)鐘模塊的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，需要把CE引腳置高，I/O接口可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，Vcc1和Vcc2為兩個(gè)電源，其中后者為主用電源，前者為備用電源且可以通過外接的電源進(jìn)行充電。如果Vcc2處于正常工作狀態(tài)，那么Vcc1就處于充電狀態(tài)。一旦Vcc2出現(xiàn)故障，Vcc1可以立即切換狀態(tài)投入使用，確保時(shí)鐘系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。

圖3 DS1302芯片電路

2.2 軟件的設(shè)計(jì)

無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)軟件通過C語言進(jìn)行編程，如圖4所示為軟件的工作流程圖。自動(dòng)化系統(tǒng)通電并初始化后，緊接著就是對(duì)微機(jī)控制器保護(hù)實(shí)施自檢，自檢過程中如果發(fā)現(xiàn)問題，常見問題主要包括電壓過高、互感器斷電等，那么軟件系統(tǒng)就會(huì)重新啟動(dòng)。如果自檢順利通過沒有發(fā)現(xiàn)問題，打開中斷，自動(dòng)化系統(tǒng)就會(huì)對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理。隨后通過通信系統(tǒng)對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸并顯示，如果存在故障問題，則需要對(duì)故障進(jìn)行處理。

圖4 無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)軟件工作流程圖

數(shù)據(jù)分析和處理是微機(jī)保護(hù)中的重要內(nèi)容，采集得到的數(shù)據(jù)信息需要通過控制器進(jìn)行分析處理并判斷，牽涉到的算法主要有：將分析處理后的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的結(jié)果比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否需要啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作；分析處理后的結(jié)果是不是處在保護(hù)范圍內(nèi)，如果在保護(hù)范圍內(nèi)則要啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，反之則不需要啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)不是非常穩(wěn)定時(shí)，則通過小波變換的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過該種方法可以對(duì)高頻、低頻信號(hào)進(jìn)行多層面分析。

3 防誤閉鎖裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)于煤礦井下變電站而言，防誤閉鎖裝置是其中非常重要的構(gòu)成部分。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備發(fā)出的命令都需要通過防誤閉鎖裝置進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)命令不合理或者該命令可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成故障問題時(shí)，那么監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下達(dá)的命令將會(huì)無效。可以看出防誤閉鎖裝置在保護(hù)變電站電氣設(shè)備中發(fā)揮著重要的作用，是確保現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備安全的最后一道防線。這種工作模式與傳統(tǒng)的工作票模式相比較而言可靠性更高。閉鎖裝置設(shè)定有一段特殊的編碼，這段編碼就是安全密鑰，只有在安全密鑰完全準(zhǔn)確的情況下才能實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖裝置的解鎖。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與防誤閉鎖裝置直接相連，如果系統(tǒng)檢測(cè)下達(dá)的命令不正確，那么該命令就不會(huì)得到真正執(zhí)行，并且會(huì)將相關(guān)信息反饋到集控主站中。集控主站對(duì)反饋回來的信息進(jìn)一步分析處理后會(huì)下達(dá)解鎖指令，只有防誤閉鎖裝置解鎖后，命令才能往下執(zhí)行。系統(tǒng)操作人員可以充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整系統(tǒng)中的各種預(yù)先設(shè)定值，修改后的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)上傳至集控主站。如圖5所示為防誤閉鎖裝置基本結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5 防誤閉鎖裝置基本結(jié)構(gòu)原理圖

4 結(jié)論

本文以霍州煤電辛置礦井為例設(shè)計(jì)的無人值守變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要有兩大部分構(gòu)成，分別為集控主站和受控子站，兩者之間通過光纖系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取８魇芸刈诱究梢詫?duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，信息可通過集控主站中的綜合操作屏實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)無人值守。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，增加設(shè)置了顯示屏和時(shí)鐘模塊，在很大程度上提升了系統(tǒng)的工作效率和可靠性。