煤礦井下變電所無(wú)人值守控制系統(tǒng)研究

武俊敏

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

作為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，煤炭的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全至關(guān)重要。隨著自動(dòng)化技術(shù)及機(jī)械制造工藝的不斷進(jìn)步，大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電氣設(shè)備已在煤礦井下得到廣泛使用。因此，在采煤作業(yè)中對(duì)煤礦井下變電所供電系統(tǒng)的可靠性與安全性提出了更高的要求。因煤礦井下不具備良好的通風(fēng)條件，空氣濕度較高且含有大量灰塵，導(dǎo)致變電所內(nèi)各種電氣設(shè)備故障頻發(fā)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞電氣設(shè)備，易引發(fā)井下大規(guī)模停電事故，對(duì)煤礦的生產(chǎn)效率與安全性影響較大。為提高變電所供電的穩(wěn)定性，多數(shù)礦井已在變電所安排專人24 h輪流值班，以便于處理變電所內(nèi)設(shè)備的故障或異常情況。但這種值守方式的效果主要取決于值班人員的工作態(tài)度和工作能力，人工排除故障效率較低且難以提前消除故障隱患。隨著自動(dòng)控制技術(shù)、通訊技術(shù)及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，礦井變電所無(wú)人化值守方式已具備較強(qiáng)的可行性。根據(jù)國(guó)內(nèi)煤礦井下供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種礦井變電所無(wú)人值守控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，大幅降低了人工成本，提高了變電所供電的可靠性與安全性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 無(wú)人值守控制系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)介紹

根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境與控制要求，所設(shè)計(jì)的煤礦井下變電所無(wú)人值守系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦井下變電所無(wú)人值守系統(tǒng)示意圖

無(wú)人值守控制系統(tǒng)由地面部分與井下部分構(gòu)成。地面部分包括用于監(jiān)控變電所實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)的計(jì)算機(jī)、可打印故障報(bào)告信息的打印機(jī)、應(yīng)對(duì)突發(fā)停電的UPS不間斷電源及與井下進(jìn)行信息傳輸?shù)牡孛姝h(huán)網(wǎng)交換機(jī)。當(dāng)變電所供電系統(tǒng)發(fā)生異常，控制系統(tǒng)可將告警信息上傳至計(jì)算機(jī)；地面監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)觀察并調(diào)整變電所的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可對(duì)變電所故障進(jìn)行在線排查。

井下部分主要包括信息傳輸模塊和變電所監(jiān)控保護(hù)模塊。信息傳輸模塊由多個(gè)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成，其主要功能是傳輸變電所設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。因煤礦井下存在強(qiáng)烈的電磁干擾，信息傳輸模塊應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，可保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與快速性。信息傳輸模塊還應(yīng)具有多線程處理功能，可實(shí)現(xiàn)地面與井下數(shù)據(jù)的雙向傳輸，使地面計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)在110 ms內(nèi)可到達(dá)設(shè)備端，地面監(jiān)控端應(yīng)在90 ms內(nèi)收到異常報(bào)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所設(shè)備的在線調(diào)控。變電所監(jiān)控保護(hù)模塊由多個(gè)綜合保護(hù)模塊、通訊模塊及CPU構(gòu)成。其中綜合保護(hù)模塊包括保護(hù)裝置、電流傳感器、電壓傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)控制。保護(hù)模塊首先將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息上傳至通訊模塊，隨后經(jīng)CPU將所得信息進(jìn)行分析處理，通過(guò)信息傳輸模塊將結(jié)果上傳至計(jì)算機(jī)。

1.2 系統(tǒng)主要功能

(1) 地面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備遠(yuǎn)程控制、存儲(chǔ)、查詢變電所運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障等信息的功能。

(2) 遙測(cè)功能。包括測(cè)量采集電壓、電流、功率、功率因素等交流量及直流電壓、溫度等直流量的功能。

(3) 遙信功能。可實(shí)時(shí)測(cè)量斷路器、隔離開(kāi)關(guān)位置信號(hào)，以及瓦斯開(kāi)關(guān)量信號(hào)、控制信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)及故障狀態(tài)信號(hào)。

(4) 遙控功能。可對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)進(jìn)行控制，復(fù)歸保護(hù)信號(hào)。

(5) 遙調(diào)功能。可在線或就地對(duì)保護(hù)裝置的保護(hù)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(6) 高壓聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的兩段母線切換功能。保證有一回路停電時(shí)可繼續(xù)向設(shè)備供電。

(7) 設(shè)備狀態(tài)記錄功能。控制系統(tǒng)可定時(shí)記錄實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)設(shè)備位置，當(dāng)變電所停電后再次恢復(fù)送電時(shí)，可根據(jù)記錄的設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)恢復(fù)送電，避免誤操作。

(8) 一鍵送電功能。當(dāng)變電所發(fā)生大面積停電時(shí)，排除故障后可通過(guò)一鍵送電功能恢復(fù)停電前運(yùn)行狀態(tài)，保證了礦井的人員生命安全與生產(chǎn)效率。

(9) 預(yù)警功能。對(duì)變電所內(nèi)溫度、煙霧、濕度等信息設(shè)置整定值，當(dāng)這些信號(hào)超過(guò)整定值時(shí)保護(hù)裝置可顯示異常并發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

2 保護(hù)單元設(shè)計(jì)

變電所內(nèi)電氣設(shè)備的啟動(dòng)電流會(huì)影響測(cè)控元件的控制性能與測(cè)量準(zhǔn)確性。為提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，本文設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)保護(hù)單元，以減小沖擊電流對(duì)測(cè)量與控制功能的影響。所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)保護(hù)單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)保護(hù)單元結(jié)構(gòu)圖

該保護(hù)單元采用運(yùn)算速度較快的TMS320F2812型數(shù)字信號(hào)處理器，并為其配備了專用的電壓、電流傳感器，便于快速實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)；為保證測(cè)量的精確度與實(shí)時(shí)性，模擬量采集模塊采用雙通道測(cè)量電路，使得電流與電壓的采樣精度可達(dá)到0.01級(jí)；同時(shí)該保護(hù)單元采用光電隔離開(kāi)關(guān)避免控制信號(hào)受到?jīng)_擊電流的干擾。

3 控制系統(tǒng)應(yīng)用

目前礦井變電所無(wú)人值守系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多處煤礦投入使用，與有人值守模式相比，該控制系統(tǒng)可將采集的電壓、電流等信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控員可方便地對(duì)變電所實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。無(wú)人值守控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)有：

(1) 降低了人工成本。有人值守模式下每個(gè)變電所通常需要3～4位變電運(yùn)檢人員駐守，以保證其穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)行無(wú)人值守后，整個(gè)礦井僅需配備一個(gè)3～4人的應(yīng)急小組即可保證系統(tǒng)持續(xù)可靠的供電。

(2) 故障排查與處理效率大幅提高。控制系統(tǒng)可對(duì)故障異常信息進(jìn)行處理與分析，從而快速判斷故障發(fā)生原因，并提出合理的處理方案。該系統(tǒng)還可自動(dòng)消除部分簡(jiǎn)單故障，控制系統(tǒng)投入使用后，可縮短80%的查找故障時(shí)間，大幅減少了檢修人員的工作量。

(3) 提高了礦井變電所自動(dòng)化技術(shù)水平。控制系統(tǒng)可將變電所運(yùn)行的各種信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的屏幕上，只需一名監(jiān)控員就可實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)礦井的供電狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤礦井下電氣設(shè)備數(shù)量的增加與供電質(zhì)量要求的提高，傳統(tǒng)變電所有人值守模式已無(wú)法滿足供電可靠性與安全性的需要，本文提出了一種煤礦井下變電所無(wú)人值守控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并判斷故障發(fā)生原因，自動(dòng)消除部分故障，大幅降低了人工成本，提高了變電所運(yùn)行自動(dòng)化程度。同時(shí)該控制系統(tǒng)的硬件與軟件可根據(jù)礦井的實(shí)際狀況進(jìn)行升級(jí)、擴(kuò)展和改進(jìn)，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。