＊尹 兵

（山西焦煤西山煤電西銘礦 山西 030052）

煤礦供電設(shè)計(jì)工作在計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用下，逐漸向信息化、智能化、集成化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的煤礦供電系統(tǒng)因其操作復(fù)雜繁瑣、效率低下而無法滿足生產(chǎn)需要。井下變電所無人值守控制系統(tǒng)在先進(jìn)的軟件和硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過采集、傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)，提高了煤礦的工作效率，成為煤礦企業(yè)的發(fā)展方向。同時(shí)煤礦井下供電系統(tǒng)是維持井下掘進(jìn)、運(yùn)載、通風(fēng)等各類電氣設(shè)備運(yùn)行的重要支撐，其運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性是煤礦安全、高效生產(chǎn)的重要保障。受井下復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境如粉塵量大、地形狹小復(fù)雜、有害氣體多、設(shè)備移動(dòng)頻繁等因素影響，煤礦供配電系統(tǒng)時(shí)常會(huì)產(chǎn)生劇烈的負(fù)荷波動(dòng)、無計(jì)劃停電、越級跳閘等故障，且故障僅憑人工無法實(shí)現(xiàn)精確定位，處理十分困難，從而導(dǎo)致高低壓開關(guān)、電纜、局扇等主要供電設(shè)備發(fā)生故障或損壞，極易造成瓦斯、煤塵爆炸等重大事故。因此通過現(xiàn)代化供電監(jiān)控系統(tǒng)保證井下的可靠供電對于煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-3]。

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

(1)礦井供電系統(tǒng)

礦井地面變電所與各類負(fù)荷連接的樞紐為井下中央變電所，由礦井地面變電所向井下中央變電所輸送高壓電能，一部分電能直接用于為高壓負(fù)荷供電（如高壓水泵)；一部分經(jīng)過井下中央變電所降壓后，供給附近的低壓負(fù)荷；一部分直接用于為高壓負(fù)荷供電（如高壓水泵)；一部分通過高壓電纜輸送至各采區(qū)變電所，再進(jìn)行變壓和傳輸。

圖1 煤礦井下供電流程

(2)功能模塊設(shè)計(jì)

該井下變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)主要由井下運(yùn)行狀態(tài)信號監(jiān)控模塊、井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面監(jiān)控模塊組成，如圖2所示。

圖2 井下變電所無人值守系統(tǒng)模塊

井下運(yùn)行狀態(tài)信號監(jiān)控模塊用于采集各類監(jiān)測信號，井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將監(jiān)測到的信號進(jìn)行傳輸，同時(shí)運(yùn)用多線程并行處理技術(shù)及其抗電磁干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，既滿足了井下高電磁環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、井下數(shù)據(jù)傳輸與控制信號傳輸?shù)碾p向安全性，又保證了各種監(jiān)測信號的快速傳輸。

地面監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的終端，井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)母鞣N監(jiān)測信號以指定的形式在監(jiān)測中心的顯示屏上。當(dāng)系統(tǒng)判斷監(jiān)控信號異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并開始調(diào)整。監(jiān)控中心的控制器可以通過地面的控制終端遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障排除和調(diào)整井下變電所的運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)對煤礦電力系統(tǒng)及二次繼保的遠(yuǎn)程整定計(jì)算及供電設(shè)備綜合管理功能，系統(tǒng)上位機(jī)搭載了各類計(jì)算模型及數(shù)據(jù)庫，用于各類電網(wǎng)及故障參數(shù)計(jì)算訂正，并通過可實(shí)時(shí)編輯添加的設(shè)備庫實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的選型與校驗(yàn)，具體可劃分為供電設(shè)計(jì)模塊、電氣設(shè)備參數(shù)庫管理模塊、機(jī)電設(shè)備符號庫管理模塊及繪圖模塊4大部分，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)示意圖

2.硬件方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的煤礦井下變電所配電系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘狀態(tài)信號采集、信號上傳和分合閘操作遠(yuǎn)程控制等功能。為了實(shí)現(xiàn)無人值守低壓系統(tǒng)，需要增加具有通信功能、數(shù)字量輸入輸出功能、模擬量輸入輸出功能的智能設(shè)備?？刹杉駜?nèi)斷路器分合閘狀態(tài)、低壓柜內(nèi)電壓或電流信號，采集柜內(nèi)斷路器、接觸器等電路元件的分合狀態(tài)，將采集到的信息上傳到上位機(jī)，下發(fā)上位機(jī)指令，控制配電柜中斷路器、接觸器等主要電路元件的開、合。

礦用隔爆本質(zhì)安全永磁真空組合饋電開關(guān)的結(jié)構(gòu)為殼體式整體結(jié)構(gòu)，采用一般隔爆模式和隔離隔爆模式。該設(shè)備的核心部件有CPS模塊化斷路器、饋電開關(guān)核心部件集成斷路器總成、工控面板總成和電源箱總成3部分。設(shè)備中的各個(gè)配件可以相互共用。當(dāng)故障發(fā)生需要維修時(shí)，只需要對CPS斷路器進(jìn)行維修，情況嚴(yán)重時(shí)也只需更換CPS斷路器即可。彩屏上顯示斷路器當(dāng)前的開閉狀態(tài)，這些斷路器的進(jìn)、出位置均由高精度電動(dòng)底車控制，并具有隔離開關(guān)的功能。方形外殼組合成的隔爆饋電產(chǎn)品分為總饋、接線腔兩個(gè)獨(dú)立腔體，每個(gè)主體腔體均為獨(dú)立隔爆腔體，腔體具有安全可靠的機(jī)電鎖，由斷路器控制高精度電動(dòng)小車的進(jìn)出，不僅實(shí)現(xiàn)了隔離開關(guān)功能，還保證了其安全，不影響其他電路的正常工作。

每個(gè)饋電回路應(yīng)用模塊化CPS斷路器，即一體化模塊布局設(shè)計(jì)。斷路器是高度集成的驅(qū)動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)1140V/660V照明電路星角自動(dòng)轉(zhuǎn)換、電壓自動(dòng)檢測、自動(dòng)開關(guān)功能，各支路PLC數(shù)據(jù)采用RS-485與顯示屏通信，顯示屏可實(shí)時(shí)顯示傳輸系統(tǒng)電壓，工作人員可通過觀察負(fù)載側(cè)三相電壓變化、三相真空管腔和觸點(diǎn)溫度監(jiān)測顯示，及時(shí)發(fā)現(xiàn)真空管粘連、漏氣、斷相現(xiàn)象，并掌握饋電開關(guān)操作溫升。

具有獨(dú)立電源的5寸彩色液晶顯示屏上可以實(shí)時(shí)顯示開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備類型、電壓、電流、電阻值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及過流、短路整定值等參數(shù)，同時(shí)具有完善的自診斷功能。通過下拉菜單可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和修改，設(shè)置時(shí)可以直接輸入數(shù)字。操作人員查詢信息或設(shè)定參數(shù)時(shí)，可以通過門套上的關(guān)閉、開啟、急停、短試、漏試、復(fù)位、上下選擇和電動(dòng)汽車出入控制按鈕來進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。

井下電力監(jiān)控分站是實(shí)現(xiàn)井下供電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳及上位機(jī)、監(jiān)控主站各項(xiàng)指令下達(dá)執(zhí)行的重要設(shè)備，本系統(tǒng)選用KXB-110型電力監(jiān)測分站與井下各類保護(hù)裝置進(jìn)行交互，同時(shí)與地面調(diào)空中心進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳及指令執(zhí)行。KXB-110監(jiān)控分站由通訊管理機(jī)、光纖交換機(jī)、人機(jī)交互屏及UPS不間斷電源組成，其中通訊管理機(jī)所用的通訊計(jì)算機(jī)型號為DA600，其內(nèi)部具有8路串口及1路10M/100M以太網(wǎng)口，可完成與井下各類保護(hù)設(shè)備的通訊。光纖交換機(jī)選用型號為EDS-510A，其內(nèi)部具備6口100/1000BaseT(X)，采用Turbo Chain冗余環(huán)網(wǎng)，有效提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。UPS后備電源可在停電后持續(xù)提供長達(dá)3h的電能，可完全滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互及可靠性需求。

系統(tǒng)采用高性能保護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)，當(dāng)發(fā)生短路、過載、分相、過壓、欠壓、三相對稱漏電等故障時(shí)，開關(guān)能自動(dòng)有選擇地速動(dòng)切斷故障線路，并實(shí)現(xiàn)閉鎖，只有排除故障后再進(jìn)行人工手動(dòng)復(fù)位，才能恢復(fù)供電。該系統(tǒng)還具有漏電鎖保護(hù)功能，可以模擬漏電和短路試驗(yàn)。該保護(hù)還具有風(fēng)電瓦斯閉鎖和絕緣電阻值顯示功能。

MODBUS-RTU協(xié)議提供遠(yuǎn)程通信，配有相應(yīng)的通信接口，可實(shí)時(shí)上傳參數(shù)、事件、故障等信息。同時(shí)，無需安全隔離裝置即可直接接入監(jiān)控網(wǎng)，這種方式有利于聯(lián)網(wǎng)集中控制，以及與地下電網(wǎng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行連接。

3.軟件方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

機(jī)電設(shè)備實(shí)體的空間地理位置關(guān)系、供電實(shí)體的邏輯關(guān)系，分別由煤礦機(jī)電設(shè)備布置圖和供電系統(tǒng)圖進(jìn)行表達(dá)。煤礦機(jī)電設(shè)備布置圖生成供電系統(tǒng)圖從而實(shí)現(xiàn)了2種關(guān)系的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

（1）確定保存供電系統(tǒng)圖圖形文件的路徑。（2）將煤礦機(jī)電設(shè)備布置圖中機(jī)電設(shè)備、電纜實(shí)體的索引、圖層索引及圖層信息分別保存在3個(gè)數(shù)組中。（3）根據(jù)3個(gè)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建新圖形文檔文件，加載已保存的圖層信息并創(chuàng)建圖層和修改圖層索引。（4）讀取保存的實(shí)體索引并判斷實(shí)體類型，若為機(jī)電設(shè)備實(shí)體，則改變機(jī)電設(shè)備布置圖圖例為電動(dòng)機(jī)圖例，設(shè)置相連的電纜的捕捉點(diǎn)索引，然后繪制機(jī)電設(shè)備圖例，最后寫入圖形文檔；若為電纜實(shí)體，則計(jì)算正交模式下的電纜中間形狀點(diǎn)的坐標(biāo)，繪制電纜并修改電纜標(biāo)注的顯示狀態(tài)，最后寫入圖形文檔。（5）讀取寫入圖形文檔后的供電系統(tǒng)圖，基于供電網(wǎng)絡(luò)遍歷算法模型修改機(jī)電設(shè)備實(shí)體坐標(biāo)位置，形成一個(gè)具有層次感且條理清晰的供電系統(tǒng)圖，保存最終的供電系統(tǒng)圖。流程如圖4所示。

圖4 生成供電系統(tǒng)圖的流程圖

目前，煤礦已建成地下光纖工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，井下主變電所設(shè)有環(huán)網(wǎng)開關(guān)和2臺KJ736-F礦用隔爆兼內(nèi)部安全型電力監(jiān)控分站。礦井隔爆本安電力監(jiān)控分站、低壓系統(tǒng)多功能智能儀表、配電柜微型計(jì)算機(jī)綜合保護(hù)裝置和遠(yuǎn)程智能I/O模塊均由RS485總線進(jìn)行連接。現(xiàn)場數(shù)據(jù)由井下作業(yè)狀態(tài)信號監(jiān)控模塊進(jìn)行采集，通過地下光纖工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛婵刂剖摇?/p>

傳統(tǒng)變電站至少需要安排7名專業(yè)監(jiān)測人員才能滿足對變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)測要求，應(yīng)用該系統(tǒng)后，井下只需配備3-4支應(yīng)急隊(duì)伍，保證了供電安全，故障定位和處理速度也得到提高，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的井下無人值守。

系統(tǒng)的電氣設(shè)備參數(shù)庫及機(jī)電設(shè)備符號庫2類數(shù)據(jù)庫基于SQL2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)指令時(shí)，上位機(jī)據(jù)此打開對應(yīng)數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行預(yù)設(shè)及修改，當(dāng)生成有效修改命令后將修改后的參數(shù)存儲至相應(yīng)數(shù)據(jù)庫完成操作，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)流程圖

運(yùn)行后，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站的實(shí)際運(yùn)行，分析異常數(shù)據(jù)和自動(dòng)定位故障發(fā)生的原因，然后顯示故障的原因和處理計(jì)劃，并啟動(dòng)故障診斷的功能，大大地提高了可靠性。監(jiān)控中心只需1名工作人員通過觀察顯示屏幕來對各類供電數(shù)據(jù)和供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

4.展望

隨著更為先進(jìn)的通訊技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，煤礦供配電及配套監(jiān)控系統(tǒng)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)及監(jiān)控平臺的在線化及公共化，通過B/S網(wǎng)絡(luò)模式用戶可實(shí)現(xiàn)煤礦供配電的網(wǎng)上在線設(shè)計(jì)。其次以3D技術(shù)為基礎(chǔ)的三維可視化供電設(shè)計(jì)平臺也是未來煤礦供配電系統(tǒng)的一大發(fā)展趨勢，通過三維化的供電設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)直觀性更強(qiáng)，人機(jī)交互功能更為強(qiáng)大，發(fā)展前景十分可觀。

5.結(jié)束語

煤礦無人值守變電站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于模塊化的功能設(shè)計(jì)，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對變電站運(yùn)行狀態(tài)信號的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠自動(dòng)判斷運(yùn)行情況。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，不僅可以自動(dòng)提示故障原因，還可以根據(jù)實(shí)際情況提出解決方案，大大提高了安全指標(biāo)、工作效率以及供電連續(xù)性水平，使變電站的工作自動(dòng)化、智能化，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守。