煤矿变电站综合自动化系统研究与设计

孙玉龙

（西山煤电西铭矿运输科，太原 030052）

0 引言

煤矿上电力网络复杂，变电站在其中扮演着不可或缺的作用，可实现电压、功率调节，同时电能在此汇聚并进行分配使用，对其进行自动化改造将直接影响煤矿电力网络的工作效率[1]。因此，通过现代化技术，设计针对煤矿变电站的综合自动化系统，实现变电站的远程控制具有重要意义[2]。煤矿变电站综合自动化实际上就是根据功能需求将变电站中的多种二次设备进行重新整合和优化配置，借助计算机控制技术、网络通信技术和智能处理技术，对整个煤矿上变电站的重要电气设备实现实时监控、保护、远程控制等自动化功能[3]。

煤矿变电站综合自动化系统应具备以下功能：可实时采集各种电气设备的电压、电流、功率等交流信号模拟量以及电路的各种开关状态，实现对变电站内各种电气设备运行状态的监视；根据实时采集到的数据，通过远程计算机的快速计算和智能处理，获得最经济的运行方式，进而对电气设备进行控制操作，提高工作效率。

1 煤矿变电站存在的问题

传统的煤矿变电站存在着如下缺点与不足[4-5]。

（1）电气设备可靠性、安全性不能满足实际需要。传统的煤矿变电站仍然使用常规的电气设备，系统结构复杂，并且没有自我故障诊断能力，可靠性差，存在许多的安全隐患。

（2）自动化程度低，监控时效性差。传统的煤矿变电站由于监控设备无法全面覆盖电气设备，导致监控数据不全面，同时由于通信系统的落后，监控数据和信息无法实时传输到调度中心和远程计算机，同时变电站自身缺乏相应的远程控制手段，这些因素都影响了煤矿变电站的工作效率和安全运行。

（3）设备维护工作量大，系统运营管理水平低。变电站内的电气设备易受环境温度影响，需要大量人力、物力、财力来维护这些设备，人工维护成本高、难度大；变电站中各电气设备之间关联较少，通常都是根据设备的功能将其简单的组合在一起，缺乏对变电站的统筹管理和统一监控，协调操作困难，可能会出现操作混乱的情况。

2 综合自动化系统总体方案设计

煤矿变电站综合自动化系统主要由各种分布式保护测控装置、MCU主控单元、现场总线、智能监测设备、通信管理设备、后台控制计算机以及远程控制设备等部分组成。监控数据采集系统和开关控制系统是整个系统的关键部分，其保证所设计的综合自动化系统可以从现场实时采集到第一手数据，通过对数据的智能处理，完成对电气设备的远程操作与控制。通信系统包括现场总线通信和以太网通信，分别连接远程控制系统和前端监测设备，可以保障各电气设备与MCU主控单元、远程计算机之间数据的畅通传输。远程控制系统是本系统的核心大脑，可实现对电气设备各类数据的实时采集，对其进行智能处理和分析，进而对终端设备实施控制操作，当出现故障时可及时报警；同时后台配置有数据库服务器，可存储所有采集到的设备数据和控制信息。其系统结构框图如图1所示。

图1 综合自动化系统结构框图

3 硬件系统设计

3.1 主控单元现场总线

MCU主控单元与各种分布式保护测控装置、数据采集系统、开关控制系统之间采用现场总线通信技术进行通信传输。现场总线技术具有很强的扩展性和灵活性[6]，在其支持下，可以将通信设备和终端监控设备组合起来，整体形成一个上下有序的分布式系统。

本设计现场总线使用CAN总线进行通信，CAN总线理论上可以连接无穷多个节点数，节点之间可以自由通信，能够实现不同结构的资源共享，极大地减少了电缆的布置，同时又有足够的通信距离和传输速率。因此非常适合在综合自动化系统中作为通信系统的总线。

3.2 监控数据采集系统

监控数据采集系统由模拟量采集和开入量、脉冲量采集构成。模拟量主要指电流、电压、功率等交流电信号；开入量是指保护装置的信号输入，采集现场开关、刀闸等位置信息；脉冲量是指一些不连续的突变电压或电流信号。

（1）模拟量的采集

模拟量采集系统结构框图如图2所示。图中，PT为电压互感器，CT为电流互感器，U为信号放大电路，MUX为集成多路模拟开关。外部强电交流信号通过PT/CT隔离转换为弱交流电信号，经信号放大电路U、集成多路模拟开关MUX和A/D转换变为MCU可处理的数字信号，对数字信号进行处理就能计算出此时电流电压的有效值，并计算得到有功功率与无功功率，最后通过以太网将采集数据传送至远程计算机进行智能处理，并实现控制功能。整个采集系统最高可同时采集12路模拟量数据，采集效率极高。

图2 模拟量采集结构框图

（2）开入量和脉冲量的采集

开入量采集结构图如图3所示。在MCU主控单元对外部开入量进行采集时，需要先对其进行预处理，通常在开入量采集电路中设置光电隔离装置，这样可降低外部信号的干扰，保证信号的准确性，然后将信号上传到MCU进行采集。为避免信号采集错误导致误报情况的发生，开人量的采集需在硬件和软件上采用去抖动措施。本系统采用抗干扰滤除法对脉冲量进行采集，当脉冲宽度大于设定宽度时才计数，否则视为干扰信号，脉冲量由装置实时计算后累加上传到MCU主控单元。

图3 开入量采集结构图

3.3 分布式保护测控装置功能

用于煤矿变电站综合自动化系统的保护测控装置主要有：馈线保护测控装置、电容器保护测控装置、变压器保护测控装置等[7]。功能介绍如下。

（1）馈线保护测控装置。该装置主要是对6 kV或10 kV电压等级经消弧线圈接地的馈线系统进行保护测控。具有三相一次重合闸保护、零序过流保护、二段定时限过流保护等功能，且其操作回路具有独立性，支持脉冲输入。

（2）电容器保护测控装置。该装置主要对单Y、双Y、Δ形接线的并联电容器组进行保护测控，用于6 kV或10 kv电压等级的中性点经消弧线圈接地或不接地低压系统当中。具有过电压或者低电压保护、过载保护、二段定时限过流保护等功能，且其操作回路具有独立性。

（3）主变压器差动保护装置。该装置主要是对35～110 kV的变压器进行差动保护。具有差动保护、非电量保护、过载保护等功能，支持脉冲输入。

（4）主变压器后备保护测控装置。该装置主要是对6～110 kV电压等级的两卷／三卷变压器进行后备保护。具有零序过压保护、间隙过流保护等功能。

以上保护测控装置均可通过与通信系统的连接，实现对模拟量、开入量、脉冲量等的采集，并通过远程控制系统对其进行遥信操作。

图4 上位机软件结构框图

4 软件系统设计

煤矿变电站综合自动化远程监控系统是基于计算机技术、网络通信技术、智能控制技术等设计的[8]。针对该系统设计的上位机监控软件可以实时采集煤矿变电站各种设备运行状态信息，实现数据的在线显示，同时可将采集数据存入数据库，方便以后调用。此外，监控软件具有友好的人机界面和超强的数据智能处理能力，可以在线实现远程监监控功能。

上位机监控软件选用Visual C++6.0语言作为软件开发工具，将Windows操作系统作为监控软件的运行环境，以SQL Server 2000数据库构造系统应用数据库。Visual C++6.0编程语言是由Microsoft公司推出的一款灵活性好、功能强大、可扩展的可视化开发工具，是面向对象的程序开发语言，借助其强大的编译器以及网络与数据库的开发能力，可以开发出功能强大的应用程序[9]。

整个监控系统的软件体系采用模块化和面向对象的设计思路，根据前面所述煤矿变电站综合自动化监控系统所要实现的功能要求，将监控软件的系统功能与其一一对应，设计成相应的功能模块，功能模块中包含具体的子系统。上位机监控软件结构框图如图4所示。

5 结束语

本文在分析传统煤矿变电站存在诸多问题的基础上，设计了一套变电站综合自动化系统，该系统可以实时采集终端电气设备的运行状态信息和工作参数，并将采集数据上传到远程控制系统，可通过计算机的智能处理和分析判断，获取控制和操作信息，实现远程控制。实地运行证明，本文设计的系统大大提高了煤矿变电站自动化水平、安全性和可靠性，减少了人力物力，节省成本，对于提高变电站性能，降低变电站风险有着重要意义。