霍州煤电辛置矿井下无人值守采区变电站自动化系统设计研究

于敬泽

（霍州煤电集团辛置煤矿， 山西 霍州 031412）

引言

当前阶段，我国煤矿行业生产过程基本上实现了自动化[1]。在煤矿电网系统中，变电站是非常重要的构成部分。煤矿行业的特点决定了变电站分布比较广，不同变电站之间距离很远[2]。在这种情况下，如果采用传统的人工方式进行运行和管理，不仅工作效率非常低下，且需要耗费大量的人力和物力。基于此，实现煤矿井下变电站自动化是发展的必然趋势，自动化系统在变电站中的应用可实现无人值守，这样可降低日常运营成本，提升工作效率，确保变电站的可靠性[3-4]。本文以霍州煤电辛置矿井变电站为例，详细介绍了无人值守采区变电站自动化系统。

1 无人值守采区变电站自动化系统结构的设计

1.1 自动化系统的整体设计

本文设计的无人值守采区变电站自动化系统主要由两大部分构成，分别为集控主站和受控子站。该自动化系统除了最基本的数据采集与传输的功能外，还增加设置了微机自动巡视和实时跟踪监视功能，这两项功能是实现无人值守的关键。如图1所示为无人值守采区变电站自动化系统结构图，从图中可以看出，集控主站主要包括1个操作员工作站、2台SCADA服务器、主前置机和备前置机，还有综合操作屏，该屏幕会实时显示整个变电站内一些关键的电气参数。而受控子站主要包括防误闭锁装置、测控保护装置以及视频传输模块。集控主站和受控子站两者之间相对独立，通过光纤通道进行数据信息的传输。

图1 无人值守采区变电站自动化系统结构图

1.2 集控主站系统的设计

对于无人值守变电站自动化系统而言，集控主站是其核心部分，主要功能就是针对受控子站进行远程操作和监测、遥控巡视等，为收集准确的现场数据提供坚实的保障。集控主站操作显示屏幕需要对所有受控子站的视频信息进行实时显示，因此中间涉及到大量的数据处理与传输，这些数据首先要通过视频监视主机进行处理后才能在屏幕上显示。现场采集得到的数据存储在操作员工作站中，同时还可通过工作站实现综合操作屏的控制。另外，考虑到无人值守变电站自动化系统在整个生产过程中的重要作用，为确保万无一失，为集控主站配备了一个UPS备用电源。

1.3 受控子站系统的设计

在无人值守变电站自动化系统中，受控子站是最底层的部分。受控子站的结构可以分为两种，分别为分布式结构和集中式结构[5-6]。其中，集中式结构只通过一台计算机进行控制，将所有的微机控制器、视频采集设备等这些基础的设备全部接入到这台高性能计算机中，利用这一台计算机来完成数据的分析和处理。这种结构的形式简单、操作方便，但是可靠性较低，如果此台计算机出现故障那么整个系统就会崩溃。考虑到集中式结构的缺陷，本文最终选择分布式结构搭建受控子站系统。对每个微机控制器都利用一个CPU对其进行控制，通过这样的方式使得每个微机控制器都具备了数据分析和处理能力。微机控制器通过CPU直接与主机相连进行数据通讯。分布式结构由于采用多个CPU，即便某个CPU出现故障，不会对其他微机控制器产生影响。这种模式能够在很大程度上提升了整个系统的可靠性，也有利于及时排除故障问题。

2 微机测控保护装置的设计

2.1 硬件的设计

2.1.1 液晶屏的设计

采用MSP430f5438a型芯片作为主控芯片，此芯片通过3.3 V直流电压进行供电，整体功耗相对较低，当系统处于休眠状态时，该芯片的供电电流仅为1 mA。虽然功耗较低，但完全能够满足煤矿井下变电站现场数据采集相关要求，速度快、实时性很高。本系统在控制器外部增加设置了一个12864显示器，通过该显示器可以达到人机交互的目的，这款显示器具备丰富的中文字体库，整个界面可以实现全中文显示，满屏状态下可以显示16×16个汉字。自动化系统可将变电站中存在的问题显示在显示屏中，巡视人员到达现场后，可直接通过显示器内容来迅速定位问题并完成对应的操作。如图2所示为12864液晶显示屏的电路原理图。

图2 12864液晶显示屏电路原理图

2.1.2 实时时钟的设计

为了方便针对出现的故障问题进行深入分析，本文在微机测控保护装置中增加设置了一个时钟模块，该模块能够实时高精度地显示系统时间。系统时间记录的准确性对于通过分段保护原理的保护系统而言尤为重要，因为下级系统的动作时间通常都是基于时钟系统的记录时间进行计算，时钟系统记录时间的准确性非常重要。本文选用DS1302芯片作为时钟模块的主芯片，当外部供电电压在2～5.5 V的条件下该芯片都能够正常工作，正常工作时的电流值为300 mA，如图3所示为DS1302芯片的接线原理图。X1、X2两者中间连接有一个晶振，频率为32.88 Hz，其作用是为芯片提供系统时钟，CE、I/O、SCLK分别与MSO430型号单片机中的不同I/O接口进行连接。如果需要读取时钟模块的时钟信号时，需要把CE引脚置高，I/O接口可以实现双向通信，Vcc1和Vcc2为两个电源，其中后者为主用电源，前者为备用电源且可以通过外接的电源进行充电。如果Vcc2处于正常工作状态，那么Vcc1就处于充电状态。一旦Vcc2出现故障，Vcc1可以立即切换状态投入使用，确保时钟系统的正常稳定工作。

图3 DS1302芯片电路

2.2 软件的设计

无人值守变电站自动化系统软件通过C语言进行编程，如图4所示为软件的工作流程图。自动化系统通电并初始化后，紧接着就是对微机控制器保护实施自检，自检过程中如果发现问题，常见问题主要包括电压过高、互感器断电等，那么软件系统就会重新启动。如果自检顺利通过没有发现问题，打开中断，自动化系统就会对变电站现场数据进行采集并处理。随后通过通信系统对采集得到的数据信息进行传输并显示，如果存在故障问题，则需要对故障进行处理。

图4 无人值守变电站自动化系统软件工作流程图

数据分析和处理是微机保护中的重要内容，采集得到的数据信息需要通过控制器进行分析处理并判断，牵涉到的算法主要有：将分析处理后的结果与预先设定的结果比较，根据比较结果判断是否需要启动保护动作；分析处理后的结果是不是处在保护范围内，如果在保护范围内则要启动保护动作，反之则不需要启动保护动作。当数据信号不是非常稳定时，则通过小波变换的方式对数据进行处理，通过该种方法可以对高频、低频信号进行多层面分析。

3 防误闭锁装置的设计

对于煤矿井下变电站而言，防误闭锁装置是其中非常重要的构成部分。监测系统针对变电站现场电气设备发出的命令都需要通过防误闭锁装置进行检测，如果检测发现命令不合理或者该命令可能会对电气设备造成故障问题时，那么监测系统下达的命令将会无效。可以看出防误闭锁装置在保护变电站电气设备中发挥着重要的作用，是确保现场电气设备安全的最后一道防线。这种工作模式与传统的工作票模式相比较而言可靠性更高。闭锁装置设定有一段特殊的编码，这段编码就是安全密钥，只有在安全密钥完全准确的情况下才能实现防误闭锁装置的解锁。监测系统与防误闭锁装置直接相连，如果系统检测下达的命令不正确，那么该命令就不会得到真正执行，并且会将相关信息反馈到集控主站中。集控主站对反馈回来的信息进一步分析处理后会下达解锁指令，只有防误闭锁装置解锁后，命令才能往下执行。系统操作人员可以充分结合现场实际情况调整系统中的各种预先设定值，修改后的数据会实时上传至集控主站。如图5所示为防误闭锁装置基本结构原理图。

图5 防误闭锁装置基本结构原理图

4 结论

本文以霍州煤电辛置矿井为例设计的无人值守变电站自动化系统主要有两大部分构成，分别为集控主站和受控子站，两者之间通过光纤系统进行数据传输通信，保证了数据传输的速度。各受控子站可以对变电站现场电气设备基础数据信息进行采集，信息可通过集控主站中的综合操作屏实时显示，实现无人值守。在该系统的设计中，增加设置了显示屏和时钟模块，在很大程度上提升了系统的工作效率和可靠性。