煤矿变电所自动化控制系统设计改造及应用*

陈 健

(西山煤电镇城底矿机电科外围队，山西 太原 030200)

0 引 言

煤矿综采、掘进工作面各种大型机电设备的运转离不开电力系统，电力为煤矿生产的动力源泉。变电所作为煤矿的关键分系统，其主要包括有一次系统和二次系统。其中，一次系统主要负责对工作面、地上电力的传输、分配以及电压的转换任务；二次系统主要负责对现场各用电设备状态的监测、控制、保护以及状态记录等任务。实现变电所二次系统的自动化控制，是提升煤矿安全生产的基础，是提高煤矿生产效率的关键[1]。因此，针对当前变电所自动化控制水平低且可靠性低的问题，笔者着重对煤矿变电所自动化控制系统的结构进行研究，并完成其控制逻辑的设计，旨在提高变电所控制水平的同时保证煤矿的高质高效生产。

1 工程概况

在实际生产中，变电所的故障和对设备保护的延迟性导致工作面生产效率低下且安全性低，为此在当前煤矿以太网的基础上，完成煤矿变电所自动化控制系统设计，其中主要是煤矿中央变电所和综采工作面变电所的自动化控制。基于所设计的变电所自动化控制系统实现对现场用电设备各项参数的接收、监测、控制、保护以及显示等功能。具体研究内容如下：

(1)在当前煤矿信息传输平台的基础上，基于以太环网为核心实现井上下各类信号的网络传输。

(2)结合我矿井上、井下所有机电设备的特点提出变电所自动化改造的思路，在完成变电所自动化结构改造的基础上，根据控制需求完成系统的逻辑设计。

2 信号网络传输平台的设计

目前，工业生产中实现网络传输功能的核心技术有现场总线技术和工业以太网技术。其中，现场总线技术主要实现现场与控制室之间的信号传输，结合现场检测装置对设备运行状态参数进行测量，并对控制信号和非控制系统进行传输[2]。尽管，现场总线技术在工业生产中广泛应用，对于煤矿企业相对复杂且恶劣的生产环境以及高性能、高可靠性、长距离的控制需求，现场总线无法满足实际控制需求，对实现变电所自动化控制制造了障碍。

对于工业以太网技术而言，以太网通信技术应用于局域网中。工业以太网的关键组成包括有应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层。与现场总线技术相比，工业以太网技术具有传输速率高、运行成本低、应用范围广等优势。故本文将基于以太网技术实现对信号网络传输平台的设计。

结合西山煤电镇城底煤矿现场情况，所设计的变电所信号网络传输平台结构如图1所示。

图1 基于以太网通信的变电所网络传输平台

如图1所示，所搭建的变电所网络传输平台的传输介质为光纤，依靠工业以太网交换机实现上位机与现场设备的信号传输、交换；而且，地面监控中心与井下中央变电所、采取变电所形成环网控制。变电所网络传输平台的核心设备为以太网交换机，本平台所选用的以太网交换机的型号为MS4128，配置的介质模块参数如表1所列。

表1 MS4128以太网交换机介质模块数量 /个

根据现场控制需求，所设计网络传输平台主干网的传输速率为1000Mbps、属于隔爆型系统，最大传输距离可达到45 km；该信号传输平台可在温度为-10～45 ℃、周围湿度不大于95%的环境正常工作[3]。

3 变电所自动化控制系统的结构及逻辑设计

3.1 变电所自动化控制系统的结构设计

基于上述所设计的以太网网络通信平台为中间枢纽作为变电所自动化控制系统的网络控制层，以监控中心为核心的信息层以及以现场离散设备和过程设备为核心的设备层组成整个煤矿变电所自动化控制系统的整体框架，如图2所示。变电所自动化控制系统采用分层分布、分散集中控制的理念，分为监控中心层、网络控制层和设备层，各层的功能描述如下：

图2 变电所自动化控制系统结构框图

(1)变电所监控中心层主要是对现场设备运行状态进行监测、控制外，还具备对监测数据进行存储、记录、显示以及故障报警等功能。

(2)网络控制层为监控中心层和设备层进行通信和信号传输的中间枢纽。其中，与监控中心层以RS485总线进行通信；与设备层采用以太网环形传输披平台实现。鉴于煤矿恶劣环境，避免传输信号被干扰在传输线缆上均做屏蔽处理。

(3)现场设备层主要为对工作面机电设备进行保护、测控的装置，其主要任务是对机电设备进行保护、测量并控制[4]。

3.2 变电所自动化控制系统的改造

结合城底矿当前变电所控制系统和现场设备情况，为进一步提高整个煤矿电网控制的自动化水平和可靠性，做如下改造：在现有变电所和配电室的基础上，结合工业以太网传输平台，为变电所控制系统增加2台煤矿电网监控机；在网络控制层和设备层之间增加一台通讯管理机，确保能够获取更准确、更全面的现场设备运行参数；在监控中心新增一台模拟显示屏，可保证用户直观掌握整个煤矿电网的运行状态[5]。经改造后煤矿变电所自动化控制系统的逻辑拓扑结构如图3所示。

图3 煤矿变电所自动化控制系统的逻辑拓扑图

4 设计应用效果

对西山煤电镇城底煤矿进行自动化改造后，可有效解决煤矿供电系统对设备控制自动化水平，实现对供电系统的实时监控，并准确快速定位供电系统的故障类型，为维修人员维护设备提供依据。试运行表明，当前供电系统下煤矿各类电气设备的故障率明显降低，约降低33%；折算为设备的停机时间约为400 h，从而为煤矿每年增产约为100万t，按照每吨原煤的利润为28元计算，经对西山煤电镇城底煤矿供电系统改造后可增加直接经济效益为3 000万元，减少设备的维修费用约为300万元。

5 结 语

煤矿变电所是工作面高效、安全生产的重要保障，随着煤矿开采深度的不断增加和机电设备类型的不断增加对变电所控制系统的自动化水平和可靠性提出了更高的要求。为此，基于以太网交换机为核心设计以太网网络通信传输平台，该平台具有通信速率快、通信距离长以及抗干扰性强等优势；结合我煤矿变电所当前控制现状，为其新增电网监控机、通信管理机以及模拟显示屏等系统，保证变电所自动化控制系统可全面、准确掌握设备运行状态的同时，为用户直观掌握运行状态提供了平台。