煤矿井下无人值守变电所监控系统的设计与实现

戴万波

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

0 引 言

煤矿井下变电所的安全稳定运行是煤矿安全生产的重要保证。目前变电所普遍采用人工值守的管理方式，然而井下环境复杂，负荷种类多且相对分散，漏电和越级跳闸等故障时常发生，这给检修人员在故障排查处理时带来极大困难。随着智慧矿山建设的不断推进及减员增效宗旨的深入人心，建成更安全、更智能和更高效的无人值守变电所势在必行。

为此，本文以ARM处理器内嵌实时操作系统搭建井下智能监控分站的硬件平台，以工业环网和CAN/RS485总线作为系统的传输结构，融合电力监控、环境监测、视频监控、门禁管理、语音播报、Web浏览和短信推送等多种技术，设计了一套集实时监测、控制、保护、诊断和管理于一体的无人值守变电所监控系统[1]。系统能有效减少供电事故的发送，提升变电所管理的效率，减少人员的投入，对提升煤矿供电的安全性、智能性与经济性具有重要的意义，符合无人、安全和智能的智慧矿山建设发展趋势。

1 无人值守系统总体设计

系统主要分为四个组成部分，即地面监控平台、井下监控分站、智能综保和联动子系统。

无人值守变电所监控系统的总体结构如图1所示。

图1 无人值守变电所监控系统的总体结构

智能综保安装于井下防爆开关柜内，集保护与测控功能于一体，分为高压开关综保、低压馈电综保和低压照明综保。高压开关综保带防越级跳闸功能，通过以太网接入井下环网交换机，低压馈电和低压照明综保通过485总线接入井下监控分站，分站完成地面监控平台与综保装置间的协议、规约和通信方式的转换，实现对供电线路、高低压开关设备的监控与保护。

监控分站通过CAN总线采集环境参数传感器的数据及控制语音声光报警器[2]，通过3路485总线采集低压馈电、照明综保及电源箱数据，通过网口接入环网交换机读取高压开关综保数据及与地面监控平台实时通信。分站及井下交换机均由锂离子电源箱供电，外部交流电源中断后，电池持续工作时间不少于4 h。

门禁子系统和视频子系统通过井下交换机接入环网，与地面监控平台通信。

地面监控平台通过环网与井下设备实时数据交互，实现五遥功能(遥测、遥信、遥调、遥控、遥视)、子系统相关联动、事故告警及统计分析。通过Web服务器和短信模块实现网页浏览与短信推送[3]。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计包括监控分站设计、智能综合保护器设计以及联动子系统的设计。

2.1 监控分站设计

监控分站为本安型，采用模块化设计，由控制板和通信管理机组成，是承接地面监控平台和井下各设备间的数据通信桥梁及控制核心，监控分站的硬件设计结构如图2所示。

图2 监控分站的硬件设计结构

控制板采集环境传感器数据进行逻辑判断、充放电试验及液晶显示，通信管理机采集综保数据完成规约转换，实现与地面监控平台的实时信息交互。

控制板选用ARM处理器STM32F107VC为核心，内置CAN控制器，接带隔离功能的CAN驱动收发器CTM8251构成CAN总线电路，采集总线上甲烷和温度等环境传感器的数据。采用4路485总线：2路与通信管理机通信，实现读取高低压综保的信息和将环境传感器数据上传；1路485总线与液晶彩屏通信，实现综保、传感器等监测设备的实时显示及本地的人机交互；另1路与隔爆兼本安型电源箱通信，采集供电状态，进行充放电试验，实现电源管理。

地面监控平台及本地分站上可实现对电源箱的远程及就地电源管理，对电池进行充放电试验。图3为监控分站电源充放电试验界面，通过遥控器进行操作。

图3 监控分站电源充放电试验界面

通信管理机负责协议规约的转换，以ARM Cortex-A8微处理AM3352为核心，内嵌Linux实时系统，按通道层、核心库层、服务管理层和外部层4层软件架构进行程序设计。通过2路MODBUS 485规约读取低压馈电综保、照明综保数据，通过以太网接入井下交换机，读取高压开关综保数据，并将从控制板得到的环境传感器数据一并打包处理，通过以太网实现井下各开关设备与地面监控平台的103、104规约转换与通信[4]。

2.2 智能综保设计

智能综合保护器由电流互感器、电压互感器、主控板、显示屏和无线温湿度探头五部分组成。保护器采用模块化设计结构，具有良好的抗干扰性能及友好的人机界面，主控板以DSP TMS320F28335为核心，由电源模块、I/O隔离输入模块、继电器输出模块、通信模块、存储模块和绝缘监视模块等组成。通过互感器采集三相电压和三相电流，采用FFT算法完成对采集数据的运算处理，计算各电参量，与设定的整定值比较。控制继电器输出模块执行开断动作，实现供电系统和设备的实时在线数据采集、远程操控、运行保护、事故报警、数据统计分析、参数管理和信息查询等功能[5]。保护器含有就地/远控旋钮，实现就地、远控闭锁，保障维修时的安全。在开关防爆腔内，采用无线温湿度探头实现开关触头温度、腔内温湿度监测。

文献[6]提出了基于以太网的智能分布式是解决越级跳闸的首选方案。本文设计的高压综保装置采用以太网通信，在电网中设置为零时限，实现逐级快速后备保护。通过高压综保装置之间的网络智能通信，检测故障区，对故障定位。通过上、下级保护间的配合来实现防越级跳闸的功能，实现先定位后动作。

2.3 联动子系统设计

联动子系统分为环境监测联动、视频联动、门禁联动和语音联动。

环境监测联动：甲烷、温度、湿度和烟雾传感器安装在变电所内。通过CAN总线与监控分站通信，实时监测变电所内环境变化，分站判断传感器数值超过设定值时，启动相应联动措施及语音报警，确保变电所运行安全。

门禁联动：通过门禁系统实现对进出变电所人员的有效管理，实现对人员的身份、进出时间、变电所内活动状况的监视和记录。门禁管理系统由新型矿用门(包括防火门和栅栏门)、门控分站、本安型电磁锁、本安型读卡器、写卡器、电源箱、门卡和开门按钮组成[7]，系统结构如图4所示。系统通过门控分站判断读卡器和开门按钮的准入信号来控制电磁锁的吸合，通过以太网与地面监控平台通信，实现监控信息上传及远程开门。

图4 门禁管理系统控制结构图

视频联动：采用海康防爆云台摄像机，云台可360°连续旋转，具有Smart事件侦测功能。通过交换机与地面监控主机平台和硬盘录像机建立通信，实时监控并保存井下变电所画面。调整云台摄像机的角度、焦距，一一对准到各开关的合适位置，保存调整后的参数，设置成相应的预置点[8]。当监控主机平台监测到井下开关故障或分合闸时，控制云台摄像机转到该开关对应的预置位上，推送该开关画面，实现视频联动。

语音联动：当变电所内环境或开关出现异常时，井下监控分站通过CAN总线控制语音声光报警器播报相应的语音报警信息，地面监控平台收到故障信号的同时，启动音箱播报报警信息，提醒相关人员及时处理[9]。

3 地面监控平台设计

地面监控平台由主备监控机、Web服务器、井上交换机、短信发送模块、GPS对时装置和硬盘录像机等组成。GPS对时装置实现监控主备机及井下设备的运行时间实时同步，硬盘录像机实现对视频信息的存储和管理。

监控平台软件设计采用平台化设计思想，平台体系包括面向服务的架构、公共服务和一体化的图形存储及浏览技术等[10]。监控系统软件架构如图5所示。

图5 监控系统软件架构

通过对井下设备数据的解析处理，实时更新数据库。监控平台软件主要完成以下7大功能：电网的监控、电网分析、调度管理、模拟仿真、综保管理、Web发布和运维管理。

4 系统试验

无人值守变电所监控系统在霍州煤电集团李雅庄煤矿的中央变电所完成了安装调试，并进行了系统性能试验。图6为井下中央变电所的供电系统监测界面，监测的电网数据、高低压开关状态、开关的分合闸及漏试操作都可在该界面上实现。

视频联动界面如图7所示：6104号高爆开关手动执行分闸操作，云台摄像机收到监控平台下发的预置位命令，移动到该开关事先设好的预置位置并自动调焦；右边是云台摄像机的操作栏，可手动实现云台、焦距和光圈等的二次调整，验证了系统遥控、遥视和联动的功能。

图7 视频联动界面

系统的定值管理界面如图8所示，左边栏为设备列表，可实现综保定值的远程修改和定值的在线校核，验证了遥控调节的功能。

图8 综保定值管理界面

图9为高爆开关6109号的日报表界面，左侧树状栏为设备选择栏，对该开关所在电网的各监测值进行统计，并可对表格进行编辑及打印，验证了系统的报表功能。

图9 日报表界面

5 结束语

本文融合环境监测、视频联动、门禁管理和腔内无线测温等多种技术，设计了一套无人值守变电所监控系统设计。该系统经实际应用，代替了原有变电所专职看护人员的模式，提升了变电所运维的智能性和可靠性，降低了事故率，减少了事故排查的困难及影响时间。

无人值守系统的应用，符合煤矿减人增效、安全生产的发展方向，具有显著的经济效益与社会效益，是煤矿智慧矿山建设的一个有力补充。