煤矿井下变电所无人值守监控系统设计与应用*

郑鹏健

(霍州煤电集团吕梁山煤电公司 木瓜煤矿，山西 吕梁 033199)

0 引 言

井下煤矿开采过程中需要使用很多电力设备设施，供电系统能否安全稳定运行直接决定了这些机电装备的可靠和稳定运行[3]。由于矿井作业环境复杂，粉尘较大、湿度较高，这些都矿井用电安全比较大的威胁[4]。矿井供电系统经常出现各种故障问题，从而影响煤矿开采过程的连续性，制约煤矿开采效率的提升[5]。严重时还会威胁设备和井下人员安全。基于此，设计研究井下变电所的无人值守监控系统，基于现代化技术手段对变电所进行实时监控，及时发现问题并解决问题，保障变电所的可靠运行[6]。

1 变电所无人值守监控系统方案设计

图1所示为设计的煤矿井下变电所无人值守监控系统整体方案图。设计的无人值守监控系统整体上可以划分成为三大部分，分别为地面监控主站、井下监控分站以及测控单元。

图1 井下变电所无人值守监控系统整体方案

(1) 地面监控主站。此部分主要由工业电视大屏幕、监控主机、监控备用机、打印机以及网络通讯设施等部分构成，相关的硬件设施全部位于地面，作用是对井下采集得到的数据信息进行存储、分析并显示。位于监控主站的管理人员可以通过监控屏幕下达控制指令，对井下相关装置进行控制。

(2) 井下监控分站。井下监控分站的作用是对测控单元采集得到的数据信息进行收集。如果变电所设备存在故障问题，还需要完成故障录波工作。井下监控分站是地面监控主站和测控单元之间的桥梁。分站采集的数据信息通过工业以太网以远程传输的方式输送到主站，主站下达的控制指令需要通过分站分配到测控单元。

(3) 测控单元。主要硬件设施是综合保护器、瓦斯传感器、温度传感器、烟雾传感器、高清摄像头等，其作用是对变电所中相关的机电设备运行状态进行采集，通过对变电所环境参数采集并将数据传输到测控分站。测控单元还需接受地面监控主站的控制。

井下部分通过以太网光纤组件环网，所有井下监控分站全部接入环网中，环网通过光端机实现与地面监控主站之间的数据通信。测控单元与监控分站之间通过双绞线和RS485实现数据信息通信。所有采集得到的数据信息以及变电所出现的故障问题信息，全部会在工业电视大屏幕上实时显示。

监控系统在运行过程中，可以对变电所中的电压电量进行实时测量与控制，并对用电数据进行监视。同时可及时发现变电所中存在的故障问题，以便及时处理问题，缩短停电时间。系统可以根据不同分站的用电量大小对电力负荷进行调配，提升电力的合理利用率，降低企业的电费消耗，真正实现无人值守的效果。

2 地面监控主站设计

图2所示为地面监控主站的整体框架结构，其中最重要的三个部分分别为Web服务器、数据服务器和监控工作站。

图2 地面监控主站框架结构

2.1 数据服务器

基于数据服务器硬件设施再配合使用相关软件处理程序，可以被动地接收来自井下监控分站传输上来的数据信息。系统可以设定时间间隔，定期对井下终端数据信息进行采集，也可按照实际使用需要随时对终端的数据进行采集。采集得到的数据信息全部存储到数据服务器中，利用数据服务器可以对采集得到的数据信息进行分析和处理。比如可以对模拟量分别设置上限和下限，如果发现数据信息超过了上限或者下限，系统就会发出警报，并被警报进行记录。为了提升无人值守监控系统运行过程的可靠性，数据服务器采用的是冗余设计，其中一个作为主服务器，另外一个作为备用服务器，两台服务器只要有一台能够正常运行，那么整个监控系统即可稳定运行。

2.2 Web服务器

无人值守监控系统采集得到的信息很多为无用信息，或者信息之间存在相互交叉、冗余的问题。为了提升数据存储的质量和效率，对采集的信息进行深入挖掘分析后，将有用的信息存储到Web服务器中。利用先进的Java开发技术设计了信息发布系统，可以对Web服务器中的数据进行精确的分类输出，直观的显示在监控屏幕上。

2.3 监控工作站

监控工作站的作用是实现用户在监控系统中的登录，并对用户权限进行管理。不同权限的人员进入无人值守监控系统后，显示的画面和能够查询的数据存在一定差异。通过监控工作站可以对井下变电所的运行状态数据信息及其周围的瓦斯浓度、温度、湿度等环境信息进行实时调取。一旦监控系统检测发现变电所存在安全隐患，即会通过监控工作站发出警告。另外，管理人员可以通过监控工作站向井下监控终端发出控制指令。

3 井下监控分站设计

图3所示为井下监控分站及测控单元的框架结构图。井下监控分站的主要作用是对数据进行传输。一方面将测控单元采集得到的数据信息传输到井上监控主站，同时井上监控主站下达的控制指令也要通过监控分站传输到测控单元中。测控单元和监控分站之间通过双绞线和RS485实现数据信息的交互，监控分站与工业以太环网交换机之间通过RS485实现数据信息的交互。测控单元可以划分成为两大类，第一类主要是对变电所内部的用电情况进行实时监测，确保变电所的运行安全；第二类主要是对变电所周围的环境参数，如瓦斯、温湿度、烟雾等进行监测，确保变电所的环境安全。

图3 井下监控分站及测控单元的框架结构

4 实践应用

将设计的煤矿井下变电所无人值守监控系统应用到煤矿工程实践中，经过连续一年时间的观察，其运行效果良好，为煤矿企业创造了良好的经济效益和社会效益。

(1) 不需要再专门安排人员在井下变电所值班，通过监控系统即可实时掌握井下变电所及其周围的基本情况。只需要在监控系统发出警报后，安排人员对出现问题的区域进行检修即可，人员利用科学。

(2) 变电所无人值守后，降低了由于人为失误导致的各种故障问题，杜绝了值班人员私下调班埋下的安全隐患，安全效益显著。通过监控系统可以实时监控并检查变电所中出现的各种故障问题，准确定位故障位置，极大缩短了变电所故障导致的停电时间。

(3) 无人值守监控系统采集的数据信息全部会存储到数据库中，以便后续进行调取分析，提升了数据的利用率。为后续利用大数据技术进行分析奠定了良好的基础。

(4) 文中所述的煤矿企业中，通过使用无人值守监控系统，井下变电所可以减少4名值班人员。每名工作人员的支出按每月6000元计算，则每年可以为煤矿企业节省28.8万元。产生的其他经济效益更是难以估量。