煤矿井下变电所无人值守控制系统研究

＊尹 兵

（山西焦煤西山煤电西铭矿 山西 030052）

煤矿供电设计工作在计算机技术的广泛应用下，逐渐向信息化、智能化、集成化方向发展，传统的煤矿供电系统因其操作复杂繁琐、效率低下而无法满足生产需要。井下变电所无人值守控制系统在先进的软件和硬件设备的基础上，通过采集、传输数据的技术，提高了煤矿的工作效率，成为煤矿企业的发展方向。同时煤矿井下供电系统是维持井下掘进、运载、通风等各类电气设备运行的重要支撑，其运行安全性及稳定性是煤矿安全、高效生产的重要保障。受井下复杂恶劣的工作环境如粉尘量大、地形狭小复杂、有害气体多、设备移动频繁等因素影响，煤矿供配电系统时常会产生剧烈的负荷波动、无计划停电、越级跳闸等故障，且故障仅凭人工无法实现精确定位，处理十分困难，从而导致高低压开关、电缆、局扇等主要供电设备发生故障或损坏，极易造成瓦斯、煤尘爆炸等重大事故。因此通过现代化供电监控系统保证井下的可靠供电对于煤矿安全生产至关重要[1-3]。

1.系统总体方案设计

(1)矿井供电系统

矿井地面变电所与各类负荷连接的枢纽为井下中央变电所，由矿井地面变电所向井下中央变电所输送高压电能，一部分电能直接用于为高压负荷供电（如高压水泵)；一部分经过井下中央变电所降压后，供给附近的低压负荷；一部分直接用于为高压负荷供电（如高压水泵)；一部分通过高压电缆输送至各采区变电所，再进行变压和传输。

图1 煤矿井下供电流程

(2)功能模块设计

该井下变电所无人值守监控系统主要由井下运行状态信号监控模块、井下数据传输系统和地面监控模块组成，如图2所示。

图2 井下变电所无人值守系统模块

井下运行状态信号监控模块用于采集各类监测信号，井下数据传输系统将监测到的信号进行传输，同时运用多线程并行处理技术及其抗电磁干扰能力强、数据传输速度快的优点，既满足了井下高电磁环境下数据传输的准确性、井下数据传输与控制信号传输的双向安全性，又保证了各种监测信号的快速传输。

地面监测模块是系统的终端，井下数据传输系统传输的各种监测信号以指定的形式在监测中心的显示屏上。当系统判断监控信号异常时，系统自动报警并开始调整。监控中心的控制器可以通过地面的控制终端远程监控、故障排除和调整井下变电所的运行。

为了实现对煤矿电力系统及二次继保的远程整定计算及供电设备综合管理功能，系统上位机搭载了各类计算模型及数据库，用于各类电网及故障参数计算订正，并通过可实时编辑添加的设备库实现电气设备的选型与校验，具体可划分为供电设计模块、电气设备参数库管理模块、机电设备符号库管理模块及绘图模块4大部分，如图3所示。

图3 系统功能模块设计示意图

2.硬件方案设计

传统的煤矿井下变电所配电系统无法实现断路器分合闸状态信号采集、信号上传和分合闸操作远程控制等功能。为了实现无人值守低压系统，需要增加具有通信功能、数字量输入输出功能、模拟量输入输出功能的智能设备。可采集柜内断路器分合闸状态、低压柜内电压或电流信号，采集柜内断路器、接触器等电路元件的分合状态，将采集到的信息上传到上位机，下发上位机指令，控制配电柜中断路器、接触器等主要电路元件的开、合。

矿用隔爆本质安全永磁真空组合馈电开关的结构为壳体式整体结构，采用一般隔爆模式和隔离隔爆模式。该设备的核心部件有CPS模块化断路器、馈电开关核心部件集成断路器总成、工控面板总成和电源箱总成3部分。设备中的各个配件可以相互共用。当故障发生需要维修时，只需要对CPS断路器进行维修，情况严重时也只需更换CPS断路器即可。彩屏上显示断路器当前的开闭状态，这些断路器的进、出位置均由高精度电动底车控制，并具有隔离开关的功能。方形外壳组合成的隔爆馈电产品分为总馈、接线腔两个独立腔体，每个主体腔体均为独立隔爆腔体，腔体具有安全可靠的机电锁，由断路器控制高精度电动小车的进出，不仅实现了隔离开关功能，还保证了其安全，不影响其他电路的正常工作。

每个馈电回路应用模块化CPS断路器，即一体化模块布局设计。断路器是高度集成的驱动单元，能够实现1140V/660V照明电路星角自动转换、电压自动检测、自动开关功能，各支路PLC数据采用RS-485与显示屏通信，显示屏可实时显示传输系统电压，工作人员可通过观察负载侧三相电压变化、三相真空管腔和触点温度监测显示，及时发现真空管粘连、漏气、断相现象，并掌握馈电开关操作温升。

具有独立电源的5寸彩色液晶显示屏上可以实时显示开关状态、设备类型、电压、电流、电阻值、有功功率、无功功率、功率因数以及过流、短路整定值等参数，同时具有完善的自诊断功能。通过下拉菜单可以实现参数的设置和修改，设置时可以直接输入数字。操作人员查询信息或设定参数时，可以通过门套上的关闭、开启、急停、短试、漏试、复位、上下选择和电动汽车出入控制按钮来进行操作，实现人机对话。

井下电力监控分站是实现井下供电设备运行数据上传及上位机、监控主站各项指令下达执行的重要设备，本系统选用KXB-110型电力监测分站与井下各类保护装置进行交互，同时与地面调空中心进行数据上传及指令执行。KXB-110监控分站由通讯管理机、光纤交换机、人机交互屏及UPS不间断电源组成，其中通讯管理机所用的通讯计算机型号为DA600，其内部具有8路串口及1路10M/100M以太网口，可完成与井下各类保护设备的通讯。光纤交换机选用型号为EDS-510A，其内部具备6口100/1000BaseT(X)，采用Turbo Chain冗余环网，有效提高了网络可靠性。UPS后备电源可在停电后持续提供长达3h的电能，可完全满足本系统数据交互及可靠性需求。

系统采用高性能保护进行实时监控和保护，当发生短路、过载、分相、过压、欠压、三相对称漏电等故障时，开关能自动有选择地速动切断故障线路，并实现闭锁，只有排除故障后再进行人工手动复位，才能恢复供电。该系统还具有漏电锁保护功能，可以模拟漏电和短路试验。该保护还具有风电瓦斯闭锁和绝缘电阻值显示功能。

MODBUS-RTU协议提供远程通信，配有相应的通信接口，可实时上传参数、事件、故障等信息。同时，无需安全隔离装置即可直接接入监控网，这种方式有利于联网集中控制，以及与地下电网综合自动化系统进行连接。

3.软件方案设计及应用

机电设备实体的空间地理位置关系、供电实体的逻辑关系，分别由煤矿机电设备布置图和供电系统图进行表达。煤矿机电设备布置图生成供电系统图从而实现了2种关系的自动转换。

（1）确定保存供电系统图图形文件的路径。（2）将煤矿机电设备布置图中机电设备、电缆实体的索引、图层索引及图层信息分别保存在3个数组中。（3）根据3个数组中的数据，创建新图形文档文件，加载已保存的图层信息并创建图层和修改图层索引。（4）读取保存的实体索引并判断实体类型，若为机电设备实体，则改变机电设备布置图图例为电动机图例，设置相连的电缆的捕捉点索引，然后绘制机电设备图例，最后写入图形文档；若为电缆实体，则计算正交模式下的电缆中间形状点的坐标，绘制电缆并修改电缆标注的显示状态，最后写入图形文档。（5）读取写入图形文档后的供电系统图，基于供电网络遍历算法模型修改机电设备实体坐标位置，形成一个具有层次感且条理清晰的供电系统图，保存最终的供电系统图。流程如图4所示。

图4 生成供电系统图的流程图

目前，煤矿已建成地下光纤工业以太网环网，井下主变电所设有环网开关和2台KJ736-F矿用隔爆兼内部安全型电力监控分站。矿井隔爆本安电力监控分站、低压系统多功能智能仪表、配电柜微型计算机综合保护装置和远程智能I/O模块均由RS485总线进行连接。现场数据由井下作业状态信号监控模块进行采集，通过地下光纤工业以太网环网传输到地面控制室。

传统变电站至少需要安排7名专业监测人员才能满足对变电站安全稳定运行的监测要求，应用该系统后，井下只需配备3-4支应急队伍，保证了供电安全，故障定位和处理速度也得到提高，实现了真正意义上的井下无人值守。

系统的电气设备参数库及机电设备符号库2类数据库基于SQL2000数据库管理系统进行设计，当系统执行相应指令时，上位机据此打开对应数据库并进行预设及修改，当生成有效修改命令后将修改后的参数存储至相应数据库完成操作，数据库管理系统流程如图5所示。

图5 数据库管理系统流程图

运行后，系统可以实时监控变电站的实际运行，分析异常数据和自动定位故障发生的原因，然后显示故障的原因和处理计划，并启动故障诊断的功能，大大地提高了可靠性。监控中心只需1名工作人员通过观察显示屏幕来对各类供电数据和供电系统运行状态进行监控。

4.展望

随着更为先进的通讯技术及网络技术在煤矿供配电系统中的应用，煤矿供配电及配套监控系统将进一步实现设计及监控平台的在线化及公共化，通过B/S网络模式用户可实现煤矿供配电的网上在线设计。其次以3D技术为基础的三维可视化供电设计平台也是未来煤矿供配电系统的一大发展趋势，通过三维化的供电设计使得系统直观性更强，人机交互功能更为强大，发展前景十分可观。

5.结束语

煤矿无人值守变电站控制系统的设计基于模块化的功能设计，运用先进的计算机技术、通信技术以及信号处理技术，实现了对变电站运行状态信号的实时监控，能够自动判断运行情况。当发生故障时，不仅可以自动提示故障原因，还可以根据实际情况提出解决方案，大大提高了安全指标、工作效率以及供电连续性水平，使变电站的工作自动化、智能化，实现了真正意义上的无人值守。