煤矿井下变电站无人巡检技术的研究应用

董 俊

（霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西 河津 043302）

煤矿井下变电站是井下供电系统的核心，其运行的稳定性直接影响到井下各用电设备的运行状态，由于井下巷道交错、纵深较大，因此变电站在井下的分布呈现显著的分散性特点。 为了提高供电的稳定性，各煤矿生产企业均设置了专门的巡视组，用于日常对井下供电站的巡视和供电调控，但该方案的工作效率极其低下，主要依赖于巡查人员的技术水平和责任心。 随着井下供电安全性需求的不断提高，人工巡检的模式已经不能很好地满足供电需求，给井下的用电安全带来了较大的隐患。

结合井下供电安全的发展趋势，本文提出了一种新的井下变电站无人巡检技术，首先建立变电站集中控制系统，实现对变电站运行的数据采集、集中分析和控制，及时对运行故障进行报警和自动处理，提高运行的安全性。 同时针对矿井配电所内设置视频监控所存在的盲区大、 监控结果依赖人工分析效率低、精确度差的不足，开发了自动巡检机器人，实现了对井下变电所设备运行情况的自动巡检和监控。

1 无人运行控制系统

为了满足对井下变电站运行状态自动监控和调整的需求，提出了一种无人运行控制系统，该系统主要包括集中控制模块和受控子站点数据采集模块两个部分[1]，该系统中集控主站设置在地面控制中心，受控子站则分布在井下各变电站处，该无人运行控制系统的整体结构如图1 所示。

图1 无人运行控制系统整体结构

由图1 可知，在集控主站中主要包括了数据服务器、总操作站、视频监控主机、视频传输模块等，主要用于接收受控子站监测模块的数据信息，并对信息进行分析，确定各变电站单元的实际运行状态。 当监测到异常发生时，第一时间发出报警并进行故障的定位和分析，便于监控人员能快速掌握异常情况，提高系统的运行安全性。

受控子站内主要包括了测控保护装置、 防误闭锁装置及视频传输模块，主要对监控范围内的分站进行数据采集，然后将数据通过高速光纤通道传输给集控主站。 为了提高系统的稳定性，在受控子站系统内采用了分布式的控制结构，以多个数据处理CPU为核心，以主从工作模式为基础，每个微控计算机均采用独立的CPU控制，负责接受主机的控制指令，并将数据采集结果返回到主机内进行集成。

多个微处理器协同工作的模式能够显著提升系统的运算速度和抗干扰性，能够大幅度地提升系统的运行稳定性和可靠性。

2 测控保护装置

测控保护装置是集保护、测量、控制、监测、通讯、事件记录、故障录播、操作防误等多种功能于一体，可以和综合操作系统配合完成电站控制、保护、防误闭锁功能，主要分布在井下受控子站的保护电路上。 为了提高测控保护装置的应用可靠性，在测控保护装置内设置了高精度的时钟模块，能够连续显示系统工作时的时间，一旦系统出现故障则能够及时记录故障发生的位置和时间；经过多次实际验证，测控保护系统内时钟的钟芯可选择DS1302 型，其外部工作时的直流电压为3.4～5.0 V，计时精度为0.01 ms，可满足井下高强度工作时计时的精确性需求。

为了满足测控保护装置的测控需求，根据井下变电站的工作情况，设置了一套新的测控保护控制程序，系统上电后自动对微机控制装置进行电路情况自检，若系统出现异常则软件进行重启，若系统运行正常则开始进行正常的数据采集和发送，该测控保护装置的控制逻辑如图2 所示[2]。

图2 软件测控保护逻辑

3 防误闭锁控制

防误闭锁控制系统主要是对系统发出的调控指令进行核对，避免发出的指令导致电气故障，当系统判定指令有误时则会对指令进行隔离，确保供电系统的运行安全性。

系统工作时，在防误闭锁控制装置内设置有安全密钥，只有正确的密钥编码才能解锁防误闭锁控制装置，实现系统的正常通信。 防误闭锁控制装置和系统的集控主站通过光纤进行数据通信，每次集控主站发出的控制指令传输给防误闭锁控制系统后，系统对指令密码进行解锁和匹配，只有完成数据匹配后才能进一步传递控制指令，确保在控制过程中调节指令的安全性，提高电网系统的运行可靠性，该防误闭锁控制系统的控制逻辑如图3 所示。

图3 防误闭锁控制系统逻辑

4 变电站机器人自动巡检系统

传统的控制模式中，在变电站内设置有视频监控装置，对各设备的运行状态进行监控。 但由于视频监控存在较大的盲区，而且需要控制人员实时的监测其运行情况，因而存在着较大的不足。 为了解决传统视频监控所存在的不足[3]，本文提出了一种新的变电站机器人自动巡检系统。 该系统主要包括了机器人巡检轨道、 地面工作站、 供电系统、通信系统等，以模块化设计为核心，能够根据井下变电站的不同情况灵活地组合，提升了自动巡检系统的工作稳定性和可靠性，该自动巡检系统的整体结构如图4 所示。

图4 机器人自动巡检系统结构

行走轨道是机器人进行自动巡检时的动作基础，需要保证行走轨道的平整性和可靠性。 为了降低制造成本，行走轨道采用了H型钢轨道，在轨道旁边设置了电缆线槽，用于设置充电桩，满足巡检机器人长距离巡检时的自动充电需求。 在轨道的端部和末端，设置了限位磁铁，用于满足对机器人的限位需求。

为了满足在井下复杂环境下监控准确性的需求，在行走机器人上设置了高清防爆摄像头、红外线热成像装置、全角度摄像头等，以满足不同工况下的精确监控需求[4]。机器人的行走装置主要包括电源模块、驱动电机、行走编码器三个部分。 电源模块主要是为机器人的驱动电机和监控系统供电，驱动电机主要用于驱动机器人的运行和视频监控装置的旋转，行走编码器的主要作用是对机器人在井下的位置进行精确监控和记录。

该变电站自动巡检机器人的整体结构如图5所示[5]。

图5 自动巡检机器人结构

5 应用效果

该自动巡检系统目前已经在腾晖煤业有限公司投入使用，能够自主对井下变电站的运行情况进行实时监测和控制，统计了从2021年2月到2021年7月间的数据，井下变电站的运行故障下降了89.4%，同时由于采用了自动巡检机器人系统，将井下的巡检人员减少了3 人，每年节约人工成本约24 万元，初步实现了井下变电站的无人化值守作业，提升了井下的供电安全性。

6 结论

针对煤矿井下变电站采用人工值守、 人工巡检模式所存在的巡检效率低、可靠性差的不足，提出了一种新的煤矿井下变电站无人巡检技术，通过集中控制和机器人自动巡检，初步实现了井下变电站的“无人化”值守作业，根据实际应用表明：

1）无人巡检控制系统，主要包括集中控制模块和受控子站点数据采集模块两个部分，控制逻辑通过采用多个微处理器协同工作的模式，显著提升了系统的运算速度和抗干扰性。

2）防误闭锁控制系统主要是对系统发出的调控指令进行核对，当指令有误时自动对指令进行隔离，从而有效保证井下变电站的运行安全。

3）变电站机器人自动巡检系统，该系统采用了模块化的控制模式，提升了自动巡检系统的工作稳定性和可靠性。

4）该系统能够将井下变电站运行故障降低89.4%，减员3 人，初步实现了井下变电站的无人化值守作业。