煤矿变电站智能监控系统设计与实现

王 磊

（山西焦煤集团有限责任公司 东曲煤矿，山西 古交 030200）

煤矿智能化建设进程逐渐推进过程中，煤矿供电组网规模不断扩大、负荷不断增加、设备用电量不断增大。煤矿井下恶劣用电环境对用电设备的寿命、使用情况会产生严重危害。因此，对煤矿变电站进行智能监测具有重要意义。一般煤矿变电站维护人员采用井下巡游环视模式记录变电站各个仪表数据，通过电话或者短信方式向井上调度人员通报变电站设备运行状态，这种方式存在耗时耗力、危险系数大、工作强度大以及不确认因素多的问题[1-2]。针对上述问题，基于通信技术、控制器技术对煤矿变电站数据进行自主采集、测量、控制、保护和监测，并通过神经网络技术、系统专家技术进行在线决策，实现煤矿变电站监测系统的智能化，保障煤矿变电站安全、稳定、高效运行。

1 总体设计

煤矿变电站智能监控系统需满足的基本要求包括：①实时性。能够实时监测变电站设备的状态信息，满足传输速度快、低延时的要求。②速度快。能够快速处理大信息量的变电站设备故障信息，满足处理故障信息速度快的要求。③预警性。能够根据采集的设备信息分析设备的实时运行状态，具备预警报告能力。④友好性。能够支持多种通信接口，使得系统易操作且易扩展。因此，煤矿变电站智能监控系统的总体设计结构如图1 所示，为过程层、间隔层以及站控层三层结构。

图1 煤矿变电站智能监控系统的总体设计结构

1）过程层。采集变电站设备的A/D 信号、传输变电站设备的开关量以及动作指令，实现对全站设备的监测。该层包含的设备有合并单元、智能终端、电流/电压互感器等[3]。该层网络由SV 和GOOSE组成。

2）间隔层。对采集到的变电站设备信息进行合并，并组成站控层可解析的报文，同时传递站控层指令。该层包含的设备由保护装置、测控装置、故障滤波装置、网络分析仪以及电能计量仪等。

3）站控层。综合周期性采集变电站全站数据信息并转存至历史信息库，实现站域控制、智能警告、SCDAD 监控以及五防闭锁功能。当接收到变电站调度中心指令时，可传递并执行调度命令。该层包含的设备有监控主机、监控服务器、监控工作站、路由器等。该层网络由MMS 和GOOSE 组成。

2 硬件设计

煤矿变电站智能监控系统的关键硬件设备包括控制器、综合保护装置、交换机、智能LED 以及互感器等。

1）控制器。采用DSP+FPAG 架构实现。DSP 控制器用于控制监控系统中的控制指令的传输、GOOSE 报文、SV 报文、MME 报文的传输与解析以及外部执行结构的动作控制等。其具体型号为TI的176 引脚LQFP 四边形封装的TMS320C28335，主频为150 MHz，指令周期为6.67 ns，采用高性能静态CMO 技术，支持6 通道DMA 控制、8 个外部中断、3 个32 位定时器、16 个12 位A/D 转换器、88 个可编程复用GPIO 引脚，满足煤矿变电站智能监控系统控制要求。FPAG 控制器用于固化煤矿变电站监控系统的故障预测算法，包括卡尔曼滤波算法、双策略灰狼优化算法等。其具体型号为Xilinx Artix®-7 系列的FPA A7[4-5]，采用28 nm 设计架构，低功耗、低成本且满足本方案实时性强、处理速度要求高的设计要求。

2）综合保护装置。选用江苏域网的CW301 数字式线路保护测控装置，支持三段电压闭锁方向过流保护、反时限过流保护、过流后加速保护、三段零序过流保护、三相一次重合闸、低频减载、过负荷保护等；支持11 路遥信信号采集、故障录波、开关遥控跳闸合闸、遥测量三相电压/三相电流/频率/功率因素等功能。

3）交换机。选用济南华科的矿用隔爆兼本安型网络交换机KJJ127，支持以太网千兆、以太网百兆光信号接口，可根据需求定制；采用全双工TCP/IP传输协议，传输速率可达1 000 Mbps；采用独特密封式设计结构，承压强度高、密封性能可靠，适用AC127、660 V 电压；采用独立断电闭锁开关，安全性好。

4）互感器。选用乐清冷氏的电子式矿用电压、电流互感器，用于将变电站的模拟信号转换为数字信号并输入至DSP 控制器，实现变电站系统采集数据网络化。

3 软件设计

根据煤矿变电站智能监控系统总体设计结构，基于Altova XMLspy 软件平台，建立IEC61850规约下的智能监控系统软件[6]，采用SCL 编程语言实现，软件结构如图2 所示。

图2 煤矿变电站智能监控系统软件结构

1）监控数据采集模块

需采集的信号变电站设备模拟量，如设备电压、电流、功率等信号；设备开关量，如设备开关、刀闸、输入输出等信号；设备脉冲量，如不连续的突变电压与电流信号等。监控数据采集模块通过电流/ 电压互感器将高压交流信号转换为低电压等级交流信号，再经A/D 转换装置转换为数字信号，输入至控制器，完成数据采集过程。

2）监控数据处理模块

需完成变电站设备监测报文的接收、解析、管理、计算、压缩、存储以及上传等功能。如GOOSE报文、SV 报文、MME 报文之间的解析与转换以及数据远程传输。基于接收到的数据，进行变电站设备状态评价。变电站设备状态评价结果分为正常、异常、警告、故障四级，分别用不同颜色标识，提示运维人员按需检修。

3）监控数据应用模块

需完成变电站监控系统的人机接口功能，如设计并实现系统主界面、历史数据记录界面、故障录波界面、GOOSE/SV/MME 报文在线分析界面、设备运行状态界面等，方便运维人员及时掌握变电站设备实际运行情况。

4 应用分析

设计并实现的煤矿变电站智能监控系统在山西焦煤集团东曲煤矿进行为期6 个月的工业试验，以验证该监控系统的可用性和适用性。工业试验期间，根据现场工作人员反馈，实际应用效果良好。通过该监控系统，工作人员可实时掌握变电站设备运行状态，及时发现安全隐患以及故障，缩短故障处理时间。同时可查看或者回溯变电站设备的历史数据曲线、历史报表以及历史故障记录等。应用该智能控制系统后变电站运维人数由6 人减少至2 人，故障率降低了14%，单次故障处理时间缩短为2.2 min/ 次，为煤矿连续、高效开采提供有力保障。

5 结论

以煤矿变电站监控系统为研究对象，采用分层结构设计架构，基于DSP+FPAG 技术、通信技术，详细分析了变电站监控系统的硬件、软件设计方案并完成了应用分析，得出以下2 点结论：

1）完成了煤矿变电站智能监控系统的总体设计、硬件设计以及软件设计，完成应用分析。结果表明，该智能监控系统满足煤矿变电站设计要求，能够适应变电站设备运行环境复杂、运行要求高的特点。

2）有效提升了煤矿变电站监控系统的智能化水平，达到了少人巡视、无人值守、安全、高效运行的目的。