監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)

方崇全

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037）

煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)是用來監(jiān)測電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、溫度、電網(wǎng)絕緣電阻、保護接地電阻、饋電開關狀態(tài)、越級跳閘斷電等，并實行漏電保護、饋電開關閉鎖控制、地面遠程控制等的系統(tǒng)[1]。目前，國內的大中型煤礦基本建設了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)井下變電所的無人值守，對減少井下作業(yè)人員，提高生產效率發(fā)揮了積極作用[2-4]，很多相關文獻介紹了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的設計[5-8]，煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)一般包括：地面集控中心、通信傳輸網(wǎng)絡、井下變電所的監(jiān)控分站及高低壓配電裝置內的電力綜合保護器。現(xiàn)行的MT/T 1114—2011 煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)通用技術條件[1]行業(yè)標準要求地面集控中心具備雙機切換功能，從工作主機故障到備用主機投入正常工作時間應不大于5 min，煤礦井下的傳輸網(wǎng)絡采用冗余工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，網(wǎng)絡中斷時能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡重構[9]，自愈時間一般小于100 ms，這些冗余措施提升了系統(tǒng)的可靠性。文獻[10]提到一種煤礦供電綜合自動化系統(tǒng)容錯技術，主要從RS485 通信多次輪詢及軟件看門狗方面實現(xiàn)容錯。目前的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)在井下變電所一般只設置1 臺監(jiān)控分站用于與高低壓配電裝置內的電力綜合保護器通信，當監(jiān)控分站掉電、備用電池失效、嵌入式軟件異常時會導致供電系統(tǒng)遠程監(jiān)控失效，因此有必要設計一種監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，當其中1 臺監(jiān)控分站異常時自動切換至另外1 臺監(jiān)控分站運行，進一步提高系統(tǒng)可靠性，因高低壓配電裝置內部的電力綜合保護器沒有實現(xiàn)冗余，2 臺監(jiān)控分站同時接入電力綜合保護器的RS485 通信總線，需要解決總線通信競爭的問題，同時需要設計監(jiān)控分站的雙機熱備軟件。為此,從冗余監(jiān)控分站與高低壓配電裝置之間RS485 總線硬件互鎖、監(jiān)控分站熱備軟件等方面進行設計，進一步提高了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性。

1 監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)

為了滿足煤礦井下變電所無人值守的需要，提高煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，設計了一種監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機及監(jiān)控軟件、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺、監(jiān)控分站、高低壓配電裝置等組成，煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖如圖1。

圖1 煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of coal mine power supply monitoring system

其中地面集控中心設置2 套上位機及監(jiān)控軟件互為熱備，其中1 套故障時，另外1 套可在5 min 內切換并投入運行；傳輸平臺為千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)交換機之間采用光纖互聯(lián)，環(huán)網(wǎng)故障時可以實現(xiàn)網(wǎng)絡重構；井下變電所高壓開關設置2 臺監(jiān)控分站互為熱備，低壓開關也設置2 臺監(jiān)控分站互為熱備，其中1 臺監(jiān)控分站掉電或者故障時，另外1 臺監(jiān)控分站可在30 s 內投入運行，監(jiān)控分站與高低壓配電裝置內的電力綜合保護器之間采用RS485 總線通信。系統(tǒng)從遠程操控、傳輸、數(shù)據(jù)采集均實現(xiàn)冗余配置，進一步保障了供電監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

2 監(jiān)控分站硬件冗余

監(jiān)控分站采用嵌入式ARM 處理器作為控制核心，每臺監(jiān)控分站設計2 路以太網(wǎng)接口，至少1 路RS485 總線通信接口，為加快監(jiān)控分站對高低壓配電裝置的巡檢周期，可設計多路RS485 總線通信接口分組輪詢。其中1 路以太網(wǎng)接口作為與上位機的通信接口，接入環(huán)網(wǎng)交換機，另1 路以太網(wǎng)接口作為與冗余監(jiān)控分站之間的心跳維持通信接口，與另外1 臺監(jiān)控分站通信。

目前井下高低壓配電裝置內的電力綜合保護器均提供RS485 總線通信接口，監(jiān)控分站采用RS485總線通信輪詢電力綜合保護器，2 臺冗余的監(jiān)控分站同時接入RS485 總線會產生總線沖突，所以需設計RS485 總線通信硬件閉鎖切換電路，以保證RS485 總線上只有1 臺監(jiān)控分站處于輪詢狀態(tài)，設計的監(jiān)控分站RS485 總線通信接口硬件互鎖電路如圖2。

圖2 監(jiān)控分站RS485 總線通信硬件互鎖電路Fig.2 RS485 bus communication hardware interlock circuit of monitoring substation

監(jiān)控分站RS485 總線經過總線切換繼電器的常開觸點后連接到高低壓配電裝置內的電力綜合保護器。總線切換繼電器僅受監(jiān)控分站內部硬件看門狗驅動控制，監(jiān)控分站的微處理器在程序的控制下定時輸出喂狗脈沖，防止看門狗溢出，并持續(xù)輸出高電平控制RS485 總線切換繼電器的常開觸點閉合，從而接通監(jiān)控分站和電力綜合保護器的RS485 總線通信。當監(jiān)控分站異常宕機停止工作時，喂狗脈沖消失，繼電器常開觸點自動斷開，從而切斷監(jiān)控分站與電力綜合保護器之間的RS485 總線通信。

3 監(jiān)控分站熱備軟件

監(jiān)控分站的應用軟件運行于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)上，采用C 語言開發(fā)、模塊化方式設計，主要包括：人機交互、網(wǎng)絡通信、串行通信、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲、切換邏輯等模塊。監(jiān)控分站嵌入式軟件模塊圖如圖3。

圖3 監(jiān)控分站嵌入式軟件模塊圖Fig.3 Embedded software module diagram of monitoring substation

人機交互模塊完成紅外遙控按鍵的輸入采集，液晶界面顯示等功能，實現(xiàn)各種參數(shù)的設置、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)顯示等功能。

網(wǎng)絡通信模塊包括遠程通信和心跳維護2 個子模塊。其中遠程通信模塊負責監(jiān)控分站和上位機監(jiān)控軟件之間的數(shù)據(jù)交互，完成遙測、遙信、遙控、遙調的處理過程；心跳維護模塊用于和備用監(jiān)控分站之間的通信，根據(jù)心跳維護和應答命令信息控制切換邏輯模塊。

串行通信模塊完成和高低壓配電裝置內的電力綜合保護器的RS485 總線通信功能。根據(jù)操作人員配置的通信協(xié)議類型采用輪詢的方式發(fā)送相應的數(shù)據(jù)讀取命令，接收電力綜合保護器返回的報文數(shù)據(jù)，將接收的報文提交給協(xié)議解析模塊分析出需要的各種數(shù)據(jù)和命令，同時串行通信模塊接收上位機監(jiān)控軟件下發(fā)的控制指令，傳輸給電力綜合保護器，實現(xiàn)對高低壓配電裝置的遠程操控。

協(xié)議解析模塊根據(jù)不同電力綜合保護器的協(xié)議類型調用相應的解析函數(shù)，對串行通信模塊提交的報文進行分析，得出各種電力參數(shù)后提交給數(shù)據(jù)存儲模塊。

數(shù)據(jù)存儲模塊開辟1 段內存生成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，保存各種臨時數(shù)據(jù)，以此提高數(shù)據(jù)的存取速度。數(shù)據(jù)存儲格式設計了模擬量、開關量、和字符串3 種類型，其中各種狀態(tài)參數(shù)按照開關量來存取，而事件記錄或SOE 則以字符串方式存取。

切換邏輯模塊是監(jiān)控分站熱備軟件的核心，包含主機邏輯和備機邏輯2 種。主機邏輯按照定時間隔主動通過網(wǎng)絡接口給備機發(fā)送心跳命令A，備機接收到心跳命令A 之后在規(guī)定的時間內發(fā)送應答命令B 給主機，同時主機定時輸出RS485 總線通信喂狗脈沖，使主機的RS485 總線通信和電力綜合保護器之間保持通信連接。備機邏輯則時刻監(jiān)視主機的連接和命令，當接收到主機的心跳命令A 之后發(fā)送應答命令B 給主機并清零軟件定時器，同時備機閉鎖RS485 總線通信喂狗脈沖的輸出，切斷備機和電力綜合保護器的RS485 總線通信連接。當備機的軟件定時器溢出之后還未接收到主機的心跳命令A時，則判斷主機工作異常，備機恢復輸出RS485 總線通信喂狗脈沖，接通備機RS485 總線通信和電力綜合保護器之間的連接，從而使備機投入工作。如果主機恢復正常之后，根據(jù)以上邏輯，主機將接管與電力綜合保護器的通信，使主機投入運行，備機切換為備用狀態(tài)。

4 現(xiàn)場應用情況

為驗證所設計的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的實用性和可靠性，2019 年12 月，該系統(tǒng)開始在山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司賀西煤礦進行工業(yè)性實驗，在賀西煤礦井下9 個變電所共安裝36 臺KJJ660 礦用供電監(jiān)控分站，每個變電所安裝2 臺監(jiān)控分站互為熱備用于與高壓開關通信，另外2 臺監(jiān)控分站互為熱備用于與低壓開關通信。正常情況下，其中1 臺監(jiān)控分站采集電力綜保數(shù)據(jù)并與上位機通信，2 臺監(jiān)控分站之間通過光纖通信維持心跳包，當其中1 臺監(jiān)控分站出現(xiàn)異常而不能維持心跳時，另外1 臺正常的監(jiān)控分站在30 s 內接管與電力綜保的總線通信，同時將相關異常傳輸至上位機顯示并報警，監(jiān)控分站互為熱備提高了煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

5 結 語

1）監(jiān)控分站冗余的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的2 臺監(jiān)控分站競爭與電力綜合保護器的RS485 通信總線可采用看門狗加繼電器切換的方式，從物理上實現(xiàn)總線隔離。

2）監(jiān)控分站嵌入式熱備軟件在嵌入式Linux 系統(tǒng)上采用多任務方式設計，現(xiàn)場應用表明，其中1 臺監(jiān)控分站異常時，另外1 臺監(jiān)控分站能在30 s 內自動投入運行。