煤礦井下無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴萬(wàn)波

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引 言

煤礦井下變電所的安全穩(wěn)定運(yùn)行是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。目前變電所普遍采用人工值守的管理方式，然而井下環(huán)境復(fù)雜，負(fù)荷種類多且相對(duì)分散，漏電和越級(jí)跳閘等故障時(shí)常發(fā)生，這給檢修人員在故障排查處理時(shí)帶來(lái)極大困難。隨著智慧礦山建設(shè)的不斷推進(jìn)及減員增效宗旨的深入人心，建成更安全、更智能和更高效的無(wú)人值守變電所勢(shì)在必行。

為此，本文以ARM處理器內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)搭建井下智能監(jiān)控分站的硬件平臺(tái)，以工業(yè)環(huán)網(wǎng)和CAN/RS485總線作為系統(tǒng)的傳輸結(jié)構(gòu)，融合電力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、門禁管理、語(yǔ)音播報(bào)、Web瀏覽和短信推送等多種技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)、診斷和管理于一體的無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)能有效減少供電事故的發(fā)送，提升變電所管理的效率，減少人員的投入，對(duì)提升煤礦供電的安全性、智能性與經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，符合無(wú)人、安全和智能的智慧礦山建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)。

1 無(wú)人值守系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為四個(gè)組成部分，即地面監(jiān)控平臺(tái)、井下監(jiān)控分站、智能綜保和聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)。

無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

智能綜保安裝于井下防爆開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，集保護(hù)與測(cè)控功能于一體，分為高壓開(kāi)關(guān)綜保、低壓饋電綜保和低壓照明綜保。高壓開(kāi)關(guān)綜保帶防越級(jí)跳閘功能，通過(guò)以太網(wǎng)接入井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，低壓饋電和低壓照明綜保通過(guò)485總線接入井下監(jiān)控分站，分站完成地面監(jiān)控平臺(tái)與綜保裝置間的協(xié)議、規(guī)約和通信方式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電線路、高低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的監(jiān)控與保護(hù)。

監(jiān)控分站通過(guò)CAN總線采集環(huán)境參數(shù)傳感器的數(shù)據(jù)及控制語(yǔ)音聲光報(bào)警器[2]，通過(guò)3路485總線采集低壓饋電、照明綜保及電源箱數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)口接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)讀取高壓開(kāi)關(guān)綜保數(shù)據(jù)及與地面監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)通信。分站及井下交換機(jī)均由鋰離子電源箱供電，外部交流電源中斷后，電池持續(xù)工作時(shí)間不少于4 h。

門禁子系統(tǒng)和視頻子系統(tǒng)通過(guò)井下交換機(jī)接入環(huán)網(wǎng)，與地面監(jiān)控平臺(tái)通信。

地面監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)環(huán)網(wǎng)與井下設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)五遙功能(遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控、遙視)、子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)動(dòng)、事故告警及統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)Web服務(wù)器和短信模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)瀏覽與短信推送[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控分站設(shè)計(jì)、智能綜合保護(hù)器設(shè)計(jì)以及聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站為本安型，采用模塊化設(shè)計(jì)，由控制板和通信管理機(jī)組成，是承接地面監(jiān)控平臺(tái)和井下各設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信橋梁及控制核心，監(jiān)控分站的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控分站的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

控制板采集環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷、充放電試驗(yàn)及液晶顯示，通信管理機(jī)采集綜保數(shù)據(jù)完成規(guī)約轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與地面監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)信息交互。

控制板選用ARM處理器STM32F107VC為核心，內(nèi)置CAN控制器，接帶隔離功能的CAN驅(qū)動(dòng)收發(fā)器CTM8251構(gòu)成CAN總線電路，采集總線上甲烷和溫度等環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)。采用4路485總線：2路與通信管理機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)讀取高低壓綜保的信息和將環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)上傳；1路485總線與液晶彩屏通信，實(shí)現(xiàn)綜保、傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)顯示及本地的人機(jī)交互；另1路與隔爆兼本安型電源箱通信，采集供電狀態(tài)，進(jìn)行充放電試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電源管理。

地面監(jiān)控平臺(tái)及本地分站上可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源箱的遠(yuǎn)程及就地電源管理，對(duì)電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)。圖3為監(jiān)控分站電源充放電試驗(yàn)界面，通過(guò)遙控器進(jìn)行操作。

圖3 監(jiān)控分站電源充放電試驗(yàn)界面

通信管理機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)議規(guī)約的轉(zhuǎn)換，以ARM Cortex-A8微處理AM3352為核心，內(nèi)嵌Linux實(shí)時(shí)系統(tǒng)，按通道層、核心庫(kù)層、服務(wù)管理層和外部層4層軟件架構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過(guò)2路MODBUS 485規(guī)約讀取低壓饋電綜保、照明綜保數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)接入井下交換機(jī)，讀取高壓開(kāi)關(guān)綜保數(shù)據(jù)，并將從控制板得到的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)一并打包處理，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下各開(kāi)關(guān)設(shè)備與地面監(jiān)控平臺(tái)的103、104規(guī)約轉(zhuǎn)換與通信[4]。

2.2 智能綜保設(shè)計(jì)

智能綜合保護(hù)器由電流互感器、電壓互感器、主控板、顯示屏和無(wú)線溫濕度探頭五部分組成。保護(hù)器采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有良好的抗干擾性能及友好的人機(jī)界面，主控板以DSP TMS320F28335為核心，由電源模塊、I/O隔離輸入模塊、繼電器輸出模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊和絕緣監(jiān)視模塊等組成。通過(guò)互感器采集三相電壓和三相電流，采用FFT算法完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，計(jì)算各電參量，與設(shè)定的整定值比較。控制繼電器輸出模塊執(zhí)行開(kāi)斷動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)和設(shè)備的實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操控、運(yùn)行保護(hù)、事故報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、參數(shù)管理和信息查詢等功能[5]。保護(hù)器含有就地/遠(yuǎn)控旋鈕，實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)控閉鎖，保障維修時(shí)的安全。在開(kāi)關(guān)防爆腔內(nèi)，采用無(wú)線溫濕度探頭實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)觸頭溫度、腔內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)。

文獻(xiàn)[6]提出了基于以太網(wǎng)的智能分布式是解決越級(jí)跳閘的首選方案。本文設(shè)計(jì)的高壓綜保裝置采用以太網(wǎng)通信，在電網(wǎng)中設(shè)置為零時(shí)限，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)快速后備保護(hù)。通過(guò)高壓綜保裝置之間的網(wǎng)絡(luò)智能通信，檢測(cè)故障區(qū)，對(duì)故障定位。通過(guò)上、下級(jí)保護(hù)間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘的功能，實(shí)現(xiàn)先定位后動(dòng)作。

2.3 聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)分為環(huán)境監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)、視頻聯(lián)動(dòng)、門禁聯(lián)動(dòng)和語(yǔ)音聯(lián)動(dòng)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)：甲烷、溫度、濕度和煙霧傳感器安裝在變電所內(nèi)。通過(guò)CAN總線與監(jiān)控分站通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電所內(nèi)環(huán)境變化，分站判斷傳感器數(shù)值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)聯(lián)動(dòng)措施及語(yǔ)音報(bào)警，確保變電所運(yùn)行安全。

門禁聯(lián)動(dòng)：通過(guò)門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出變電所人員的有效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的身份、進(jìn)出時(shí)間、變電所內(nèi)活動(dòng)狀況的監(jiān)視和記錄。門禁管理系統(tǒng)由新型礦用門(包括防火門和柵欄門)、門控分站、本安型電磁鎖、本安型讀卡器、寫(xiě)卡器、電源箱、門卡和開(kāi)門按鈕組成[7]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)通過(guò)門控分站判斷讀卡器和開(kāi)門按鈕的準(zhǔn)入信號(hào)來(lái)控制電磁鎖的吸合，通過(guò)以太網(wǎng)與地面監(jiān)控平臺(tái)通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息上傳及遠(yuǎn)程開(kāi)門。

圖4 門禁管理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

視頻聯(lián)動(dòng)：采用海康防爆云臺(tái)攝像機(jī)，云臺(tái)可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，具有Smart事件偵測(cè)功能。通過(guò)交換機(jī)與地面監(jiān)控主機(jī)平臺(tái)和硬盤(pán)錄像機(jī)建立通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控并保存井下變電所畫(huà)面。調(diào)整云臺(tái)攝像機(jī)的角度、焦距，一一對(duì)準(zhǔn)到各開(kāi)關(guān)的合適位置，保存調(diào)整后的參數(shù)，設(shè)置成相應(yīng)的預(yù)置點(diǎn)[8]。當(dāng)監(jiān)控主機(jī)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到井下開(kāi)關(guān)故障或分合閘時(shí)，控制云臺(tái)攝像機(jī)轉(zhuǎn)到該開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的預(yù)置位上，推送該開(kāi)關(guān)畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動(dòng)。

語(yǔ)音聯(lián)動(dòng)：當(dāng)變電所內(nèi)環(huán)境或開(kāi)關(guān)出現(xiàn)異常時(shí)，井下監(jiān)控分站通過(guò)CAN總線控制語(yǔ)音聲光報(bào)警器播報(bào)相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警信息，地面監(jiān)控平臺(tái)收到故障信號(hào)的同時(shí)，啟動(dòng)音箱播報(bào)報(bào)警信息，提醒相關(guān)人員及時(shí)處理[9]。

3 地面監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控平臺(tái)由主備監(jiān)控機(jī)、Web服務(wù)器、井上交換機(jī)、短信發(fā)送模塊、GPS對(duì)時(shí)裝置和硬盤(pán)錄像機(jī)等組成。GPS對(duì)時(shí)裝置實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主備機(jī)及井下設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間實(shí)時(shí)同步，硬盤(pán)錄像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信息的存儲(chǔ)和管理。

監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)思想，平臺(tái)體系包括面向服務(wù)的架構(gòu)、公共服務(wù)和一體化的圖形存儲(chǔ)及瀏覽技術(shù)等[10]。監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

通過(guò)對(duì)井下設(shè)備數(shù)據(jù)的解析處理，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控平臺(tái)軟件主要完成以下7大功能：電網(wǎng)的監(jiān)控、電網(wǎng)分析、調(diào)度管理、模擬仿真、綜保管理、Web發(fā)布和運(yùn)維管理。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)在霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦的中央變電所完成了安裝調(diào)試，并進(jìn)行了系統(tǒng)性能試驗(yàn)。圖6為井下中央變電所的供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面，監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)、高低壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)的分合閘及漏試操作都可在該界面上實(shí)現(xiàn)。

視頻聯(lián)動(dòng)界面如圖7所示：6104號(hào)高爆開(kāi)關(guān)手動(dòng)執(zhí)行分閘操作，云臺(tái)攝像機(jī)收到監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的預(yù)置位命令，移動(dòng)到該開(kāi)關(guān)事先設(shè)好的預(yù)置位置并自動(dòng)調(diào)焦；右邊是云臺(tái)攝像機(jī)的操作欄，可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)、焦距和光圈等的二次調(diào)整，驗(yàn)證了系統(tǒng)遙控、遙視和聯(lián)動(dòng)的功能。

圖7 視頻聯(lián)動(dòng)界面

系統(tǒng)的定值管理界面如圖8所示，左邊欄為設(shè)備列表，可實(shí)現(xiàn)綜保定值的遠(yuǎn)程修改和定值的在線校核，驗(yàn)證了遙控調(diào)節(jié)的功能。

圖8 綜保定值管理界面

圖9為高爆開(kāi)關(guān)6109號(hào)的日?qǐng)?bào)表界面，左側(cè)樹(shù)狀欄為設(shè)備選擇欄，對(duì)該開(kāi)關(guān)所在電網(wǎng)的各監(jiān)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可對(duì)表格進(jìn)行編輯及打印，驗(yàn)證了系統(tǒng)的報(bào)表功能。

圖9 日?qǐng)?bào)表界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文融合環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻聯(lián)動(dòng)、門禁管理和腔內(nèi)無(wú)線測(cè)溫等多種技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，代替了原有變電所專職看護(hù)人員的模式，提升了變電所運(yùn)維的智能性和可靠性，降低了事故率，減少了事故排查的困難及影響時(shí)間。

無(wú)人值守系統(tǒng)的應(yīng)用，符合煤礦減人增效、安全生產(chǎn)的發(fā)展方向，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，是煤礦智慧礦山建設(shè)的一個(gè)有力補(bǔ)充。