煤礦井下中央變電所監(jiān)控系統(tǒng)建設與應用

中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室 赫廣杰

針對華夏煤業(yè)有限公司中央變電所依然采用人工操作、現(xiàn)場值守的傳統(tǒng)工作方式，通過建立電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)在地面集控室對高爆開關、低壓饋電開關以及照明開關的遙測、遙信、遙控以及遙調功能，結合視頻監(jiān)控系統(tǒng)達到有人巡視無人值守的建設目標，該系統(tǒng)降低人力成本、提高了中央變電所自動化程度，為煤礦供電安全提供技術保障。

目前，隨著信息化、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網等技術在煤礦領域的大力推廣應用，大型煤礦企業(yè)正在重點推進智慧礦山建設，然而大部分煤礦中央變電所自動化程度依然不高，通常采用崗位工三班作業(yè)固定值守的工作模式，僅能實現(xiàn)就地操作防爆開關無法實時感知設備運行狀態(tài)。煤礦井下中央變電所是供配電系統(tǒng)的核心，為井下電氣設備提供安全、可靠、穩(wěn)定的電能。我院根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局制定的《煤礦安全生產標準化管理體系基本要求及評分方法（試行）》達標指南中提出的考核標準要求，為華夏煤業(yè)建設中央變電所監(jiān)控系統(tǒng)，滿足煤礦安全生產標準化一級礦井考核目標。

1 井下中央變電所現(xiàn)狀

華夏煤業(yè)井下中央變電所采用獨立的雙回路供電系統(tǒng)以保證供電質量和可靠性：地面35KV變電站的雙回路電源分別進入兩臺母聯(lián)10KV高爆開關，每臺母聯(lián)帶5臺10KV高爆開關，分別作為南翼、6103配電點、水泵房、北區(qū)集中皮帶、西巷變電所供電，中間1臺為聯(lián)絡用高爆開關，共有13臺10KV高爆開關；3臺1140V低壓饋電開關為井下水泵房和1臺127V照明開關供電。

2 中央變電所監(jiān)控系統(tǒng)建設

2.1 升級改造

建立中央變電所監(jiān)控系統(tǒng)要求高爆開關、低壓饋電開關以及照明開關內的綜合保護器需要具備通訊接口并且開放通訊協(xié)議，由于華夏煤業(yè)部分開關綜合保護器不具備通訊功能，為此通過協(xié)調開關廠家更新了具有通訊功能的綜合保護器，升級改造后中央變電所開關內的綜合保護器均具有通訊功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)結構

監(jiān)控系統(tǒng)主要由礦用隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站、礦用隔爆兼本安型直流電源、礦用煙霧傳感器、礦用溫度傳感器、礦用隔爆攝像儀、通訊管理機、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、工控機、礦用本安型交換機以及礦井環(huán)網等組成，監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系結構圖

監(jiān)控分站通過485總線串行接入高爆開關、低壓饋電開關、照明開關、礦用煙霧傳感器以及礦用溫度傳感器，并通過以太網連接礦用本安型交換機接入礦井環(huán)網。2臺礦用煙霧傳感器分別安裝在中央變電所前門和后門，2臺礦用溫度傳感器與礦用煙霧傳感器一起布置，用于監(jiān)測變電所內是否發(fā)生火災。2臺礦用隔爆攝像儀分別布置在前門和后門通過礦井環(huán)網實時采集中央變電所內視頻信息，方便集控室查看中央變電所內圖像信息。礦用隔爆兼本安型穩(wěn)壓直流電源為監(jiān)控系統(tǒng)供電，內置電池可保障斷電后設備可連續(xù)工作2h以上。通訊管理機作為監(jiān)控系統(tǒng)硬件核心部分，主要完成開關的遙測、遙信、遙控、電量數(shù)據(jù)、故障信號、錄波數(shù)據(jù)以及定值數(shù)據(jù)等的電力104協(xié)議規(guī)約轉發(fā)。工控機一備一用，上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用雙主工作方式，實現(xiàn)中央變電所內全部開關的遙測、遙信、遙控以及遙調功能。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

3.1 串口通訊程序設計

井下中央變電所共有17臺綜合保護器，4個傳感器，均為485通訊接口采用串口通訊協(xié)議，由于串口通訊采用讀寫輪循的工作機制，并且一個站點通訊故障需要等待2個通訊超時周期約300ms才能進行下一個站點通訊。根據(jù)實際情況將高爆開關互為備用的劃分為2組共4個接入一個485接口，共需要4個485通訊接口；低壓饋電開關和照明開關共用1個485通訊接口；2個溫度傳感器和2個傳感器接入1個485接口，采用6個485通訊接口實現(xiàn)串行通訊顯著地提高通訊效率、縮短響應時間。

此外，通過優(yōu)化通訊程序邏輯，不采用傳統(tǒng)的1個站點讀操作、寫操作，然后進行下一個站點的重復邏輯，改為監(jiān)測寫操作（遙控）寄存器值發(fā)生改變才執(zhí)行寫操作，即如果程序檢測到操作員進行寫操作，通訊程序執(zhí)行完當前的讀或寫操作立即執(zhí)行當前的遙控程序進行開關的合閘和分閘操作以提高遙控效率，以1個串口通訊程序為例說明遙控操作流程如圖2所示。

圖2 串口通訊遙控操作流程

3.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用WINCC7.5設計，具有完備的監(jiān)測、控制、曲線、報表、報警以及登錄等功能，主要實現(xiàn)井下中央變電所高爆開關、低壓饋電開關、照明開關的遙控、遙信、遙測、遙調以及溫度、煙霧監(jiān)測功能，監(jiān)控系統(tǒng)畫面如圖3所示。

圖3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)畫面

結論：華夏煤業(yè)井下中央變電所監(jiān)控系統(tǒng)已正式投入運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定并具有較高的可靠性，改造前采用三班固定值守的作業(yè)方式需要3個人，改造后中央變電所采用集控室統(tǒng)一遠程操作實現(xiàn)所內全部10KV高爆開關、1140V低壓饋電開關以及127V照明開關的遙控、遙信、遙測以及遙調功能，輔以井下中央變電所內實時高清視頻監(jiān)控，通過對原集控室崗位工進行操作培訓而沒有額外增加崗位工就實現(xiàn)了中央變電所的無人值守，通過建設監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)減人3名，達到了減員提效的建設目標，并且助力華夏煤業(yè)山西省一級標準化和信息化煤礦建設。