煤礦井下變電所無人值守監控系統設計與應用*

鄭鵬健

(霍州煤電集團呂梁山煤電公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033199)

0 引 言

井下煤礦開采過程中需要使用很多電力設備設施，供電系統能否安全穩定運行直接決定了這些機電裝備的可靠和穩定運行[3]。由于礦井作業環境復雜，粉塵較大、濕度較高，這些都礦井用電安全比較大的威脅[4]。礦井供電系統經常出現各種故障問題，從而影響煤礦開采過程的連續性，制約煤礦開采效率的提升[5]。嚴重時還會威脅設備和井下人員安全。基于此，設計研究井下變電所的無人值守監控系統，基于現代化技術手段對變電所進行實時監控，及時發現問題并解決問題，保障變電所的可靠運行[6]。

1 變電所無人值守監控系統方案設計

圖1所示為設計的煤礦井下變電所無人值守監控系統整體方案圖。設計的無人值守監控系統整體上可以劃分成為三大部分，分別為地面監控主站、井下監控分站以及測控單元。

圖1 井下變電所無人值守監控系統整體方案

(1) 地面監控主站。此部分主要由工業電視大屏幕、監控主機、監控備用機、打印機以及網絡通訊設施等部分構成，相關的硬件設施全部位于地面，作用是對井下采集得到的數據信息進行存儲、分析并顯示。位于監控主站的管理人員可以通過監控屏幕下達控制指令，對井下相關裝置進行控制。

(2) 井下監控分站。井下監控分站的作用是對測控單元采集得到的數據信息進行收集。如果變電所設備存在故障問題，還需要完成故障錄波工作。井下監控分站是地面監控主站和測控單元之間的橋梁。分站采集的數據信息通過工業以太網以遠程傳輸的方式輸送到主站，主站下達的控制指令需要通過分站分配到測控單元。

(3) 測控單元。主要硬件設施是綜合保護器、瓦斯傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、高清攝像頭等，其作用是對變電所中相關的機電設備運行狀態進行采集，通過對變電所環境參數采集并將數據傳輸到測控分站。測控單元還需接受地面監控主站的控制。

井下部分通過以太網光纖組件環網，所有井下監控分站全部接入環網中，環網通過光端機實現與地面監控主站之間的數據通信。測控單元與監控分站之間通過雙絞線和RS485實現數據信息通信。所有采集得到的數據信息以及變電所出現的故障問題信息，全部會在工業電視大屏幕上實時顯示。

監控系統在運行過程中，可以對變電所中的電壓電量進行實時測量與控制，并對用電數據進行監視。同時可及時發現變電所中存在的故障問題，以便及時處理問題，縮短停電時間。系統可以根據不同分站的用電量大小對電力負荷進行調配，提升電力的合理利用率，降低企業的電費消耗，真正實現無人值守的效果。

2 地面監控主站設計

圖2所示為地面監控主站的整體框架結構，其中最重要的三個部分分別為Web服務器、數據服務器和監控工作站。

圖2 地面監控主站框架結構

2.1 數據服務器

基于數據服務器硬件設施再配合使用相關軟件處理程序，可以被動地接收來自井下監控分站傳輸上來的數據信息。系統可以設定時間間隔，定期對井下終端數據信息進行采集，也可按照實際使用需要隨時對終端的數據進行采集。采集得到的數據信息全部存儲到數據服務器中，利用數據服務器可以對采集得到的數據信息進行分析和處理。比如可以對模擬量分別設置上限和下限，如果發現數據信息超過了上限或者下限，系統就會發出警報，并被警報進行記錄。為了提升無人值守監控系統運行過程的可靠性，數據服務器采用的是冗余設計，其中一個作為主服務器，另外一個作為備用服務器，兩臺服務器只要有一臺能夠正常運行，那么整個監控系統即可穩定運行。

2.2 Web服務器

無人值守監控系統采集得到的信息很多為無用信息，或者信息之間存在相互交叉、冗余的問題。為了提升數據存儲的質量和效率，對采集的信息進行深入挖掘分析后，將有用的信息存儲到Web服務器中。利用先進的Java開發技術設計了信息發布系統，可以對Web服務器中的數據進行精確的分類輸出，直觀的顯示在監控屏幕上。

2.3 監控工作站

監控工作站的作用是實現用戶在監控系統中的登錄，并對用戶權限進行管理。不同權限的人員進入無人值守監控系統后，顯示的畫面和能夠查詢的數據存在一定差異。通過監控工作站可以對井下變電所的運行狀態數據信息及其周圍的瓦斯濃度、溫度、濕度等環境信息進行實時調取。一旦監控系統檢測發現變電所存在安全隱患，即會通過監控工作站發出警告。另外，管理人員可以通過監控工作站向井下監控終端發出控制指令。

3 井下監控分站設計

圖3所示為井下監控分站及測控單元的框架結構圖。井下監控分站的主要作用是對數據進行傳輸。一方面將測控單元采集得到的數據信息傳輸到井上監控主站，同時井上監控主站下達的控制指令也要通過監控分站傳輸到測控單元中。測控單元和監控分站之間通過雙絞線和RS485實現數據信息的交互，監控分站與工業以太環網交換機之間通過RS485實現數據信息的交互。測控單元可以劃分成為兩大類，第一類主要是對變電所內部的用電情況進行實時監測，確保變電所的運行安全；第二類主要是對變電所周圍的環境參數，如瓦斯、溫濕度、煙霧等進行監測，確保變電所的環境安全。

圖3 井下監控分站及測控單元的框架結構

4 實踐應用

將設計的煤礦井下變電所無人值守監控系統應用到煤礦工程實踐中，經過連續一年時間的觀察，其運行效果良好，為煤礦企業創造了良好的經濟效益和社會效益。

(1) 不需要再專門安排人員在井下變電所值班，通過監控系統即可實時掌握井下變電所及其周圍的基本情況。只需要在監控系統發出警報后，安排人員對出現問題的區域進行檢修即可，人員利用科學。

(2) 變電所無人值守后，降低了由于人為失誤導致的各種故障問題，杜絕了值班人員私下調班埋下的安全隱患，安全效益顯著。通過監控系統可以實時監控并檢查變電所中出現的各種故障問題，準確定位故障位置，極大縮短了變電所故障導致的停電時間。

(3) 無人值守監控系統采集的數據信息全部會存儲到數據庫中，以便后續進行調取分析，提升了數據的利用率。為后續利用大數據技術進行分析奠定了良好的基礎。

(4) 文中所述的煤礦企業中，通過使用無人值守監控系統，井下變電所可以減少4名值班人員。每名工作人員的支出按每月6000元計算，則每年可以為煤礦企業節省28.8萬元。產生的其他經濟效益更是難以估量。