煤礦變電站智能監控系統設計與實現

王 磊

（山西焦煤集團有限責任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200）

煤礦智能化建設進程逐漸推進過程中，煤礦供電組網規模不斷擴大、負荷不斷增加、設備用電量不斷增大。煤礦井下惡劣用電環境對用電設備的壽命、使用情況會產生嚴重危害。因此，對煤礦變電站進行智能監測具有重要意義。一般煤礦變電站維護人員采用井下巡游環視模式記錄變電站各個儀表數據，通過電話或者短信方式向井上調度人員通報變電站設備運行狀態，這種方式存在耗時耗力、危險系數大、工作強度大以及不確認因素多的問題[1-2]。針對上述問題，基于通信技術、控制器技術對煤礦變電站數據進行自主采集、測量、控制、保護和監測，并通過神經網絡技術、系統專家技術進行在線決策，實現煤礦變電站監測系統的智能化，保障煤礦變電站安全、穩定、高效運行。

1 總體設計

煤礦變電站智能監控系統需滿足的基本要求包括：①實時性。能夠實時監測變電站設備的狀態信息，滿足傳輸速度快、低延時的要求。②速度快。能夠快速處理大信息量的變電站設備故障信息，滿足處理故障信息速度快的要求。③預警性。能夠根據采集的設備信息分析設備的實時運行狀態，具備預警報告能力。④友好性。能夠支持多種通信接口，使得系統易操作且易擴展。因此，煤礦變電站智能監控系統的總體設計結構如圖1 所示，為過程層、間隔層以及站控層三層結構。

圖1 煤礦變電站智能監控系統的總體設計結構

1）過程層。采集變電站設備的A/D 信號、傳輸變電站設備的開關量以及動作指令，實現對全站設備的監測。該層包含的設備有合并單元、智能終端、電流/電壓互感器等[3]。該層網絡由SV 和GOOSE組成。

2）間隔層。對采集到的變電站設備信息進行合并，并組成站控層可解析的報文，同時傳遞站控層指令。該層包含的設備由保護裝置、測控裝置、故障濾波裝置、網絡分析儀以及電能計量儀等。

3）站控層。綜合周期性采集變電站全站數據信息并轉存至歷史信息庫，實現站域控制、智能警告、SCDAD 監控以及五防閉鎖功能。當接收到變電站調度中心指令時，可傳遞并執行調度命令。該層包含的設備有監控主機、監控服務器、監控工作站、路由器等。該層網絡由MMS 和GOOSE 組成。

2 硬件設計

煤礦變電站智能監控系統的關鍵硬件設備包括控制器、綜合保護裝置、交換機、智能LED 以及互感器等。

1）控制器。采用DSP+FPAG 架構實現。DSP 控制器用于控制監控系統中的控制指令的傳輸、GOOSE 報文、SV 報文、MME 報文的傳輸與解析以及外部執行結構的動作控制等。其具體型號為TI的176 引腳LQFP 四邊形封裝的TMS320C28335，主頻為150 MHz，指令周期為6.67 ns，采用高性能靜態CMO 技術，支持6 通道DMA 控制、8 個外部中斷、3 個32 位定時器、16 個12 位A/D 轉換器、88 個可編程復用GPIO 引腳，滿足煤礦變電站智能監控系統控制要求。FPAG 控制器用于固化煤礦變電站監控系統的故障預測算法，包括卡爾曼濾波算法、雙策略灰狼優化算法等。其具體型號為Xilinx Artix?-7 系列的FPA A7[4-5]，采用28 nm 設計架構，低功耗、低成本且滿足本方案實時性強、處理速度要求高的設計要求。

2）綜合保護裝置。選用江蘇域網的CW301 數字式線路保護測控裝置，支持三段電壓閉鎖方向過流保護、反時限過流保護、過流后加速保護、三段零序過流保護、三相一次重合閘、低頻減載、過負荷保護等；支持11 路遙信信號采集、故障錄波、開關遙控跳閘合閘、遙測量三相電壓/三相電流/頻率/功率因素等功能。

3）交換機。選用濟南華科的礦用隔爆兼本安型網絡交換機KJJ127，支持以太網千兆、以太網百兆光信號接口，可根據需求定制；采用全雙工TCP/IP傳輸協議，傳輸速率可達1 000 Mbps；采用獨特密封式設計結構，承壓強度高、密封性能可靠，適用AC127、660 V 電壓；采用獨立斷電閉鎖開關，安全性好。

4）互感器。選用樂清冷氏的電子式礦用電壓、電流互感器，用于將變電站的模擬信號轉換為數字信號并輸入至DSP 控制器，實現變電站系統采集數據網絡化。

3 軟件設計

根據煤礦變電站智能監控系統總體設計結構，基于Altova XMLspy 軟件平臺，建立IEC61850規約下的智能監控系統軟件[6]，采用SCL 編程語言實現，軟件結構如圖2 所示。

圖2 煤礦變電站智能監控系統軟件結構

1）監控數據采集模塊

需采集的信號變電站設備模擬量，如設備電壓、電流、功率等信號；設備開關量，如設備開關、刀閘、輸入輸出等信號；設備脈沖量，如不連續的突變電壓與電流信號等。監控數據采集模塊通過電流/ 電壓互感器將高壓交流信號轉換為低電壓等級交流信號，再經A/D 轉換裝置轉換為數字信號，輸入至控制器，完成數據采集過程。

2）監控數據處理模塊

需完成變電站設備監測報文的接收、解析、管理、計算、壓縮、存儲以及上傳等功能。如GOOSE報文、SV 報文、MME 報文之間的解析與轉換以及數據遠程傳輸。基于接收到的數據，進行變電站設備狀態評價。變電站設備狀態評價結果分為正常、異常、警告、故障四級，分別用不同顏色標識，提示運維人員按需檢修。

3）監控數據應用模塊

需完成變電站監控系統的人機接口功能，如設計并實現系統主界面、歷史數據記錄界面、故障錄波界面、GOOSE/SV/MME 報文在線分析界面、設備運行狀態界面等，方便運維人員及時掌握變電站設備實際運行情況。

4 應用分析

設計并實現的煤礦變電站智能監控系統在山西焦煤集團東曲煤礦進行為期6 個月的工業試驗，以驗證該監控系統的可用性和適用性。工業試驗期間，根據現場工作人員反饋，實際應用效果良好。通過該監控系統，工作人員可實時掌握變電站設備運行狀態，及時發現安全隱患以及故障，縮短故障處理時間。同時可查看或者回溯變電站設備的歷史數據曲線、歷史報表以及歷史故障記錄等。應用該智能控制系統后變電站運維人數由6 人減少至2 人，故障率降低了14%，單次故障處理時間縮短為2.2 min/ 次，為煤礦連續、高效開采提供有力保障。

5 結論

以煤礦變電站監控系統為研究對象，采用分層結構設計架構，基于DSP+FPAG 技術、通信技術，詳細分析了變電站監控系統的硬件、軟件設計方案并完成了應用分析，得出以下2 點結論：

1）完成了煤礦變電站智能監控系統的總體設計、硬件設計以及軟件設計，完成應用分析。結果表明，該智能監控系統滿足煤礦變電站設計要求，能夠適應變電站設備運行環境復雜、運行要求高的特點。

2）有效提升了煤礦變電站監控系統的智能化水平，達到了少人巡視、無人值守、安全、高效運行的目的。