井下变电站在线监控系统的设计与研究

杜晓璐

（1.太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024；2.同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

引言

煤矿井下供电系统具有环境恶劣且复杂多变等特点，并承担着为井下采煤、运煤、通风等各个生产环节的所有设备提供电力的重要角色。加之井下各种高压、低压真空开关或者综合保护器类型不一，以及各配电站与中央变电站之间距离较远且是变化的，因此实现无人看守是困难的［1，2］。传统的井下变电所以及各配电站需要人工巡视和操作，地面调度管理人员也无法快速直观地了解井下变电所设备的运行状况及参数，更不能遥控设备的启停操作及参数设置［3］。当供电所及配电站设备出现故障或受到外界干扰引起配电开关掉电等现象时，由于故障类型及位置很难确定，若不及时处理，将对煤矿井下的生产造成极大影响，甚至对矿井安全带来严重威胁。因此，许多学者就实现井下变电所及各配电站的在线监控做了大量工作。丁平［4］基于PLC和 WinCC设计了一套井下变电站在线监控系统，并已应用于枣庄矿业集团。顾苑婷［5］利用工业以太网和CAN总线技术的优势对煤矿安全监控系统进行了研制与实现。陈玉娟［6］对目前井下变电所远程监控技术做了总结，并提出了多项改进措施。

结合目前井下变电所监控系统的研究现状，为了进一步实现煤矿井下供电智能化调度，提高自动化管理水平，并保证井下供电的稳定，本文基于工业以太网和现场总线技术对井下变电所在线监控系统进行了设计与研究。

1 工业以太网及现场总线技术概述

1.1 工业以太网技术概述

工业以太网是一种基于IEEE 802.3（Ethernet）的强大区域和单元网络，并且在抗干扰性、实用性、可互操作性、可靠性以及本安性等方面均可满足工业现场需求的一种以太网。目前，工业以太网技术已经成为工业控制领域中的研究热点，其发展主要体现在通信确定性、实时性、稳定性、可靠性和安全性等方面。工业以太网可根据环境和特定条件进行设计与改进，使其在电磁兼容性、工作可靠性、故障自愈等方面具有更为突出的特点和性能。工业以太网主要具备应用广泛、通信速率高、成本低、资源共享能力强、可持续发展潜力大等优势，其发展趋势主要体现在与现场总线结合、直接应用于工业现场设备间的通信。

1.2 现场总线技术概述

现场总线是一种实现双向串行多节点数字通信系统，被称为数字化、开放式、多点通信的一种底层控制网络，主要应用于工业、交通、楼宇等生产现场和微机测控设备。现场总线技术具有系统开发性、互可操作性与互换性、现场设备智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性和对现场环境适应性等特点。目前，国际上存在数十种现场总线标准，主要有FF、CAN、DeviceNet、Profibus等，它们具有节省硬件与投资、节省用户维护、高度的系统集成主动权、较高的系统准确性与可靠性等优势。

2 井下变电站监控系统设计

在设计井下变电站监控系统时，需要考虑以下几个总体原则，即在一定的资金和资源下，有效地建立一个高水平的、完善的自动化控制监控系统。所有设备选型配置坚持性价比最优的原则，既要在符合通用标准的前提下，兼容多种自动化控制系统，实现子系统最大限度的信息共享。另外，系统需统一设计规划，并留有扩展空间，保证系统能够平滑扩展，以及实现分期投资、分步建设。

在以上总体原则下，在实施过程中，需要使得微机保护系统集实时监控、历史数据统计、预警与电网分析为一体，除数据的遥测、遥信、遥控、遥调外，还要实现遥视，最终实现变电所的无人值班。同时要建设井下统一的通讯平台，即工业以太环网，将音频、视频、监控数据全部通过该通讯平台进行传输；并采用成熟先进的技术，确保电网自动化建设不走弯路，使所采用的产品技术代表煤矿电网自动化发展方向，避免建成即落伍的情况发生。另外，关键部位采用双机热备模式，确保系统运行；全面提高底层保护器的性能和功能，彻底解决井下电网存在的安全问题。确保系统建成后，真正能够提高供电可靠性，并能对电网运行工况进行分析，掌握电网运行规律，使煤矿企业对电网的管理更加科学有效。

根据以上设计原则和要求，设计了井下变电站监控系统总体框架，如图1所示。本系统可实现功能综合化、测量显示数字化、操作监视屏幕化、运行管理智能化，以变电所无人值守为目标，实现四遥功能：遥信（采集发送状态量）、遥测（采集发送数字量及模拟量）、遥控（接收调度控制命令）、遥调（整定电压变比、过载参数、过电压参数、额定电流、额定电压、过流延时参数绝缘阻值上下限参数、电流变比、短路参数）。

图1 井下变电所及各配电点在线监控示意图

本系统主要由监测、监控、通讯网络、上位机界面与故障报警四个主体部分组成，下面分别详细介绍。

1）监测部分。该部分需要在各设备安装相关传感器，以采集现场设备的运行状态参数，主要包括：电压、配电点电路中的电流、开关触点的温度值等，泵房中水仓水位、真空度和压力大小等。另外，各设备运行状态的参数同样要监测，主要包括：开关的通断状态、水泵的起停状态、阀门的开关状态等。

2）监控部分。由于煤矿井下环境比较复杂，为了确保各设备在煤矿井下的安全，在每个配电点要安装一个防爆柜，把PLC模块及相关设备安装在防爆柜中。本系统PLC模块选用西门子S7－300，其CPU为315-2DP，由于它集成了RS-485通讯接口，还集成了数字量输入输出模块，基本可以满足各配电点开关的起停控制要求。各个综保设备由485接口连接，经PLC连接光端机，变成电信号传输，再经地面中控室光端机柜还原成电信号，最后通过多串口卡连接工控机，这样PLC接受上位机的指令可以实现远程起停控制。

3）通讯网络。利用RS485总线具有结构简单、可靠性高、抗干扰能力强等优势。在每个配电点用RS485总线把各综保设备连接起来，再将采集的数据信号连接至PLC的RS485接口，由PLC把数据信号送到光端机，工控机则通过多串口卡把各路的数据读出，从而显示在上位机上。由于变电所和各配电点的综保和配电开关保护器较多，距离较远，故用矿用阻燃光缆配用进行数据传输。在每个配电点先把各综保用RS485总线连接起来，再将数据信号和控制信号经数字光端机传输到地面的中控室。通过软件编程读出各路的数据，此外，通过上位机的控制指令也能实现各综保的远程起停控制，从而实现在线监控监测的功能。

4）上位机界面与故障报警。运用西门子WinCC软件设计上位机监控界面，实时监测井下中央变电所和各配电点的运行参数，主要监控的参数包括有：电流、电压、过流、过压、欠压、有功无功功率、正反向功率、频率等。参数数据经过现场采集得到后，再通过与PLC进行连接或通信，将数据信息传递到上位机，在监控界面中通过表格、曲线的方式显示出来。

3 结语

结合地面电网综合自动化成熟技术的基础，并充分考虑到井下变电站的实际情况，基于工业以太网和现场总线技术设计了井下变电站在线监控系统。该系统可以实现在线监测以及监控井下变电所设备的电压、电流等工作情况，一旦发生故障，地面上位机可显示具体位置以及故障类型，并发出报警信号。同时，该系统还可实现远程操控，如开关操作、参数整定或设置等，以及实现“四遥”功能，实现变电所无人值守。该系统的应用，可提升煤矿企业的安全管理能力，提高安全劳动生产率。

［1］ 李建修，邵志敏，李立生，孙勇，张世栋.煤矿配电网合环监测系统的研究与设计［J］.中国煤炭，2014（1）：79-81.

［2］ 王旭波，李广红.煤矿井下供电安全监控系统的设计及应用［J］.电子设计工程，2014，14：81-83＋87.

［3］ 于合蕊，张启伟.基于PLC的煤矿井下变电所监控技术研究［J］.科技资讯，2014，13：90＋92.

［4］ 丁平，张晓光，蒋恒深，仝维仁，石晓妹.井下变电所及配电站在线监测监控系统的设计［J］.矿山机械，2010（10）：44-47.

［5］ 顾苑婷.工业以太网和CAN现场总线在煤矿监控系统上的应用研究［D］.上海交通大学，2007.

［6］ 陈玉娟，刘东波，茅红伟，顾幸生，胡英慧，曾加.煤矿井下变电所远程监控技术及其改进方案［J］.煤炭工程，2010（2）：110-111.

（编辑：赵琳琳）