远程智能I/O模块在井下无人值守变电所的应用

徐 凯

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

李家塔煤矿是由司法部和内蒙古自治区政府联营建设的大型国有重点煤矿，煤矿隶属于内蒙古自治区监狱管理局。2015年产能升级后，核定生产能力为3.00 Mt/a。为提升矿井的自动化、智能化水平，于2018年底对井下中央变电所进行了无人值守系统改造，对井下供电系统实现远程监测监控，实现在地面集控室内对井下高压配电柜高压开电流、电压等电量参数进行监测，对高压开关远程进行分、合闸操作，以及对高压柜微机综合保护装置进行故障复位、参数整定等；对低压配电柜实现断路器分、合状态监视、回路电流信号监测、母线电压监测以及断路器分、合闸远程操作等功能，井下中央变电所实现“无人值守、有人巡视”的工作模式。

李家塔煤矿井下中央变电所位于井底车场，变电所内高、低压配电柜均选用矿用一般型。高压配电柜内配有微机综合保护装置，具有远方操控功能，仅需要增加电力分站解决通信问题，容易改造实现。无人值守系统涉及的视频监控信号，在矿井视频改造工程中已在井下中央变电所设置了4台高清视频摄像机，视频信号通过井下光纤环网传输至地面集控室。文中主要讨论低压配电系统的无人值守改造方案。

1 系统分析

井下中央变电所低压配电柜采用矿用一般型，使用年限较长，原设计低压配电回路仅配有指针式电流表、电压表，不具有信号上传功能，且不能采集配电柜内断路器分合闸状态信号，不能实现远控的分、合闸操作。为实现低压系统的无人值守改造需为断路器增加电动操作机构，同时需增加具有以下功能的智能设备：①具有通信功能，能将采集到的信息进行上传，将集控室上位机命令进行下传；②具有模拟量采集功能，能够采集低压柜内电压或电流信号；③具有数字量输入功能，能够对配电柜内断路器、接触器等主回路元器件分、合状态进行采集；④具有数字量输出功能，能够对配电柜内断路器、接触器等主回路元器件分、合闸控制。

根据系统分析结果对比目前市场上存在的井下配电智能化产品可采用多功能智能仪表、远程智能I/O模块等。在本改造项目中，在井下对低压配电柜进行柜面开孔操作难度较大，多功能智能仪表的多功能显示等功能无法发挥作用，且造价较高；远程智能I/O模块，设计简洁、精巧、可靠，输入、输出及通信功能均可满足项目需求，且造价较低。所以本次改造选择在低压配电柜内增加远程智能I/O模块对断路器分、合闸状态及配电回路电流信号进行监测，对断路器分、合闸操作进行控制。仅在低压进线柜内设多功能智能仪表对系统电压、电流、功率、功率因数等系统电量参数进行测量。

2 方案设计

2.1 电动操作机构

井下中央变电所低压配电柜内安装断路器为常熟开关厂CM1型塑壳断路器，为实现远程分、合闸操作，按照现有断路器规格配套FDC1系列电动操作机构，电动操作机构电源采用127 V，引自井下中央变电所低压配电柜内控制变压器，分、合闸控制接点信号由远程智能I/O模块提供。

2.2 远程智能I/O模块

远程智能I/O模块选择常熟开关厂CI1-SCM423型，具有4路数字量输入，2路数字量输出，可采集3路单相电流，同时通过标准的RS485接口、ModBus-RTU协议可实现系统的遥信、遥控及遥测功能。能远程监测回路电流、断路器合分闸状态、故障状态等重要信息。CI1-SCM423具有3路0～5 A工频电流输入，用户可外接5～10 000 A输入/5 A输出的一次侧电流互感器，以适应不同的配电系统。不同的一次侧输入电流，可通过修改模块的CT变比值来适应。每路电流输入有一个对应的指示灯，当电流超出设置的电流报警阈值进行报警；CI1系列的数字输入均采用无源干接点输入方式，无需外部电源。数字输出均有自保持/脉冲两种输出方式，自保持方式下，模块接收命令使继电器输出为ON或OFF，在没有新的命令来之前，一直保持此状态。脉冲方式下，模块接收ON命令使继电器输出为ON，经过一段时间后，自行释放为OFF。

远程智能I/O模块与电动操作机构接线，如图1所示。远程智能I/O模块通过电流互感器(CT)采集配电回路的A、C两相电流；通过数字量输入接口采集断路器(QF)分、合闸状态，当有其他需采集的数字量信号时可顺序接入DI2、DI3、DI4通道，最多可采集4台设备的状态信号。通过数字量输出接口发出分、合闸指令，指示电动操作机构动作，实现配电回路的远程操作。

CI1-SCM423-远程智能I/O模块；FDC1/CM3-电动操作机构；CT-电流互感器；QF-断路器辅助触点

2.3 系统组网

井下中央变电所本次新增1台KJ736-F矿用隔爆兼本安型电力监控分站，通过RS485总线连接高压配电柜内微机综合保护装置、低压系统内多功能智能仪表及远程智能I/O模块等。李家塔煤矿目前已建成井下光纤工业以太环网，井下主变电所设有环网交换机，采集的现场数据可通过井下光纤工业以太环网上传至地面集控室。系统组网如图2所示。

图2 系统组网示意

井下监控部分主要由KJ736-F矿用隔爆兼本安型电力监控分站一方面通过RS485、CAN、以太网等总线连接底层设备，另一方面通过以太环网将数据上传至调度中心，通过采集服务器进行存储、转发。监控主机通过环网与服务器之间信息的中转、存贮、处理；完成数据打包、通信协议转换、信息本地显示、系统本地监控和整定工作。主机、分站、保护器三级设备独立工作，上级设备和通讯线路的损坏不影响下层设备的运行。主机采用Windows XP操作平台，分站采用Linux操作系统，不同内核的操作系统使来自网络的计算机病毒不能侵入通讯分站及其下层设备，保证井下供电系统的安全。

3 地面监控系统

3.1 监控系统运行模式

在地面集控室设2台工控机作为监控系统主站，系统主站通过矿井井下光纤环网可收集井下电力监控分站上行传输的井下中央变电所系统运行电量参数，并在监控软件上实时显示。同时可进行下行数据传输，发出断路器的分、合闸指令，实现在地面集控室对井下配电系统进行远程操作。

3.2 监控系统界面

系统监控界面如图3所示，该窗口监控系统的设备运行状况，图中以开关设备的颜色代表设备不同状态。

图3 系统监控界面

监控系统软件可对采集的数据进行存储和处理，以各种报表及图画的形式进行直观的显示，可查看该设备的实时数据，设备状态、实时曲线，以及可对该设备进行遥控操作，定值设置，投退设置；并可对电量参数进行按时间、按类型、按系统等不同的需求进行分类，形成曲线图等，对系统运行状态进行量化的分析与显示。

4 结语

李家塔煤矿井下中央变电所无人值守系统投入使用后，可在地面集控室对井下中央变电所运行信息进行实时的监控，供电系统运行管理人员对系统有更全面的了解，可根据系统的运行状态，及时的安排维护工作，极大地提高了供电系统运行的可靠性。变电所运行信息的采集和上传后可在地面服务器内进行存储、调用，为后期矿井信息化、智能化的进一步建设提供了基础数据。无人值守系统改变了井下中央变电所的工作模式，从有人值守改为无人值守，有人巡视，降低了井下工人劳动强度，减少了井下值班人员数量，在减员增效方面效果明显，特别适用于对井下变电所老旧系统的改造，提升供电系统的智能化水平。