监控分站冗余的煤矿供电监控系统

方崇全

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）

煤矿供电监控系统是用来监测电网电压、电流、功率、功率因数、温度、电网绝缘电阻、保护接地电阻、馈电开关状态、越级跳闸断电等，并实行漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程控制等的系统[1]。目前，国内的大中型煤矿基本建设了煤矿供电监控系统，实现井下变电所的无人值守，对减少井下作业人员，提高生产效率发挥了积极作用[2-4]，很多相关文献介绍了煤矿供电监控系统的设计[5-8]，煤矿供电监控系统一般包括：地面集控中心、通信传输网络、井下变电所的监控分站及高低压配电装置内的电力综合保护器。现行的MT/T 1114—2011 煤矿供电监控系统通用技术条件[1]行业标准要求地面集控中心具备双机切换功能，从工作主机故障到备用主机投入正常工作时间应不大于5 min，煤矿井下的传输网络采用冗余工业环网交换机，网络中断时能够实现网络重构[9]，自愈时间一般小于100 ms，这些冗余措施提升了系统的可靠性。文献[10]提到一种煤矿供电综合自动化系统容错技术，主要从RS485 通信多次轮询及软件看门狗方面实现容错。目前的煤矿供电监控系统在井下变电所一般只设置1 台监控分站用于与高低压配电装置内的电力综合保护器通信，当监控分站掉电、备用电池失效、嵌入式软件异常时会导致供电系统远程监控失效，因此有必要设计一种监控分站冗余的煤矿供电监控系统，当其中1 台监控分站异常时自动切换至另外1 台监控分站运行，进一步提高系统可靠性，因高低压配电装置内部的电力综合保护器没有实现冗余，2 台监控分站同时接入电力综合保护器的RS485 通信总线，需要解决总线通信竞争的问题，同时需要设计监控分站的双机热备软件。为此,从冗余监控分站与高低压配电装置之间RS485 总线硬件互锁、监控分站热备软件等方面进行设计，进一步提高了煤矿供电监控系统的系统可靠性。

1 监控分站冗余的煤矿供电监控系统

为了满足煤矿井下变电所无人值守的需要，提高煤矿供电监控系统可靠性，设计了一种监控分站冗余的煤矿供电监控系统，系统主要由上位机及监控软件、工业以太环网传输平台、监控分站、高低压配电装置等组成，煤矿供电监控系统组成示意图如图1。

图1 煤矿供电监控系统组成示意图Fig.1 Composition diagram of coal mine power supply monitoring system

其中地面集控中心设置2 套上位机及监控软件互为热备，其中1 套故障时，另外1 套可在5 min 内切换并投入运行；传输平台为千兆工业以太环网，环网交换机之间采用光纤互联，环网故障时可以实现网络重构；井下变电所高压开关设置2 台监控分站互为热备，低压开关也设置2 台监控分站互为热备，其中1 台监控分站掉电或者故障时，另外1 台监控分站可在30 s 内投入运行，监控分站与高低压配电装置内的电力综合保护器之间采用RS485 总线通信。系统从远程操控、传输、数据采集均实现冗余配置，进一步保障了供电监控系统的可靠性。

2 监控分站硬件冗余

监控分站采用嵌入式ARM 处理器作为控制核心，每台监控分站设计2 路以太网接口，至少1 路RS485 总线通信接口，为加快监控分站对高低压配电装置的巡检周期，可设计多路RS485 总线通信接口分组轮询。其中1 路以太网接口作为与上位机的通信接口，接入环网交换机，另1 路以太网接口作为与冗余监控分站之间的心跳维持通信接口，与另外1 台监控分站通信。

目前井下高低压配电装置内的电力综合保护器均提供RS485 总线通信接口，监控分站采用RS485总线通信轮询电力综合保护器，2 台冗余的监控分站同时接入RS485 总线会产生总线冲突，所以需设计RS485 总线通信硬件闭锁切换电路，以保证RS485 总线上只有1 台监控分站处于轮询状态，设计的监控分站RS485 总线通信接口硬件互锁电路如图2。

图2 监控分站RS485 总线通信硬件互锁电路Fig.2 RS485 bus communication hardware interlock circuit of monitoring substation

监控分站RS485 总线经过总线切换继电器的常开触点后连接到高低压配电装置内的电力综合保护器。总线切换继电器仅受监控分站内部硬件看门狗驱动控制，监控分站的微处理器在程序的控制下定时输出喂狗脉冲，防止看门狗溢出，并持续输出高电平控制RS485 总线切换继电器的常开触点闭合，从而接通监控分站和电力综合保护器的RS485 总线通信。当监控分站异常宕机停止工作时，喂狗脉冲消失，继电器常开触点自动断开，从而切断监控分站与电力综合保护器之间的RS485 总线通信。

3 监控分站热备软件

监控分站的应用软件运行于嵌入式Linux 操作系统上，采用C 语言开发、模块化方式设计，主要包括：人机交互、网络通信、串行通信、协议解析、数据存储、切换逻辑等模块。监控分站嵌入式软件模块图如图3。

图3 监控分站嵌入式软件模块图Fig.3 Embedded software module diagram of monitoring substation

人机交互模块完成红外遥控按键的输入采集，液晶界面显示等功能，实现各种参数的设置、状态显示、数据显示等功能。

网络通信模块包括远程通信和心跳维护2 个子模块。其中远程通信模块负责监控分站和上位机监控软件之间的数据交互，完成遥测、遥信、遥控、遥调的处理过程；心跳维护模块用于和备用监控分站之间的通信，根据心跳维护和应答命令信息控制切换逻辑模块。

串行通信模块完成和高低压配电装置内的电力综合保护器的RS485 总线通信功能。根据操作人员配置的通信协议类型采用轮询的方式发送相应的数据读取命令，接收电力综合保护器返回的报文数据，将接收的报文提交给协议解析模块分析出需要的各种数据和命令，同时串行通信模块接收上位机监控软件下发的控制指令，传输给电力综合保护器，实现对高低压配电装置的远程操控。

协议解析模块根据不同电力综合保护器的协议类型调用相应的解析函数，对串行通信模块提交的报文进行分析，得出各种电力参数后提交给数据存储模块。

数据存储模块开辟1 段内存生成数据缓冲区，保存各种临时数据，以此提高数据的存取速度。数据存储格式设计了模拟量、开关量、和字符串3 种类型，其中各种状态参数按照开关量来存取，而事件记录或SOE 则以字符串方式存取。

切换逻辑模块是监控分站热备软件的核心，包含主机逻辑和备机逻辑2 种。主机逻辑按照定时间隔主动通过网络接口给备机发送心跳命令A，备机接收到心跳命令A 之后在规定的时间内发送应答命令B 给主机，同时主机定时输出RS485 总线通信喂狗脉冲，使主机的RS485 总线通信和电力综合保护器之间保持通信连接。备机逻辑则时刻监视主机的连接和命令，当接收到主机的心跳命令A 之后发送应答命令B 给主机并清零软件定时器，同时备机闭锁RS485 总线通信喂狗脉冲的输出，切断备机和电力综合保护器的RS485 总线通信连接。当备机的软件定时器溢出之后还未接收到主机的心跳命令A时，则判断主机工作异常，备机恢复输出RS485 总线通信喂狗脉冲，接通备机RS485 总线通信和电力综合保护器之间的连接，从而使备机投入工作。如果主机恢复正常之后，根据以上逻辑，主机将接管与电力综合保护器的通信，使主机投入运行，备机切换为备用状态。

4 现场应用情况

为验证所设计的煤矿供电监控系统的实用性和可靠性，2019 年12 月，该系统开始在山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿进行工业性实验，在贺西煤矿井下9 个变电所共安装36 台KJJ660 矿用供电监控分站，每个变电所安装2 台监控分站互为热备用于与高压开关通信，另外2 台监控分站互为热备用于与低压开关通信。正常情况下，其中1 台监控分站采集电力综保数据并与上位机通信，2 台监控分站之间通过光纤通信维持心跳包，当其中1 台监控分站出现异常而不能维持心跳时，另外1 台正常的监控分站在30 s 内接管与电力综保的总线通信，同时将相关异常传输至上位机显示并报警，监控分站互为热备提高了煤矿供电监控系统的可靠性。

5 结 语

1）监控分站冗余的煤矿供电监控系统的2 台监控分站竞争与电力综合保护器的RS485 通信总线可采用看门狗加继电器切换的方式，从物理上实现总线隔离。

2）监控分站嵌入式热备软件在嵌入式Linux 系统上采用多任务方式设计，现场应用表明，其中1 台监控分站异常时，另外1 台监控分站能在30 s 内自动投入运行。