煤矿井下中央变电所监控系统建设与应用

中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室 赫广杰

针对华夏煤业有限公司中央变电所依然采用人工操作、现场值守的传统工作方式，通过建立电力监控系统实现在地面集控室对高爆开关、低压馈电开关以及照明开关的遥测、遥信、遥控以及遥调功能，结合视频监控系统达到有人巡视无人值守的建设目标，该系统降低人力成本、提高了中央变电所自动化程度，为煤矿供电安全提供技术保障。

目前，随着信息化、大数据、云计算、物联网等技术在煤矿领域的大力推广应用，大型煤矿企业正在重点推进智慧矿山建设，然而大部分煤矿中央变电所自动化程度依然不高，通常采用岗位工三班作业固定值守的工作模式，仅能实现就地操作防爆开关无法实时感知设备运行状态。煤矿井下中央变电所是供配电系统的核心，为井下电气设备提供安全、可靠、稳定的电能。我院根据国家煤矿安全监察局制定的《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法（试行）》达标指南中提出的考核标准要求，为华夏煤业建设中央变电所监控系统，满足煤矿安全生产标准化一级矿井考核目标。

1 井下中央变电所现状

华夏煤业井下中央变电所采用独立的双回路供电系统以保证供电质量和可靠性：地面35KV变电站的双回路电源分别进入两台母联10KV高爆开关，每台母联带5台10KV高爆开关，分别作为南翼、6103配电点、水泵房、北区集中皮带、西巷变电所供电，中间1台为联络用高爆开关，共有13台10KV高爆开关；3台1140V低压馈电开关为井下水泵房和1台127V照明开关供电。

2 中央变电所监控系统建设

2.1 升级改造

建立中央变电所监控系统要求高爆开关、低压馈电开关以及照明开关内的综合保护器需要具备通讯接口并且开放通讯协议，由于华夏煤业部分开关综合保护器不具备通讯功能，为此通过协调开关厂家更新了具有通讯功能的综合保护器，升级改造后中央变电所开关内的综合保护器均具有通讯功能。

2.2 监控系统结构

监控系统主要由矿用隔爆兼本安型电力监控分站、矿用隔爆兼本安型直流电源、矿用烟雾传感器、矿用温度传感器、矿用隔爆摄像仪、通讯管理机、监控系统软件、工控机、矿用本安型交换机以及矿井环网等组成，监控系统结构如图1所示。

图1 监控系结构图

监控分站通过485总线串行接入高爆开关、低压馈电开关、照明开关、矿用烟雾传感器以及矿用温度传感器，并通过以太网连接矿用本安型交换机接入矿井环网。2台矿用烟雾传感器分别安装在中央变电所前门和后门，2台矿用温度传感器与矿用烟雾传感器一起布置，用于监测变电所内是否发生火灾。2台矿用隔爆摄像仪分别布置在前门和后门通过矿井环网实时采集中央变电所内视频信息，方便集控室查看中央变电所内图像信息。矿用隔爆兼本安型稳压直流电源为监控系统供电，内置电池可保障断电后设备可连续工作2h以上。通讯管理机作为监控系统硬件核心部分，主要完成开关的遥测、遥信、遥控、电量数据、故障信号、录波数据以及定值数据等的电力104协议规约转发。工控机一备一用，上位机监控系统采用双主工作方式，实现中央变电所内全部开关的遥测、遥信、遥控以及遥调功能。

3 监控系统软件设计

3.1 串口通讯程序设计

井下中央变电所共有17台综合保护器，4个传感器，均为485通讯接口采用串口通讯协议，由于串口通讯采用读写轮循的工作机制，并且一个站点通讯故障需要等待2个通讯超时周期约300ms才能进行下一个站点通讯。根据实际情况将高爆开关互为备用的划分为2组共4个接入一个485接口，共需要4个485通讯接口；低压馈电开关和照明开关共用1个485通讯接口；2个温度传感器和2个传感器接入1个485接口，采用6个485通讯接口实现串行通讯显著地提高通讯效率、缩短响应时间。

此外，通过优化通讯程序逻辑，不采用传统的1个站点读操作、写操作，然后进行下一个站点的重复逻辑，改为监测写操作（遥控）寄存器值发生改变才执行写操作，即如果程序检测到操作员进行写操作，通讯程序执行完当前的读或写操作立即执行当前的遥控程序进行开关的合闸和分闸操作以提高遥控效率，以1个串口通讯程序为例说明遥控操作流程如图2所示。

图2 串口通讯遥控操作流程

3.2 上位机监控系统软件设计

上位机监控系统软件采用WINCC7.5设计，具有完备的监测、控制、曲线、报表、报警以及登录等功能，主要实现井下中央变电所高爆开关、低压馈电开关、照明开关的遥控、遥信、遥测、遥调以及温度、烟雾监测功能，监控系统画面如图3所示。

图3 上位机监控系统画面

结论：华夏煤业井下中央变电所监控系统已正式投入运行，系统运行稳定并具有较高的可靠性，改造前采用三班固定值守的作业方式需要3个人，改造后中央变电所采用集控室统一远程操作实现所内全部10KV高爆开关、1140V低压馈电开关以及127V照明开关的遥控、遥信、遥测以及遥调功能，辅以井下中央变电所内实时高清视频监控，通过对原集控室岗位工进行操作培训而没有额外增加岗位工就实现了中央变电所的无人值守，通过建设监控系统实现减人3名，达到了减员提效的建设目标，并且助力华夏煤业山西省一级标准化和信息化煤矿建设。