矿井数字变电所的设计

摘要：选用西门子公司的S7-200系列PLC作为主控制器，设计了一套矿井供电自动控制系统，实现了矿井中央变电所无人值守，达到了提高远程监控水平、减员增效的目的。主控制器通过RS-485与井下中央变电所的15台高压开关柜中ZBT-11K系列综合保护器进行通信，能够实时监测各高压开关柜的电压/电流/功率等电量参数、各断路器状态、保护压板状态、报警状态，同时实现高压柜的远程启动和停止、保护定值的远程设定等功能。

关键词：PLC；监控系统；无人值守；变电所

中图分类号：TM734    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）10-0055-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.015

0    引言

井下供电系统存在很多问题，比如电气供电设备陈旧老化，经常跳闸；供电系统不稳定[1]；井下工人带电作业，易出现意外情况[2]；无法实时对井下电网进行监控[3]，井下供电系统元件都很单一化，没有形成有效的控制系统等。这些问题可能会给井下矿工带来巨大的灾难，所以在现代化生产建设中，实现矿井数字自动控制势在必行。基于此，本文设计了一套矿井供电自动控制系统，实现了矿井中央变电所无人值守，达到了提高远程监控水平、减员增效的目的。

1    矿井数字变电所的总体设计

某矿井下中央变电所拥有高压开关柜15台，每台都内置ZBT-11K系列综合保护器，为了实现矿井供电综合控制的需求，需要利用S7-200系列PLC与高压开关柜内的综合保护器进行通信来实现“四遥”功能，综合保护器支持RS-485通信方式，采用MODBUS通信协议。

（1）遥测功能：能够实时监测各个高压开关柜的电压、电流、功率、功率因数等电量参数。

（2）遥信功能：能够实时监测各个高压开关柜断路器状态、保护压板状态、报警状态等。

（3）遥调功能：能够实现高压柜保护定值的远程设定等。

（4）遥控功能：能够实现高压柜的远程启动和停止。

（5）人机功能：当变电所有人值班时，后台机完成人机联系功能；当变电所无人值班时，即可在监控中心进行人机联系，进行远程操控。

系统总体设计结构框图如图1所示。

系统采用分层式结构，第一部分为设备层，即为高压开关柜及其内部控制测量元件，开关柜中的综合保护器负责实时监控高压开关柜的电压、电流、功率、频率、功率因数等电量参数以及监测断路器状态、保护压板状态、报警状态等。第二部分为控制层，主要由S7-200系列PLC作为主控制器，可拓展一个通信模块，通信模块与设备层即高压开关柜相连，CPU与上位机监控端相连，进行数据的存储、运算、控制，进而对整个系统进行控制。最后的数据将会呈现在第三部分，即为数据层，该层主要设备是上位机监控系统，通过模拟工程运行环境对前方的数据进行程序运行和最终的程序测试。

2    矿井数字变电所的硬件设计

本次设计控制对象是矿井下的15台高压开关柜，井下高压开关柜组大体分为进线柜、出线柜、PT柜和联络柜。具体流程为当进线柜的断路器闭合时，联络柜的断路器不能闭合，否则会发生短路；当10台出线柜断路器分开时，进线柜断路器才可进行分合闸操作，不能带负载进行通断。本次设计的高压柜内电气元件组成如图2所示。

在高压开关柜中，综合保护器起着决定性的作用，参数监控和综合保护功能都是由它来实现。综合保护器主要实现三段式过流保护、绝缘监视保护、两相电流测量、功率因数与功率测量、频率测量、级联差动、后备电源、故障录波、时钟及SOE事件等功能，所以在本系统中，各测控分站内的高压开关柜中均裝设综合保护装置ZBT-11K。ZBT-11K系列综合保护器一般作业在井下无瓦斯与粉尘爆炸的井底车场、总通风道和主要通风道的供电系统中，它对矿用高压配电装置起着监控和保护的作用。本次设计的内置综合保护器的高压开关柜如图3所示。

3    矿井数字变电所的软件设计

系统采用的是STEP7编程软件，全面实现所需要的功能。本系统中有15台高压开关柜，包括2台进线柜、10台出线柜、1台联络柜、2台PT柜。进线柜包含1个断路器、1个接触器；出线柜包含1个断路器、1个接触器；联络柜包含1个断路器，无接触器；PT柜无断路器、接触器。点位表如表1所示。

由S7-200系列PLC作为本系统的主控制器，在整个系统中起通信作用，PLC外扩一个通信模块，用来与15台高压开关柜相连，使用MODBUS通信协议，CPU则与上位机相连，进行控制，使用以太网通信协议。

由于本设计是PLC与综合保护器之间进行RS-485通信，采用MODBUS通信协议，本设计中PLC和综保之间采用CP341通信模块进行数据交换。CP341通信模块是一种点对点、快速、功能强大的串行通信模块[4]，具有一个D型串行传送口，支持RS-485、RS-422、RS-232C等通信标准，可以使用的通信协议有RK512、MODBUS主站协议、MODBUS从站协议等，使用该模块可以让PLC与综保之间实现数据交换[5]。

PLC拓展模块CP341通信图如图4所示。

4    监控软件设计

监控软件是可以在屏幕上进行远程监控的控制软件。它可以监控现场设备的运行状态，当现场设备出现问题时，在监控界面上就能显示各个设备的状态，例如正常、故障、报警等。高压开关柜控制主界面如图5所示。

1#高压柜操作界面如图6所示，2#高压柜操作界面如图7所示，3#～15#高压柜界面与2#高压柜界面一样，不再一一表述。

5    结语

本系统主要采取了分层设计的理念，先对变电所进行了总体概况分析，然后对变电所的硬件进行设计，包括高压开关柜、综合保护器，最后对变电所的软件进行了设计，包括运用STEP7软件对PLC进行编程、系统通信部分和上位机测试部分。井下电网监控系统调试成功后，将会对15个高压开关柜进行实际的操作控制。井下高压供电系统应用该技术后，其可靠性以及数据传输的准确性、高效性和快速性将得到极大的提高。通过与地面监控中心的数据传输，本系统可实现对井下变电所的远程监控，在监控主站显示屏上显示出井下采区变电所高压开关柜的所有电气参数，实现遥测、遥控、遥信、遥调，真正达到井下无人值守的目标。

[参考文献]

[1] 王飞.矿井变电所机器人智能巡检系统设计[J].煤炭工程，2020，52（10）：159-164.

[2] 吴君.矿井高压安全供电智能保障技术研究[D].焦作：河南理工大学，2020.

[3] 李倩倩，夏蓉花，邓斌，等.基于PLC的煤矿供电测控与管理系统设计[J].机电工程技术，2021，50（1）：123-127.

[4] 王占飞，刘小东，张登山，等.煤矿智能化数字变电所建设基本要求与实施条件[J].煤炭科学技术，2015，43（S2）：108-112.

[5] 高士岗，高登彦，欧阳一博，等.煤矿智能一体化辅助生产系统及关键技术[J].煤炭科学技术，2020，48（7）：150-160.

收稿日期：2023-01-16

作者简介：颜海鸥（1996—），女，江苏连云港人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：煤矿智能变电所选型、设计。