戴萬波

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引 言

煤礦井下變電所的安全穩(wěn)定運行是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。目前變電所普遍采用人工值守的管理方式，然而井下環(huán)境復(fù)雜，負(fù)荷種類多且相對分散，漏電和越級跳閘等故障時常發(fā)生，這給檢修人員在故障排查處理時帶來極大困難。隨著智慧礦山建設(shè)的不斷推進及減員增效宗旨的深入人心，建成更安全、更智能和更高效的無人值守變電所勢在必行。

為此，本文以ARM處理器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)搭建井下智能監(jiān)控分站的硬件平臺，以工業(yè)環(huán)網(wǎng)和CAN/RS485總線作為系統(tǒng)的傳輸結(jié)構(gòu)，融合電力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、門禁管理、語音播報、Web瀏覽和短信推送等多種技術(shù)，設(shè)計了一套集實時監(jiān)測、控制、保護、診斷和管理于一體的無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)能有效減少供電事故的發(fā)送，提升變電所管理的效率，減少人員的投入，對提升煤礦供電的安全性、智能性與經(jīng)濟性具有重要的意義，符合無人、安全和智能的智慧礦山建設(shè)發(fā)展趨勢。

1 無人值守系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要分為四個組成部分，即地面監(jiān)控平臺、井下監(jiān)控分站、智能綜保和聯(lián)動子系統(tǒng)。

無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

智能綜保安裝于井下防爆開關(guān)柜內(nèi)，集保護與測控功能于一體，分為高壓開關(guān)綜保、低壓饋電綜保和低壓照明綜保。高壓開關(guān)綜保帶防越級跳閘功能，通過以太網(wǎng)接入井下環(huán)網(wǎng)交換機，低壓饋電和低壓照明綜保通過485總線接入井下監(jiān)控分站，分站完成地面監(jiān)控平臺與綜保裝置間的協(xié)議、規(guī)約和通信方式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對供電線路、高低壓開關(guān)設(shè)備的監(jiān)控與保護。

監(jiān)控分站通過CAN總線采集環(huán)境參數(shù)傳感器的數(shù)據(jù)及控制語音聲光報警器[2]，通過3路485總線采集低壓饋電、照明綜保及電源箱數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)口接入環(huán)網(wǎng)交換機讀取高壓開關(guān)綜保數(shù)據(jù)及與地面監(jiān)控平臺實時通信。分站及井下交換機均由鋰離子電源箱供電，外部交流電源中斷后，電池持續(xù)工作時間不少于4 h。

門禁子系統(tǒng)和視頻子系統(tǒng)通過井下交換機接入環(huán)網(wǎng)，與地面監(jiān)控平臺通信。

地面監(jiān)控平臺通過環(huán)網(wǎng)與井下設(shè)備實時數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)五遙功能(遙測、遙信、遙調(diào)、遙控、遙視)、子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)動、事故告警及統(tǒng)計分析。通過Web服務(wù)器和短信模塊實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽與短信推送[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括監(jiān)控分站設(shè)計、智能綜合保護器設(shè)計以及聯(lián)動子系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 監(jiān)控分站設(shè)計

監(jiān)控分站為本安型，采用模塊化設(shè)計，由控制板和通信管理機組成，是承接地面監(jiān)控平臺和井下各設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信橋梁及控制核心，監(jiān)控分站的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控分站的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)

控制板采集環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)進行邏輯判斷、充放電試驗及液晶顯示，通信管理機采集綜保數(shù)據(jù)完成規(guī)約轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與地面監(jiān)控平臺的實時信息交互。

控制板選用ARM處理器STM32F107VC為核心，內(nèi)置CAN控制器，接帶隔離功能的CAN驅(qū)動收發(fā)器CTM8251構(gòu)成CAN總線電路，采集總線上甲烷和溫度等環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)。采用4路485總線：2路與通信管理機通信，實現(xiàn)讀取高低壓綜保的信息和將環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)上傳；1路485總線與液晶彩屏通信，實現(xiàn)綜保、傳感器等監(jiān)測設(shè)備的實時顯示及本地的人機交互；另1路與隔爆兼本安型電源箱通信，采集供電狀態(tài)，進行充放電試驗，實現(xiàn)電源管理。

地面監(jiān)控平臺及本地分站上可實現(xiàn)對電源箱的遠(yuǎn)程及就地電源管理，對電池進行充放電試驗。圖3為監(jiān)控分站電源充放電試驗界面，通過遙控器進行操作。

圖3 監(jiān)控分站電源充放電試驗界面

通信管理機負(fù)責(zé)協(xié)議規(guī)約的轉(zhuǎn)換，以ARM Cortex-A8微處理AM3352為核心，內(nèi)嵌Linux實時系統(tǒng)，按通道層、核心庫層、服務(wù)管理層和外部層4層軟件架構(gòu)進行程序設(shè)計。通過2路MODBUS 485規(guī)約讀取低壓饋電綜保、照明綜保數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)接入井下交換機，讀取高壓開關(guān)綜保數(shù)據(jù)，并將從控制板得到的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)一并打包處理，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)井下各開關(guān)設(shè)備與地面監(jiān)控平臺的103、104規(guī)約轉(zhuǎn)換與通信[4]。

2.2 智能綜保設(shè)計

智能綜合保護器由電流互感器、電壓互感器、主控板、顯示屏和無線溫濕度探頭五部分組成。保護器采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，具有良好的抗干擾性能及友好的人機界面，主控板以DSP TMS320F28335為核心，由電源模塊、I/O隔離輸入模塊、繼電器輸出模塊、通信模塊、存儲模塊和絕緣監(jiān)視模塊等組成。通過互感器采集三相電壓和三相電流，采用FFT算法完成對采集數(shù)據(jù)的運算處理，計算各電參量，與設(shè)定的整定值比較?？刂评^電器輸出模塊執(zhí)行開斷動作，實現(xiàn)供電系統(tǒng)和設(shè)備的實時在線數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操控、運行保護、事故報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、參數(shù)管理和信息查詢等功能[5]。保護器含有就地/遠(yuǎn)控旋鈕，實現(xiàn)就地、遠(yuǎn)控閉鎖，保障維修時的安全。在開關(guān)防爆腔內(nèi)，采用無線溫濕度探頭實現(xiàn)開關(guān)觸頭溫度、腔內(nèi)溫濕度監(jiān)測。

文獻(xiàn)[6]提出了基于以太網(wǎng)的智能分布式是解決越級跳閘的首選方案。本文設(shè)計的高壓綜保裝置采用以太網(wǎng)通信，在電網(wǎng)中設(shè)置為零時限，實現(xiàn)逐級快速后備保護。通過高壓綜保裝置之間的網(wǎng)絡(luò)智能通信，檢測故障區(qū)，對故障定位。通過上、下級保護間的配合來實現(xiàn)防越級跳閘的功能，實現(xiàn)先定位后動作。

2.3 聯(lián)動子系統(tǒng)設(shè)計

聯(lián)動子系統(tǒng)分為環(huán)境監(jiān)測聯(lián)動、視頻聯(lián)動、門禁聯(lián)動和語音聯(lián)動。

環(huán)境監(jiān)測聯(lián)動：甲烷、溫度、濕度和煙霧傳感器安裝在變電所內(nèi)。通過CAN總線與監(jiān)控分站通信，實時監(jiān)測變電所內(nèi)環(huán)境變化，分站判斷傳感器數(shù)值超過設(shè)定值時，啟動相應(yīng)聯(lián)動措施及語音報警，確保變電所運行安全。

門禁聯(lián)動：通過門禁系統(tǒng)實現(xiàn)對進出變電所人員的有效管理，實現(xiàn)對人員的身份、進出時間、變電所內(nèi)活動狀況的監(jiān)視和記錄。門禁管理系統(tǒng)由新型礦用門(包括防火門和柵欄門)、門控分站、本安型電磁鎖、本安型讀卡器、寫卡器、電源箱、門卡和開門按鈕組成[7]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)通過門控分站判斷讀卡器和開門按鈕的準(zhǔn)入信號來控制電磁鎖的吸合，通過以太網(wǎng)與地面監(jiān)控平臺通信，實現(xiàn)監(jiān)控信息上傳及遠(yuǎn)程開門。

圖4 門禁管理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

視頻聯(lián)動：采用海康防爆云臺攝像機，云臺可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，具有Smart事件偵測功能。通過交換機與地面監(jiān)控主機平臺和硬盤錄像機建立通信，實時監(jiān)控并保存井下變電所畫面。調(diào)整云臺攝像機的角度、焦距，一一對準(zhǔn)到各開關(guān)的合適位置，保存調(diào)整后的參數(shù)，設(shè)置成相應(yīng)的預(yù)置點[8]。當(dāng)監(jiān)控主機平臺監(jiān)測到井下開關(guān)故障或分合閘時，控制云臺攝像機轉(zhuǎn)到該開關(guān)對應(yīng)的預(yù)置位上，推送該開關(guān)畫面，實現(xiàn)視頻聯(lián)動。

語音聯(lián)動：當(dāng)變電所內(nèi)環(huán)境或開關(guān)出現(xiàn)異常時，井下監(jiān)控分站通過CAN總線控制語音聲光報警器播報相應(yīng)的語音報警信息，地面監(jiān)控平臺收到故障信號的同時，啟動音箱播報報警信息，提醒相關(guān)人員及時處理[9]。

3 地面監(jiān)控平臺設(shè)計

地面監(jiān)控平臺由主備監(jiān)控機、Web服務(wù)器、井上交換機、短信發(fā)送模塊、GPS對時裝置和硬盤錄像機等組成。GPS對時裝置實現(xiàn)監(jiān)控主備機及井下設(shè)備的運行時間實時同步，硬盤錄像機實現(xiàn)對視頻信息的存儲和管理。

監(jiān)控平臺軟件設(shè)計采用平臺化設(shè)計思想，平臺體系包括面向服務(wù)的架構(gòu)、公共服務(wù)和一體化的圖形存儲及瀏覽技術(shù)等[10]。監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

通過對井下設(shè)備數(shù)據(jù)的解析處理，實時更新數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控平臺軟件主要完成以下7大功能：電網(wǎng)的監(jiān)控、電網(wǎng)分析、調(diào)度管理、模擬仿真、綜保管理、Web發(fā)布和運維管理。

4 系統(tǒng)試驗

無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)在霍州煤電集團李雅莊煤礦的中央變電所完成了安裝調(diào)試，并進行了系統(tǒng)性能試驗。圖6為井下中央變電所的供電系統(tǒng)監(jiān)測界面，監(jiān)測的電網(wǎng)數(shù)據(jù)、高低壓開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)的分合閘及漏試操作都可在該界面上實現(xiàn)。

視頻聯(lián)動界面如圖7所示：6104號高爆開關(guān)手動執(zhí)行分閘操作，云臺攝像機收到監(jiān)控平臺下發(fā)的預(yù)置位命令，移動到該開關(guān)事先設(shè)好的預(yù)置位置并自動調(diào)焦；右邊是云臺攝像機的操作欄，可手動實現(xiàn)云臺、焦距和光圈等的二次調(diào)整，驗證了系統(tǒng)遙控、遙視和聯(lián)動的功能。

圖7 視頻聯(lián)動界面

系統(tǒng)的定值管理界面如圖8所示，左邊欄為設(shè)備列表，可實現(xiàn)綜保定值的遠(yuǎn)程修改和定值的在線校核，驗證了遙控調(diào)節(jié)的功能。

圖8 綜保定值管理界面

圖9為高爆開關(guān)6109號的日報表界面，左側(cè)樹狀欄為設(shè)備選擇欄，對該開關(guān)所在電網(wǎng)的各監(jiān)測值進行統(tǒng)計，并可對表格進行編輯及打印，驗證了系統(tǒng)的報表功能。

圖9 日報表界面

5 結(jié)束語

本文融合環(huán)境監(jiān)測、視頻聯(lián)動、門禁管理和腔內(nèi)無線測溫等多種技術(shù)，設(shè)計了一套無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)經(jīng)實際應(yīng)用，代替了原有變電所專職看護人員的模式，提升了變電所運維的智能性和可靠性，降低了事故率，減少了事故排查的困難及影響時間。

無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用，符合煤礦減人增效、安全生產(chǎn)的發(fā)展方向，具有顯著的經(jīng)濟效益與社會效益，是煤礦智慧礦山建設(shè)的一個有力補充。