談井下變電所電力綜合自動化系統(tǒng)
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摘要：以井下變電所電力綜合自動化系統(tǒng)為對象開展探究。在分析井下變電所存在問題的基礎(chǔ)上，對變電所電力綜合自動化系統(tǒng)總體方案進(jìn)行設(shè)計，并從硬件構(gòu)成和軟件配置兩方面做出深入探究，希望能為其他礦井相似工程的開展提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞：礦井；變電所；綜合自動化系統(tǒng)；方案設(shè)計
在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)中，供電質(zhì)量對整個礦井生產(chǎn)有著直接影響[1]。一旦出現(xiàn)供電系統(tǒng)故障必然會造成礦井停產(chǎn)，甚至引發(fā)井下安全事故。特別是近年來井下機(jī)械化程度及自動化水平不斷提升，井下供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和配置的合理性對礦井生產(chǎn)的重要性愈發(fā)突出。構(gòu)建井下變電所電力綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全有效控制，能為礦井綜合效益的提升提供堅實保障。
1井下變電所問題分析
傳統(tǒng)的井下變電所作業(yè)多存在以下不足之處：a)變電所電氣設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性無法滿足井下生產(chǎn)實際需求[2-3]。傳統(tǒng)的井下變電所多采用常規(guī)電氣裝置，不但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺少自我診斷功能，運(yùn)行中可靠性偏低，時常發(fā)生各類安全隱患。b)自動化程度較低，監(jiān)控時效性不足。傳統(tǒng)的井下變電所所采用的監(jiān)控設(shè)備往往無法實現(xiàn)對電氣設(shè)備的全部覆蓋，從而造成監(jiān)控數(shù)據(jù)的不全面，同時受限于通訊系統(tǒng)的落后性，監(jiān)控數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)同調(diào)度中心的遠(yuǎn)程實時傳輸，加之變電所缺少完備的遠(yuǎn)程作業(yè)調(diào)控手段，這些因素均會在一定程度上對變電所工作效率造成負(fù)面影響。c)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量大，系統(tǒng)運(yùn)營管理水平偏低。井下變電所所用電氣設(shè)備非常容易受到井下環(huán)境因素的影響，在運(yùn)行中需要專人進(jìn)行專門的管護(hù)，不僅維護(hù)作業(yè)難度大且成本高昂。同時，傳統(tǒng)變電所內(nèi)各電氣設(shè)備間缺少關(guān)聯(lián)性，僅是結(jié)合設(shè)備功能進(jìn)行了簡單的組合，缺少對變電所的統(tǒng)籌管理，作業(yè)時協(xié)調(diào)控制難度較大，存在操作混亂的可能。
2變電所電力綜合自動化系統(tǒng)總體方案設(shè)計
井下變電所電力綜合自動化系統(tǒng)構(gòu)成組件主要包括分布式保護(hù)測控裝置、MCU（微控）主控單元、現(xiàn)場總線、通訊管理設(shè)備、智能檢測設(shè)備、后臺計算機(jī)、遠(yuǎn)程操控設(shè)備等[4-5]。數(shù)據(jù)收集和開關(guān)控制是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成要素，對于確保綜合自動化系統(tǒng)實時匯集現(xiàn)場第一手?jǐn)?shù)據(jù)，并借由數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程智能操控至關(guān)重要。整個系統(tǒng)通訊組件包含現(xiàn)場總線和以太通訊2種形式，分別用于連接遠(yuǎn)程控制終端和前端監(jiān)測裝置，從而確保不同電氣設(shè)備與MCU主控單元及遠(yuǎn)程計算機(jī)的有效連接。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心組件，能對電氣設(shè)備各運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的遠(yuǎn)程采集，并對其進(jìn)行智能處理與分析，從而實現(xiàn)對各終端設(shè)備的有效操控，并在出現(xiàn)故障后立即報警。此外，后臺配設(shè)有數(shù)據(jù)庫，能對監(jiān)測數(shù)據(jù)和操控信息進(jìn)行有效存儲。
3硬件系統(tǒng)設(shè)計
3.1主控單元現(xiàn)場總線
MCU主控單元通過現(xiàn)場總線與各分布式測控裝置、開關(guān)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6]。這種連接方式不僅具備良好的拓展性和靈活性，還能將各通訊設(shè)備和監(jiān)控終端組合起來，形成一個上下有序的分布式系統(tǒng)。此次設(shè)計所用現(xiàn)場總線采用CAN總線通訊方式，其理論上具備無窮個節(jié)點，不同節(jié)點之間均可進(jìn)行自由通信，以實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)間的資源共享，大幅減少電纜布設(shè)量的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。
3.2監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成包括模擬量采集系統(tǒng)、開入量采集系統(tǒng)、脈沖量采集系統(tǒng)等。其中模擬量主要包含電流、電壓、功率等交流信號；開入量主要包括信號輸入、開關(guān)、刀閘等位置信號；脈沖量主要包括一些不連續(xù)的突變電壓與電流信號。
3.2.1模擬量采集圖2為模擬量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意圖。作業(yè)時，外部強(qiáng)交流電信號通過轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為弱交流電信號，并通過信號放大電路U和集成多路模擬開關(guān)MUX及A/D轉(zhuǎn)換裝置（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置），轉(zhuǎn)化為能被主控單元MCU處理的數(shù)字信號，最后再通過對數(shù)字信號的計算分析獲得電流電壓有效值，求得相應(yīng)的有功功率和無功功率，并將這些數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至計算機(jī)中心進(jìn)行智能處理，從而實現(xiàn)控制功能。作業(yè)中，整個采集系統(tǒng)最高能實現(xiàn)對12路模擬量數(shù)據(jù)的同步收集，效率極高。
3.2.2開入量及模擬量采集圖3為開入量采集結(jié)構(gòu)示意圖。作業(yè)時，主控單元MCU收集外部開入量時，必須進(jìn)行預(yù)處理，一般采取在采集電路中增設(shè)光電隔離裝置的方式，減小外部信號干擾，確保信號準(zhǔn)確無誤。此外，為規(guī)避信號采集錯誤導(dǎo)致誤報現(xiàn)象的出現(xiàn)，針對開入量的采集應(yīng)在所需軟硬件上配用去抖動措施。針對脈沖量的采集選用抗干擾濾除法進(jìn)行脈沖，只有脈沖寬度高于預(yù)設(shè)寬度時方能計數(shù)，否則視為干擾信號，不予采集，采集到的脈沖信號實時累計后上傳至MUC主控單元。
4軟件系統(tǒng)設(shè)計分析
對變電所電力綜合自動化系統(tǒng)而言，其配套的上位機(jī)監(jiān)控軟件要能實現(xiàn)對變電所各類設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時收集和在線顯示，同時要配套數(shù)據(jù)庫，將各類數(shù)據(jù)存儲起來，方便隨時調(diào)閱。此外，軟件還應(yīng)具備良好的數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互功能，便于遠(yuǎn)程操控?；谶@些需求，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用C++語言作為編程語言，以Windows系統(tǒng)作為軟件運(yùn)行環(huán)境，以SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）數(shù)據(jù)庫構(gòu)造系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，整個軟件體系采取模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計理念，結(jié)合生產(chǎn)實際作業(yè)中所需實現(xiàn)的各項功能，對軟件進(jìn)行針對性設(shè)計，逐一搭建相應(yīng)功能模塊，各功能模塊要包含有相應(yīng)的子系統(tǒng)。圖4為上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框架示意圖。5結(jié)語井下變電所作為礦井生產(chǎn)作業(yè)有效開展的關(guān)鍵前提，確保其運(yùn)行的持續(xù)、穩(wěn)定至關(guān)重要。礦井管理者必須高度重視相關(guān)問題，在生產(chǎn)中積極組織專業(yè)技術(shù)人員開展針對性分析探究，構(gòu)建有效的綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電所設(shè)備運(yùn)行的有效監(jiān)測和遠(yuǎn)程操控，確保其高效運(yùn)轉(zhuǎn)，為礦井綜合效益的提升提供堅實保障。
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作者：付佳偉 單位：大同煤礦集團(tuán)公司大斗溝煤業(yè)公司