武俊敏

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

作为我国工业生产的主要能源之一，煤炭的生产效率和生产安全至关重要。随着自动化技术及机械制造工艺的不断进步，大量结构复杂的电气设备已在煤矿井下得到广泛使用。因此，在采煤作业中对煤矿井下变电所供电系统的可靠性与安全性提出了更高的要求。因煤矿井下不具备良好的通风条件，空气湿度较高且含有大量灰尘，导致变电所内各种电气设备故障频发，严重时甚至损坏电气设备，易引发井下大规模停电事故，对煤矿的生产效率与安全性影响较大。为提高变电所供电的稳定性，多数矿井已在变电所安排专人24 h轮流值班，以便于处理变电所内设备的故障或异常情况。但这种值守方式的效果主要取决于值班人员的工作态度和工作能力，人工排除故障效率较低且难以提前消除故障隐患。随着自动控制技术、通讯技术及软件技术的快速发展，矿井变电所无人化值守方式已具备较强的可行性。根据国内煤矿井下供电系统的特点，本文设计了一种矿井变电所无人值守控制系统，可实现对变电所工作状态的实时监视与控制，大幅降低了人工成本，提高了变电所供电的可靠性与安全性，具有一定的工程应用价值。

1 无人值守控制系统

1.1 总体结构介绍

根据煤矿井下现场工作环境与控制要求，所设计的煤矿井下变电所无人值守系统的总体结构如图1所示。

图1 煤矿井下变电所无人值守系统示意图

无人值守控制系统由地面部分与井下部分构成。地面部分包括用于监控变电所实时状态信号的计算机、可打印故障报告信息的打印机、应对突发停电的UPS不间断电源及与井下进行信息传输的地面环网交换机。当变电所供电系统发生异常，控制系统可将告警信息上传至计算机；地面监控人员可实时观察并调整变电所的运行状态，同时可对变电所故障进行在线排查。

井下部分主要包括信息传输模块和变电所监控保护模块。信息传输模块由多个井下环网交换机构成，其主要功能是传输变电所设备的运行状态信息。因煤矿井下存在强烈的电磁干扰，信息传输模块应具备较强的抗干扰能力，可保证信息传输的准确性与快速性。信息传输模块还应具有多线程处理功能，可实现地面与井下数据的双向传输，使地面计算机发出的控制信号在110 ms内可到达设备端，地面监控端应在90 ms内收到异常报警信号，从而实现对变电所设备的在线调控。变电所监控保护模块由多个综合保护模块、通讯模块及CPU构成。其中综合保护模块包括保护装置、电流传感器、电压传感器和视频监控设备等，可实现对变电所状态的实时监测和保护控制。保护模块首先将监测的数据信息上传至通讯模块，随后经CPU将所得信息进行分析处理，通过信息传输模块将结果上传至计算机。

1.2 系统主要功能

(1) 地面计算机监控系统应具备远程控制、存储、查询变电所运行数据及故障等信息的功能。

(2) 遥测功能。包括测量采集电压、电流、功率、功率因素等交流量及直流电压、温度等直流量的功能。

(3) 遥信功能。可实时测量断路器、隔离开关位置信号，以及瓦斯开关量信号、控制信号、保护动作信号及故障状态信号。

(4) 遥控功能。可对断路器、隔离开关的分合状态进行控制，复归保护信号。

(5) 遥调功能。可在线或就地对保护装置的保护定值进行调节。

(6) 高压联络开关的两段母线切换功能。保证有一回路停电时可继续向设备供电。

(7) 设备状态记录功能。控制系统可定时记录实时开关设备位置，当变电所停电后再次恢复送电时，可根据记录的设备开关状态恢复送电，避免误操作。

(8) 一键送电功能。当变电所发生大面积停电时，排除故障后可通过一键送电功能恢复停电前运行状态，保证了矿井的人员生命安全与生产效率。

(9) 预警功能。对变电所内温度、烟雾、湿度等信息设置整定值，当这些信号超过整定值时保护装置可显示异常并发送报警信号。

2 保护单元设计

变电所内电气设备的启动电流会影响测控元件的控制性能与测量准确性。为提高控制系统运行的可靠性，本文设计了控制系统保护单元，以减小冲击电流对测量与控制功能的影响。所设计控制系统保护单元的结构如图2所示。

图2 控制系统保护单元结构图

该保护单元采用运算速度较快的TMS320F2812型数字信号处理器，并为其配备了专用的电压、电流传感器，便于快速实现微机保护；为保证测量的精确度与实时性，模拟量采集模块采用双通道测量电路，使得电流与电压的采样精度可达到0.01级；同时该保护单元采用光电隔离开关避免控制信号受到冲击电流的干扰。

3 控制系统应用

目前矿井变电所无人值守系统已在国内多处煤矿投入使用，与有人值守模式相比，该控制系统可将采集的电压、电流等信号实时传递至监控计算机，监控员可方便地对变电所实时运行状况进行监控。无人值守控制系统的主要优势有：

(1) 降低了人工成本。有人值守模式下每个变电所通常需要3～4位变电运检人员驻守，以保证其稳定运行。实行无人值守后，整个矿井仅需配备一个3～4人的应急小组即可保证系统持续可靠的供电。

(2) 故障排查与处理效率大幅提高。控制系统可对故障异常信息进行处理与分析，从而快速判断故障发生原因，并提出合理的处理方案。该系统还可自动消除部分简单故障，控制系统投入使用后，可缩短80%的查找故障时间，大幅减少了检修人员的工作量。

(3) 提高了矿井变电所自动化技术水平。控制系统可将变电所运行的各种信息数据呈现在监控计算机的屏幕上，只需一名监控员就可实时监控整个矿井的供电状态。

4 结束语

随着煤矿井下电气设备数量的增加与供电质量要求的提高，传统变电所有人值守模式已无法满足供电可靠性与安全性的需要，本文提出了一种煤矿井下变电所无人值守控制系统，可实现对变电所设备运行状态的实时监测，并判断故障发生原因，自动消除部分故障，大幅降低了人工成本，提高了变电所运行自动化程度。同时该控制系统的硬件与软件可根据矿井的实际状况进行升级、扩展和改进，具有较大的工程应用价值。