煤矿无人值守变电站自动化系统的研究

第２期（总第２１３期）２０１９年４月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２Ａｐｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－０１７６－０２煤矿无人值守变电站自动化系统的研究赵海鹏（山西煤炭进出口集团，山西　太原　０３０００６）摘要：对煤矿变电站自动化系统进行设计，包括集控主站、受控站系统设计；通过对电路硬件的选型、设计，实现对煤矿变电站设备运行的实时监视，进而达到无人值守的目标。

利用ＭＳＰ４３０单片机作为主控芯片，ＤＳ１３０２芯片提供实时时钟，设计了微机保护装置的硬件和软件结构。

关键词：煤矿；变电站；自动化系统中图分类号：ＴＰ２７３∶ＴＤ６１１＋．２ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１８－０６－２９；修订日期：２０１９－０１－２９作者简介：赵海鹏（１９８８－），男，山西方山人，机电工程师，本科，主要从事煤矿机电的工作。

０　引言在我国的煤矿生产中，大部分生产环节都实现了自动化，变电站是煤矿电网系统中的重要组成部分，在煤矿中的分布一般比较分散，相隔距离较远，如果采用人为管理，操作人员分时巡视，则费时费力，造成人力资源的浪费。

通过对变电站自动化系统的设计研究，可提高煤矿电网自动化管理的水平，增强电网运行的可靠性，降低用电设备的运行、维护成本。

１　煤矿无人值守变电站系统结构１．１　无人值守变电站系统设计无人值守变电站系统主要包括集控主站和受控站两个方面。

在数据采集、传输的基础上，增加微机自动巡视和适时跟踪监视将是实现煤矿无人值守变电站的关键所在［１－２］。

无人值守变电站的系统结构如图１所示，集控主站包括２个ＳＣＡＤＡ服务器、１个操作人员工作站和２个前置机（一个主用、一个备用），综合操作屏能够显示现场视频和受控子站的电气参数；受控子站系统包括测控保护装置、防误闭锁装置、视频传输模块。

集控主站和受控子站之间通过光纤进行通讯。

图１　无人值守变电站系统结构图１．２　集控主站系统设计集控主站是整个变电站自动化系统的主体，其主要功能包括对各受控子站的监测、遥巡、远程操作等，对现场数据的采集具有重要的作用。

综合操作屏需要显示各受控子站的实时视频，数据量较大，需要经过视频监视主机的数据处理，才可以在操作屏上显示。

操作员工作站可以实现对现场数据的存储，也可以对综合操作屏操作。

此外，作为煤矿变电站自动化系统的重要部分，集控主站备有ＵＰＳ备用电源，可以在变电站遇到突发情况时保证现场主机不断电，实现对受控子站的不间断监测、监视。

１．３　受控子站系统设计受控子站是煤矿变电站自动化系统的基础部分，在受控站的设计中，可以采用集中式结构和分布式结构两种方式。

集中式结构是在受控子站中，应用一台高性能的计算机，并对其Ｉ／Ｏ口进行扩展，将现场所有微机控制器、视频采集设备等信息进行集中采集、处理，这种结构可以使现场布线简单，对控制器的操作相对集中，缺点是可靠性不高，计算机出现故障时则会发生严重的后果。

为了增加系统的稳定性，降低监测设备的故障率，现场采用分布式结构。

系统由多个ＣＰＵ共同工作，采用主从工作模式，多个微机控制器采用独立ＣＰＵ进行单独控制，微机控制器的ＣＰＵ接收主机的命令，并将监测结果返回主机，多ＣＰＵ配合工作，提高了系统的抗干扰能力。

当其中一个ＣＰＵ出现问题时，不会影响其他ＣＰＵ的正常工作，也方便检查和排除故障。

２　微机测控保护装置２．１　硬件设计２．１．１　液晶屏设计微机测控保护装置的主控芯片选用ＭＳＰ４３０ｆ５４３８ａ型芯片，该芯片是一款１６位的低功耗芯片，采用外部３．３Ｖ直流电压供电，在休眠模式下，供电电流为１ｍＡ，在降低功耗的前提下，能够满足现场数据采集的实时性和快速性要求。

为了增加微机控制器的人机交互性，在控制器的外部增加１２８６４显示屏，该显示屏自带中文字库，具有４位／８位并行、２线或３线串行多种接口方式。

可以进行全中文的实时显示，最多可以显示８×４（行）１６×１６（点阵）的汉字。

为了增加微机控制器的可读性，巡视人员可以根据显示屏的提示信息进行相关的操作，对电气设备运行进行维护或现场控制。

液晶显示屏的硬件电路原理如图２所示。

图２　１２８６４液晶显示屏电路２．１．２　实时时钟设计在微机测控保护装置中增加高精度的时钟模块，以实时显示系统的工作时间，当发生故障时，便于进行故障分析。

在利用分段保护原理的保护系统中，系统时钟的精确性特别重要，下级系统的动作时间往往需要经过时钟系统的精确推算。

本系统中的时钟芯片选择ＤＳ１３０２，该芯片是美信公司生产的一款具有涓流充电功能的时钟芯片，可以在外部直流电压为２．０Ｖ～５．５Ｖ的供电条件下工作。

工作电流为３００ｍＡ，该芯片与主控芯片的接线电路如图３所示。

Ｘ１、Ｘ２之间接有一个３２．８６９ｋＨｚ的晶振，为ＤＳ１３０２芯片提供系统时钟，ＣＥ、Ｉ／Ｏ、ＳＣＬＫ分别接单片机的３个Ｉ／Ｏ口，当需要读ＤＳ１３０２的时钟时将ＣＥ引脚置高，Ｉ／Ｏ口是一个双向通讯的引脚，ＳＣＬＫ可以为ＤＳ１３０２和ＭＳＰ４３０之间提供通讯的时钟信号，ＶＣＣ２为电源供电，ＶＣＣ１为备用电源，可以外接一个可充电电池，当ＶＣＣ２正常工作时，电池处于充电状态；当外部电源发生故障时，ＶＣＣ１供电，时钟系统继续工作。

图３　ＤＳ１３０２芯片电路２．２　软件设计微机测控保护装置的软件主要由ＩＡＲ软件进行编程，采用Ｃ语言编写，程序流程如图４所示，当系统上电后对微机控制器的保护进行自检，如果保护系统不正常，例如互感器断电、电压过高等，则进行软件重启。

保护系统正常时，打开中断，开始进行数据采集和处理。

之后，要将处理完的数据进行显示和发送，并对故障情况进行初步的处理。

在微机保护中，数据处理非常关键，控制器需要对采集的数据进行判断，涉及的算法主要包括：①将采样值和预设值进行比较，之后判断是否需要继电器动作；②判断采样值是否在保护的范围内，决定是否启动动作继电器。

在针对非平稳信号的数据处理时，采用小波变换的方法，实现对低频、高频信号的多角度分析。

故障判断处理主要包括差动保护、瓦斯保护、复合电压闭锁、过电流保护、过负荷保护等的判断与处理［３－５］。

图４　软件流程３　防误闭锁装置防误闭锁装置是煤矿变电站中的重要组成部分，当监测系统对现场的电气设备发送命令之后，需要经过防误闭锁装置的检查，如果命令不合理或者造成电气故障，则不能操作断路器或者隔离开关。

它是保护现场电气设备的最终防线，可以有效地防止现场事故的发生，相比于传统的工作票工作模式更加严格。

在防误闭锁装置中设有安全钥匙，为特定的一段编码，只有编码正确时才可以解锁防误闭锁装置；防误闭锁装置与集控主站的监测系统保持通讯，当现场的操作指令不合理时，系统不会进行下一步的动作，当得到集控主站的指令解锁后，现场操作才会向下执行。

操作人员针对现场情况的变化，对装置中的预设值和动作阈值进行修改，每一次修改都会上传至集控主站进行数据的更新。

防误闭锁系统结构如图５所示。

图５　防误闭锁装置结构图４　结语本文针对煤矿的变电站特点，设计无人值守变电站自动化系统，包括集控主站和受控子站系统。

为了（下转第１８０页）·７７１·　２０１９年第２期 赵海鹏：煤矿无人值守变电站自动化系统的研究组进行供电，否则断开Ｑ２，停止供电。

为了保护电池组，当电池的输出电压小于５．８Ｖ时，关闭Ｑ３从而停止供电，然后外部电路对电池组充电；当电池组的输出电压大于６．５Ｖ时，才重新开启Ｑ３继续放电。

电池组管理子程序流程如图７所示。

图７　电池组管理子程序流程图４　系统试验和调试在实验室搭建了扩音电话系统试验平台，包括语音报警模块、２台扩音电话以及一台１８Ｖ本安电源。

试验平台如图８所示。

在测试过程中，由语音报警模块向扩音电话发送语音报警信号，两台扩音电话均能广播语音报警。

按下任意一台扩音电话的通话按钮，对其麦克风喊话，另一台扩音电话快速输出通话声音，松开通话按钮后，通话声音消失。

按下任意一台扩音电话的打点按钮，两台扩音电话均播放打点声音，松开打点按钮后，打点结束。

测试表明，扩音电话系统能够实现打点联络、半双工通话以及语音报警的功能。

５　结语针对现有带式输送机控制系统存在的不足，设计了功能完善的扩音电话系统，经过测试，该扩音电话系统能够完成打点联络、半双工通话以及语音报警的功能，并且在测试过程中表现出较好的语音通话质量，解决了现有带式输送机控制系统无法进行语音通话以及沿线故障报警的问题，提高了带式输送机运行的安全性。

图８　测试平台参考文献：［１］　石祥春．煤矿带式输送机安全保护装置安装及检验方法探讨［Ｊ］．内蒙古煤炭经济，２０１４（７）：２０９．［２］　白亚林，宋建成．基于ＰＬＣ的带式输送机综合保护系统的研究［Ｊ］．工矿自动化，２００８，３４（５）：５２－５５．［３］　黄民，潘虎生，胡成，等．钢绳芯带式输送机实时综合监测与保护系统［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００６，３５（５）：６７３－６７８．［４］　张玉华．基于ＭＣＧＳ组态软件的带式输送机监控系统［Ｊ］．煤矿，２０１０，１５（１）：４－７．［５］　路潞．“采煤机监控系统”数据可视化技术的研究与实现［Ｄ］．上海：复旦大学，２００９：１５－１７．［６］　牛文斌，王明勇．电牵引采煤机网络远程监控控制系统［Ｊ］．科技传播，２０１１（２０）：１６５，１７５．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｐｈｏｎｅ　ｆｏｒ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｂｅｌｔ　ＣｏｎｖｅｙｏｒＺＨＵ　Ｘｉｎ－ｒｕｉ（Ｙａｎｇｑｕａｎ　Ｄａｙａｎｇｑｕａｎ　Ｃｏａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎｇｑｕａｎ　０４５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｂｅｌｔ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｍａｋｅ　ｖｏｉｃｅ　ｃａｌｌｓ　ａｎｄ　ｖｏｉｃｅ　ａｌａｒｍｓ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅ，ａｗｅｌｌ－ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｂｅｌｔ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｏｉｎｔ　ｃｏｎｔａｃｔ，ｈａｌｆ－ｄｕｐｌｅｘ　ｃａｌｌａｎｄ　ｖｏｉｃｅ　ａｌａｒｍ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｄｅｔａｉｌ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ａｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｗｏｒｋ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅｌｔ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ；ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ；ｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙ櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆ｓｔｅｍ（上接第１７７页）提高数据传输的速度，在两个系统之间利用光纤进行通讯，通过集控主站的综合操作屏进行实时显示。