霍州煤電辛置礦井下無人值守采區(qū)變電站自動化系統(tǒng)設計研究

于敬澤

（霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

當前階段，我國煤礦行業(yè)生產過程基本上實現(xiàn)了自動化[1]。在煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)中，變電站是非常重要的構成部分。煤礦行業(yè)的特點決定了變電站分布比較廣，不同變電站之間距離很遠[2]。在這種情況下，如果采用傳統(tǒng)的人工方式進行運行和管理，不僅工作效率非常低下，且需要耗費大量的人力和物力。基于此，實現(xiàn)煤礦井下變電站自動化是發(fā)展的必然趨勢，自動化系統(tǒng)在變電站中的應用可實現(xiàn)無人值守，這樣可降低日常運營成本，提升工作效率，確保變電站的可靠性[3-4]。本文以霍州煤電辛置礦井變電站為例，詳細介紹了無人值守采區(qū)變電站自動化系統(tǒng)。

1 無人值守采區(qū)變電站自動化系統(tǒng)結構的設計

1.1 自動化系統(tǒng)的整體設計

本文設計的無人值守采區(qū)變電站自動化系統(tǒng)主要由兩大部分構成，分別為集控主站和受控子站。該自動化系統(tǒng)除了最基本的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓δ芡猓€增加設置了微機自動巡視和實時跟蹤監(jiān)視功能，這兩項功能是實現(xiàn)無人值守的關鍵。如圖1所示為無人值守采區(qū)變電站自動化系統(tǒng)結構圖，從圖中可以看出，集控主站主要包括1個操作員工作站、2臺SCADA服務器、主前置機和備前置機，還有綜合操作屏，該屏幕會實時顯示整個變電站內一些關鍵的電氣參數(shù)。而受控子站主要包括防誤閉鎖裝置、測控保護裝置以及視頻傳輸模塊。集控主站和受控子站兩者之間相對獨立，通過光纖通道進行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

圖1 無人值守采區(qū)變電站自動化系統(tǒng)結構圖

1.2 集控主站系統(tǒng)的設計

對于無人值守變電站自動化系統(tǒng)而言，集控主站是其核心部分，主要功能就是針對受控子站進行遠程操作和監(jiān)測、遙控巡視等，為收集準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)提供堅實的保障。集控主站操作顯示屏幕需要對所有受控子站的視頻信息進行實時顯示，因此中間涉及到大量的數(shù)據(jù)處理與傳輸，這些數(shù)據(jù)首先要通過視頻監(jiān)視主機進行處理后才能在屏幕上顯示?，F(xiàn)場采集得到的數(shù)據(jù)存儲在操作員工作站中，同時還可通過工作站實現(xiàn)綜合操作屏的控制。另外，考慮到無人值守變電站自動化系統(tǒng)在整個生產過程中的重要作用，為確保萬無一失，為集控主站配備了一個UPS備用電源。

1.3 受控子站系統(tǒng)的設計

在無人值守變電站自動化系統(tǒng)中，受控子站是最底層的部分。受控子站的結構可以分為兩種，分別為分布式結構和集中式結構[5-6]。其中，集中式結構只通過一臺計算機進行控制，將所有的微機控制器、視頻采集設備等這些基礎的設備全部接入到這臺高性能計算機中，利用這一臺計算機來完成數(shù)據(jù)的分析和處理。這種結構的形式簡單、操作方便，但是可靠性較低，如果此臺計算機出現(xiàn)故障那么整個系統(tǒng)就會崩潰?？紤]到集中式結構的缺陷，本文最終選擇分布式結構搭建受控子站系統(tǒng)。對每個微機控制器都利用一個CPU對其進行控制，通過這樣的方式使得每個微機控制器都具備了數(shù)據(jù)分析和處理能力。微機控制器通過CPU直接與主機相連進行數(shù)據(jù)通訊。分布式結構由于采用多個CPU，即便某個CPU出現(xiàn)故障，不會對其他微機控制器產生影響。這種模式能夠在很大程度上提升了整個系統(tǒng)的可靠性，也有利于及時排除故障問題。

2 微機測控保護裝置的設計

2.1 硬件的設計

2.1.1 液晶屏的設計

采用MSP430f5438a型芯片作為主控芯片，此芯片通過3.3 V直流電壓進行供電，整體功耗相對較低，當系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，該芯片的供電電流僅為1 mA。雖然功耗較低，但完全能夠滿足煤礦井下變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集相關要求，速度快、實時性很高。本系統(tǒng)在控制器外部增加設置了一個12864顯示器，通過該顯示器可以達到人機交互的目的，這款顯示器具備豐富的中文字體庫，整個界面可以實現(xiàn)全中文顯示，滿屏狀態(tài)下可以顯示16×16個漢字。自動化系統(tǒng)可將變電站中存在的問題顯示在顯示屏中，巡視人員到達現(xiàn)場后，可直接通過顯示器內容來迅速定位問題并完成對應的操作。如圖2所示為12864液晶顯示屏的電路原理圖。

圖2 12864液晶顯示屏電路原理圖

2.1.2 實時時鐘的設計

為了方便針對出現(xiàn)的故障問題進行深入分析，本文在微機測控保護裝置中增加設置了一個時鐘模塊，該模塊能夠實時高精度地顯示系統(tǒng)時間。系統(tǒng)時間記錄的準確性對于通過分段保護原理的保護系統(tǒng)而言尤為重要，因為下級系統(tǒng)的動作時間通常都是基于時鐘系統(tǒng)的記錄時間進行計算，時鐘系統(tǒng)記錄時間的準確性非常重要。本文選用DS1302芯片作為時鐘模塊的主芯片，當外部供電電壓在2～5.5 V的條件下該芯片都能夠正常工作，正常工作時的電流值為300 mA，如圖3所示為DS1302芯片的接線原理圖。X1、X2兩者中間連接有一個晶振，頻率為32.88 Hz，其作用是為芯片提供系統(tǒng)時鐘，CE、I/O、SCLK分別與MSO430型號單片機中的不同I/O接口進行連接。如果需要讀取時鐘模塊的時鐘信號時，需要把CE引腳置高，I/O接口可以實現(xiàn)雙向通信，Vcc1和Vcc2為兩個電源，其中后者為主用電源，前者為備用電源且可以通過外接的電源進行充電。如果Vcc2處于正常工作狀態(tài)，那么Vcc1就處于充電狀態(tài)。一旦Vcc2出現(xiàn)故障，Vcc1可以立即切換狀態(tài)投入使用，確保時鐘系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。

圖3 DS1302芯片電路

2.2 軟件的設計

無人值守變電站自動化系統(tǒng)軟件通過C語言進行編程，如圖4所示為軟件的工作流程圖。自動化系統(tǒng)通電并初始化后，緊接著就是對微機控制器保護實施自檢，自檢過程中如果發(fā)現(xiàn)問題，常見問題主要包括電壓過高、互感器斷電等，那么軟件系統(tǒng)就會重新啟動。如果自檢順利通過沒有發(fā)現(xiàn)問題，打開中斷，自動化系統(tǒng)就會對變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集并處理。隨后通過通信系統(tǒng)對采集得到的數(shù)據(jù)信息進行傳輸并顯示，如果存在故障問題，則需要對故障進行處理。

圖4 無人值守變電站自動化系統(tǒng)軟件工作流程圖

數(shù)據(jù)分析和處理是微機保護中的重要內容，采集得到的數(shù)據(jù)信息需要通過控制器進行分析處理并判斷，牽涉到的算法主要有：將分析處理后的結果與預先設定的結果比較，根據(jù)比較結果判斷是否需要啟動保護動作；分析處理后的結果是不是處在保護范圍內，如果在保護范圍內則要啟動保護動作，反之則不需要啟動保護動作。當數(shù)據(jù)信號不是非常穩(wěn)定時，則通過小波變換的方式對數(shù)據(jù)進行處理，通過該種方法可以對高頻、低頻信號進行多層面分析。

3 防誤閉鎖裝置的設計

對于煤礦井下變電站而言，防誤閉鎖裝置是其中非常重要的構成部分。監(jiān)測系統(tǒng)針對變電站現(xiàn)場電氣設備發(fā)出的命令都需要通過防誤閉鎖裝置進行檢測，如果檢測發(fā)現(xiàn)命令不合理或者該命令可能會對電氣設備造成故障問題時，那么監(jiān)測系統(tǒng)下達的命令將會無效?？梢钥闯龇勒`閉鎖裝置在保護變電站電氣設備中發(fā)揮著重要的作用，是確?，F(xiàn)場電氣設備安全的最后一道防線。這種工作模式與傳統(tǒng)的工作票模式相比較而言可靠性更高。閉鎖裝置設定有一段特殊的編碼，這段編碼就是安全密鑰，只有在安全密鑰完全準確的情況下才能實現(xiàn)防誤閉鎖裝置的解鎖。監(jiān)測系統(tǒng)與防誤閉鎖裝置直接相連，如果系統(tǒng)檢測下達的命令不正確，那么該命令就不會得到真正執(zhí)行，并且會將相關信息反饋到集控主站中。集控主站對反饋回來的信息進一步分析處理后會下達解鎖指令，只有防誤閉鎖裝置解鎖后，命令才能往下執(zhí)行。系統(tǒng)操作人員可以充分結合現(xiàn)場實際情況調整系統(tǒng)中的各種預先設定值，修改后的數(shù)據(jù)會實時上傳至集控主站。如圖5所示為防誤閉鎖裝置基本結構原理圖。

圖5 防誤閉鎖裝置基本結構原理圖

4 結論

本文以霍州煤電辛置礦井為例設計的無人值守變電站自動化系統(tǒng)主要有兩大部分構成，分別為集控主站和受控子站，兩者之間通過光纖系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。各受控子站可以對變電站現(xiàn)場電氣設備基礎數(shù)據(jù)信息進行采集，信息可通過集控主站中的綜合操作屏實時顯示，實現(xiàn)無人值守。在該系統(tǒng)的設計中，增加設置了顯示屏和時鐘模塊，在很大程度上提升了系統(tǒng)的工作效率和可靠性。