电力载波在井下移动变电站监控系统中的应用毛江

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan.2013
第34卷第01期2013年01月
0引言
随着煤矿自动化水平的提高，需要煤矿井下电力监控系统实现变电站的四遥功能，将配有智能保护单元的组合开关接入综合自动化环网，解决“信息孤岛”问题。

井下移动变电站未能实现全面监控，主要是因为这些设备分布比较分散，前期布线和后期维护困难，传统方式实现投资很大，信号电缆或光缆的安装与维护难度大，而且由于采区的恶劣工作环境，经常会出现信号电缆或信号光缆被砸断的情况，使得监控系统不能有效发挥作用。

在通信系统中，根据信道媒质的不同，分为有线通信系统和无线通信系统。

有线通信系统布线复杂、耗资大、成本高；采用无线通信的方式传输信息，存在多途径干扰，系统的可靠性和安全性受到限制。

电力线通信是指利用电力线作为传输各种数字信号和模拟信号的媒介，把调制后的信号叠加在电力电流中，通过电力线传输信号。

由于信号传输介质电力线已经存在，无需再投入资金进行通信线路铺设，并且还可以省去繁杂的信号电缆或光缆的安装与维护工作。

因此，与其他通信方式相比，电力线通信具有不需要重新布线、成本低、维护方便、易施工、可靠性高、应用范围广等优点。

电力载波在井下移动变电站监控系统中的应用
毛江，宋中仓，宗伟林
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116）
摘要：随着电力载波通信技术的不断成熟，电力载波通信在煤矿井下的应用也越来越受到重视。

提出了一种基于电力载波的煤矿井下移动变电站监控系统，电力载波通信系统可以降低矿井通信链路的铺设成本，增大通信范围，提高监测设备的利用效率，降低因通信链路故障而导致的通信中断。

在系统中上位机采用工业组态软件iFIX开发相应的监控系统，提高了煤矿的整体自动化水平，实现信息共享。

关键词：电力载波；矿井通信系统；监控；移动变电站
中图分类号：TD611文献标志码：B文章编号：1003－0794（2013）01－0230－03 Application of PLC in Mine Underground Mobile Substation Monitoring
and Control System
MAO Jiang,SONG Zhong-cang,ZONG Wei-lin
（School of Information and Electric Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China）Abstract：With the extensive application of power line communication,the power line communication has become increasingly in mine underground．The paper provided a mine underground mobile substation monitoring and control system base on power line communication.Power line communication is able to reduce the cost of the set of the communication line,increase the scope of the underground communication system and improve the efficiency of the monitoring device and lower the fault possibility of communication system caused by the failure of communication link.The monitoring center applications iFIX configuration software industry has developed a corresponding monitoring and control system.This system can increase the whole automatic level and realize information sharing.
Key words：power line communication;underground communication system;monitoring;mobile substation
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第34卷第01期Vol.34No.01
电力载波在井下移动变电站监控系统中的应用———毛江，等iFIX 集成了生产操作过程的可视化、数据采集
和数据监控等功能，可以对企业的生产过程进行精确监视，并进行控制。

同时它能够快速地反应生产中的事件，提高原材料利用率，从而提高生产效率，加快产品对市场的反应速度，提高收益。

iFIX 还能
够提供分布式、客户端/服务器结构，为系统提供最大的可扩展性。

为此，本文提出了一种基于电力载波和iFIX 组态的煤矿综合自动化监控系统结构，实现了在地面监控中心对井下移动变电站进行监测和控制。

1电力载波通信
电力载波通信具有不需要重新布线，成本低、
维护方便、易施工、可靠性高、应用范围广等优点，而且电力载波通信的监控点可以深入到矿井各个部分。

理论上，只要有电力线的地方，包括高压、中压、低压电力线，都可以进行监控数据的发送和接收，而且可以灵活调整监测点的位置。

目前，煤矿监控系统的数据传输速率属于kbps 级，而电力载波通信的传输速率为Mbps ，完全能够满足煤矿井下各种数据的传输要求。

在电力载波中，对于电力线上的低频信号（50Hz 工频）电容阻抗很大，相当于断开，不影响电力线工频信号的正常传输；对于电力载波的高频信号（几十kHz 到几百kHz ），电容的阻抗很小，高频信号能够通过电容形成回路。

在信号发送端，首先将数字信号进行调制、放大，然后传给耦合器，耦合器将这个高频信号耦合到电力线上，形成高频电流信号，高频信号通过电力线进行传输，当信号到达接收端耦合器时，耦合器又将这个高频信号从电力线上耦合出来，并进行解调和放大，转换成原始信号。

具体通信流程如图1所示。

图1电力载波通信原理
2移动变电站监控系统总体结构
煤矿井下移动变电站的一次和二次侧综合保
护器中含有移变运行、电网电压、电网电流、移变故障、电网的绝缘水平等状态信息，同时综合保护器还具有远程遥控分合功能。

目前，煤矿井下1140（660）V 低压电网覆盖面广、使用单位多、电缆长度长，特别是采区的电力电缆，时常被脱落的岩石或
煤块砸坏，极易造成漏电事故。

煤矿井下供电电网发生漏电的结果不仅使电气设备进一步损坏，形成短路，还是造成人身触电的主要因素，对其进行监控有着重大的安全和经济意义。

移动变电站的一次和二次侧综合保护器采用标准的Modbus 通信协议，可以方便地与地面监控中心的监控主机进行通信。

Modbus RTU 消息的帧格式如表1所示。

每个消息至少以3.5个字符间隔时间开始。

紧接着是地址段，长度为一个字节，最大
256个设备。

挂接在Modbus 总线上的设备不断侦测
总线上的数据和停顿时间间隔，当接收到第一个字节即地址码时，每个设备都会与自己的地址码比较，判断是否接收数据包。

在每一帧的最后，至少要有3.5个字符的停顿时间，接着可以开始传输新的一帧数据。

表1
Modbus RTU 帧格式
标准的Modbus 通信协议采用奇偶校验方法来对数据进行位校验，采用LRC 或者CRC 对数据进行帧校验。

在消息发送之前，先由主设备生成奇偶校验和帧校验数据，加入到消息帧中进行发送，在接收端时，接收设备对每个数据位和整个数据帧进行校验。

使用Modbus RTU 模式时，帧数据包括最后2个字节的CRC 校验和每个数据位的奇偶校验。

CRC 数据域对整个数据帧的内容进行校验，它由主
设备计算后加入到数据包中，接收设备重新计算收到数据的CRC 值，然后与接收到的最后2个字节的CRC 值进行比较，2个值不相同时则认为帧数据传输错误。

目前，煤矿井下移动变电站分布范围广，井下环网交换机大都分布在主变电站或泵房变电站，在移动变电站和井下交换机的这段距离采用电力载波通信，利用电力电缆将移动变电站一次和二次侧综合保护器信息上传至井下交换机，并通过综合自动化环网上传至地面监控中心，移动变电站监控系统体系结构如图2所示。

图2移动变电站监控系统体系结构
基于电力线的电力载波通信基本过程如下：移
起始位
T1-T2-T3-T4地址
1Byte 功能码
1Byte 数据
NByte
CRC 2Byte
结束符
T1-T2-T3-T4
动力电缆
耦合装置功率放大信号调制信号发送
信号滤波信号解调、放大
信号接收
耦合装置地面环网交换机上位计算机
工业以太网井下环网交换机
载波接收装置动力电缆
移动变电站
载波发送装置
移动变电站移动变电站231
动变电站一次和二次侧综合保护器通过RS485串口传至本侧载波接口，载波接口将数字信息转变成高频的载波信号，并将载波信号传至电容耦合器，耦合器将信号耦合到电力线上，电力线上的载波功率以用户侧电容耦合器、电力线本身、通道电容器以及大地为回路形成载波电流；当此载波电流流过接收侧的耦合器时，将信号进行解调，回复为原始信号；然后将解调的信号通过综合自动化环网传输至地面监控中心。

这样，就实现了移动变电站一次和二次侧电网运行信息的采集、传输、接收和显示。

3iFIX 在监控系统中的应用
移动变电站一次和二次侧综合保护器的信息经过电力电缆和煤矿自动化环网上传至地面监控中心，监控中心的上位计算机通过iFIX 工控软件精确监控井下移动变电站，可以对其进行数据采集、显示、远程分合控制、参数调节等各项功能，并且将采集的数据进行显示和保存，绘制历史曲线，通过设置相应变量的上下限值，实现报警功能，并且记录相关事件，为分析故障原因提供很好的依据。

iFIX 是Intellution 公司的组态软件，功能强大。

用户通过可视化的图形界面，访问后台ODBC 数据库中的数据，并最终实现组态显示、报警、历史查询、历史报警、数据存储分析等功能。

在本系统中，监控系统画面是通过iFIX 的图形控件在WorkSpace 编辑环境中绘制完成的。

4结语
随着煤矿综合自动化水平的提高，移动变电站
的“信息孤岛”问题亟待解决，将移动变电站纳入井
下自动化环网，可以减少移动变电站职守人员、大大提高工作效率。

采用上述基于电力载波进行通信的移动变电站监控系统，能够利用煤矿井下现有的中低压配电网络传输各种数据及系统控制信号，这个方案有效地解决了移动变电站的“信息孤岛”问题，且无需另外铺设通信电缆或光缆，减少通信电缆或光缆的安装与维护工作，具有很好的推广应用前景。

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作者简介：毛江（1988－），河南方城人，中国矿业大学信电学院在校研究生，研究方向为电力电子与电力传动、矿井自动化等，电子信箱：maojiang888@.
责任编辑：马宝玲收稿日期：2012－08－30
防爆柴油机在井下侦测车辆上的应用分析
葛
亮
（中煤科工集团重庆研究院，重庆400039）
摘要：针对煤矿井下灾变后环境复杂和防爆柴油机在极度缺氧状态下动力欠缺的问题，以防爆柴油机动力源为基础，分析了气瓶辅助供氧和在燃油中调配含氧燃料添加剂的可行性，并进行了相关参数的详细计算，为煤矿井下灾变后用于侦测和救援的装甲车辆设计和开发提供指导。

关键词：侦测装甲车；防爆柴油机；极度缺氧；气瓶辅助供氧；含氧燃料添加剂中图分类号：TD77文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2013）01－0232－04
Application Analysis of Explosion Proof Diesel Engine on Vehicle Used
for Underground Detection
GE Liang
(Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Chongqing 400039,China)
Abstract:According to problem that complex environment and power of flameproof diesel locomotive is deficient in under utmost hypoxia after catastrophe underground coal mine,this paper proposes a design idea of small armored vehicle,analyzes feasibility of gas cylinder aided for oxygen and allocation of oxygenic fuel additive,and detailed calculation of related parameters is calculated.Guidance is provided for design and development of armored vehicles used for detection and rescue after catastrophe underground coal mine.
Key words:detecting armored vehicle;explosion proof diesel engine;utmost hypoxia;gas cylinder aided for oxygen;oxygenic fuel additive
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Coal Mine Machinery
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