煤礦井下供電安全監控系統的設計及應用

王旭波，李廣紅

（1.西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014；2.陜西煤礦安全裝備檢測中心 陜西 西安 710001）

煤礦井下供電安全監控系統的設計及應用

王旭波1，李廣紅2

（1.西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014；2.陜西煤礦安全裝備檢測中心 陜西 西安 710001）

針對王村煤礦井下供電監控系統技術老化，可靠性不強的難題，采用通過先進的計算機測控技術和網絡通信技術，實現基于工業以太環網的煤礦井下供電監控系統的開發設計過程。通過實際應用結果表明，此系統成效明顯，使井下供電系統得到了更加可靠的、便捷、高效的監督與控制，為礦井生產和礦山安全提供了可靠地有力的技術保障。對其他礦山生產也有一定的參考或指導意義。

煤礦；井下供電系統；電力安全監控系統；遠程監控；綜合自動化

目前在我國煤礦井下供電系統中，面臨的主要問題是電能質量不穩定，特別是采掘工作面，電氣設備移動頻繁，負荷變化大，大型采掘設備直接啟動，強大的電流沖擊著電網。因此，礦井供電必須保證安全、可靠、經濟，且有良好的供電質量和供電能力。而傳統的井下供電系統監控是通過地面35 kV變電所監控主機來了解各采區變電所的電壓、電流、功率等實時數據，如果通信故障，將對數據的傳輸及故障信息的及時發送和處理造成很大延誤，甚至造成極大的安全生產事故，因此，本課題就是對生產礦井井下供電監控系統進行系統改造，采用先進的計算機技術、網絡通信等對實現煤礦井下各變電所的無人值守，實現礦井安全監控的“五遙”功能，為安全生產提供有力的技術保障。

1 存在的問題

目前國內很多煤礦井下供電系統主要是采用獨立的綜合保護器，井下中央變電所及各采區變電所采用隔爆兼本安型高低壓開關及綜合保護裝置，可以實現就地監測和保護，但沒有通訊接口，不具備對外通訊和數據遠距離傳送功能，地面監控中心無法實時了解井下各變電所運行的開關的位置狀態和電氣參數，無法保證礦井的正常供電和安全生產。

2 總體方案

陜西澄合礦業公司王村煤礦井下改造變電所共有3個，即中央變電所、三下采區變電所和四采區變電所。

其中中央變電所高壓部分為無錫軍工產品，該高壓開關柜配有上海山源ZBT-11B綜合保護單元，保護系統支持“四遙”功能，低壓配電柜選用焦作亞坤產品，綜合保護可就地監測和保護低壓側饋。

三下采區變電所高壓隔爆配電柜為山西華鑫PBG-63016的I型和II型產品，本身配有就地綜合保護系統，I型產品配有單相綜合保護系統，II型配有三相綜合保護系統，綜合保護系統不具備對外接口功能，不支持 RS485接口，而不具備數據上傳的條件。低壓側饋電開關為浙江三洲防爆饋電開關，產品型號為BKD-400/1140(660)Z，產品具有就地綜合保護系統，不支持 RS485接口，而不具備數據上傳的條件。

四采區變電所高壓饋電開關和低壓饋電開關產品為濟源市金光電器有限公司KBZ系列產品，真空饋電開關配有綜合保護系統，支持 RS485接口，本次設計主要是將井下電力監測分站系統接入四采區變電所綜合保護裝置，并進行接口轉換，接入至四采區變電所的以太網交換機。

基于現場實際情況，本次設計改造主要包括以下內容：

1）中央變電所配套安裝一套電力監測后臺主站；

2）三下和四采區變電所安裝接口轉化器，實現接口轉換：RS485轉換RJ45接口/光口，通訊協議為Modbus協議，為使各變電所順利接入至就近綜合自動化平臺的環網交換機，使電力綜合保護系統在硬件接口上滿足接入在調度中心形成的工業以太網絡數據傳輸平臺。并通過建設中央變電所的電力監測監控后臺主機，使本地具有監測和監控本地變電所的電力監測監控的“四遙”功能；

3）通過中央變電所、三下采區變電所、四采區變電所監控系統電力綜合保護系統的接入，在調度中心實現監測各變電所的運行參數和饋電開關的運行狀態，實現遠方合分閘功能，最終實現各變電所無人值守功能；

4）三下采區變電所中的電力綜合保護裝置換成配套使用的具有RS485接口綜保裝置，實現綜保的遠傳功能，通過RS485接口及接口轉換器，通過分站接入至三下采區變電所的以太網交換機；

5）四采區變電所具有RS485接口，將四采區變電所的電力綜保裝置通過RS485接口，轉換后接入四采區變電所的以太網交換機。

6）建成后的井下供電監控系統還應該具有防止越級跳閘功能。越級跳閘是指電力系統故障時，應由保護整定優先跳閘的斷路器來切除故障，但因故由其他斷路器跳閘來切除故障，這樣的跳閘行為稱為越級跳閘。解決措施是開關的選擇配合上要嚴格認真，盡量在一路供電系統中選擇一種類型的開關，避免因為保護方式的不同而引起開關的跳閘現象。

3 煤礦地面供電系統概況

3.1 地面供電系統情況

井下四回路6 kV電源直接引自位于礦區工業場地東南角的澄合礦業電力中心所管轄的110/35/6 kV變電站6 kV不同母線段。東區變電站一回路110 kV供電電源引自西高明330/110 kV變電站，供電距離23 km；二回110 kV供電電源引自南蔡110/35 kV變電站，供電距離2.7 km。架空線規格均為LGJ-185，一回路運行，另一回路熱備用。

東區變電站安裝2臺S3210-M50000/110/35/6 50000kVA變壓器，6 kV輸出端采用單母線分段運行。地面設有主井提升機房、副井提升機房、空壓機房、工業場地、篩選樓、鍋爐房、東風井、西風井及裝車倉等九所變電所，變電所進線電源均采用雙回路供電。

3.2 井下供電系統概況

1）副井井底附近設6 kV中央變電所，雙回路6 kV電源引自東區110/35/6 kV變電所6kV不同母線段，采用4趟MYJV22-10kV-3×185 mm2交聯鎧裝銅芯電纜沿副立井井筒敷設下井，長度700 m。中央變電所安裝2臺KSGB-315礦用隔爆干式變壓器，用于向井底車場低壓負荷供電；安裝2臺整流變壓器，用于向架線電機車供電。同時向主排水泵、一采區變電所、三采區變電所、三下采區變電所和四采區臨時變電所提供6 kV高壓電源，其中三采區變電所、三下采區變電所分別向兩個回采工作面供電。

2）井下變電所及變配電點均安裝礦用隔爆型干式變壓器或礦用隔爆型移動變電站，掘進工作面局部通風機采用“三專”供電，雙風機雙電源自動切換，安裝有風電瓦斯閉鎖裝置。

礦井雙回路供電電源符合《煤礦安全規程》要求。

3）礦井總裝機容量為22 995 kW，工作容量為12 647 kW。其中井下最大涌水時計算負荷為5 791 kW，礦井2011年年產原煤201萬噸、用電量為2 687.37萬度，原煤綜合電耗為13.37 kW·h/t。

4 井下供電監控系統的關鍵技術及解決辦法

由于礦井下空間狹小、環境潮濕、井下有涌水而且還有瓦斯和煤塵，而井下供電監控設備主要是由井下中央變電所監控主站與各電力監測分站之間通過通信電纜傳輸數據給交換機和監測主機；監測分站內的所有電氣元件及接頭部分必須采用防水防爆隔塵兼本安型設備，生產廠家必須具有煤礦安全生產準入資質。

所以，開發團隊在對王村煤礦井下供電系統進行反復多次的實地考察、調研之后，總結出設計中需要攻克的幾個關鍵技術及解決辦法：

1）智能采集器的設計

選擇的電流、電壓等新型智能采集器要滿足井下供電監控系統實時監測監控需要，還應該具備體積小、功能強、耗電少、安全可靠性高等特點。能實現在線監測和控制，還能實現遠距離遙控的功能。

它的連線也很關鍵，必須保證與原來安裝的高壓真空開關內的綜保電路及控制執行機構保持各自獨立工作，這是數據采集電路設計的關鍵問題所在。在設計中選用的智能采集器必須具有光電隔離作用。

2）通信

通信是指計算機之間的數據交換。要實現地面監控主站實時快速地監測井下各綜合保護器中斷路器、開關的位置信號或母線電壓、電流、功率等等電氣參數，井下各監測分站與地面監控主站之間不斷地傳輸數據并刷新數據。所以通信在計算機系統中是非常重要的組成部分。在做王村煤礦井下供電監控系統設計改造中，本人與設計開發人員經過綜合比較，選擇基于工業以太環網技術，在井下供電監測主站和各監測分站之間建成100 M的高速光纖網絡，由各監測分站通過RS485通信接口連接到井下高速環網交換機，組成高速的計算機通信網絡，與地面監控主站進行實時通信。

3）分站的雙向通信功能

分站的主要功能是實現雙向通信。目前市場上的單片機大多只具有一個串行口，只能進行單向通信，無法滿足井下供電監控系統進行實時監控、雙向交換數據的需要。為提高計算機的運行速度，不影響分站的工作性能，在本次設計中我們采用雙單片機結構，并采用雙口RAM進行數據暫存和緩沖，兩只單片機獨立工作，互不影響，能夠快速地把井下各變電所內的數據快速地傳輸給監測分站，再通過井下環網交換機送給地面監控主站，實現井下供電系統的實時在線監控。

4）系統的分、合閘功能

為實現系統的遠距離分、合閘，從計算機操作、通信到由數據采集器執行主站端發送的控制命令等過程實施專人操作、密碼驗證、專線傳輸、實時監測、定時中斷等技術措施。

5 系統構成

5.1 系統組成及各部分作用

煤礦供電監控系統由3大部分組成：地面監控主站、井下監測分站和各電力測控單元（高開綜合保護器）。

1）地面監測主站是一套供電系統專業版組態軟件系統，按照井下供電系統監控的設計規范，對供電系統進行監測、控制、統計和分析。地面部分由監控工作站、備用工作站、打印機、數據傳輸光端機、網絡設備等組成。

2）井下監測分站是地面監測中心主站和電力測控單元之間的橋梁，它主要用于與井下高壓開關內的綜合保護裝置的通訊，另一方面還要完成故障錄波、數據傳送、數據存儲、命令下達、當地監控，通過井下工業以太環網，與地面監控中心實現遠距離通信。其安全可靠性對整個系統起到至關重要的作用。井下部分由地面部分KJ275－F井下分站、智能型高低壓終端保護裝置等組成。

3）電力測控單元（綜合保護器）的作用主要負責變電所設備的數據采集與轉發，并下發執行地面監測中心發出的遙控命令。

通訊平臺是由光端機通過光纖傳輸，將井下各變電所的綜合保護器接入監控分站，各監控分站并入井下工業以太環網，將信息轉換后傳送給地面監控中心主機，井下各變電所的電氣參數可以實時顯示在大屏幕液晶顯示器或存儲在監控主機存儲器的相應位置，形成歷史報表數據。

如圖1所示為煤礦井下供電監控系統硬件結構圖。

其中井下電力監控分站采用的是煤礦用隔爆兼本質安全型井下電力監測分站KJ275-F。變電所的電氣設備測控裝置及綜合保護器的通訊端子通過RS485總線連接至變電所的KJ275－F井下監控分站，主要執行數據采集、計算、記錄、保護、控制執行、數據傳送等操作，適用于監測監控煤礦井下各個等級變電所內的供電開關設備。 KJ275-F系統基于Windows NT/2000/XP操作系統，硬件以工控機或高檔PC機為主，軟件設計中采用了分層設計、組件化、標準化、開放式等先進的軟件開發思想，為用戶提供了可靠、安全、易于操作的監控系統平臺。適用于煤礦井上、下變電所高低壓供電系統中實時過程測量、控制及監視、實現連續監測電力系統運行參數、及時發現故障、有助于防止事故擴大和縮短停電時間、合理調配電力，提高電網運行質量、減輕電費支出，實現變電所的無人值守。

圖1 煤礦井下供電監控系統硬件結構圖Fig.1 Coal mine power monitoring system hardware structure

5.2 系統功能

1）數據采集功能：采集、傳輸開關的各種參數；2）控制功能：實現對各類開關的遠程控制；3）遠程參數的整定功能；4）數據和事件的存儲和查詢功能；5）顯示功能：將各種運行狀態、參數以圖形、曲線、表格、動畫等多種形式生動顯示出來；6）打印功能，將事件、運行數據等打印出來；7）人機對話功能；8）自診斷功能；9）雙機切換功能，實現系統主機雙機備份；10）備用電源功能：在系統停電后能繼續工作2小時；11）網絡通訊功能；12）軟件自監視功能；13）軟件容錯功能；14）實時多任務功能；系統按現場要求進行功能的升級和增加。15）防越級跳閘功能：防止開關越級跳閘，造成開關及保護誤動。

6 結束語

本系統建成投運后，試運行一年時間。在安裝初期，出現幾次電壓、電流畸變的情況，經過對設備調試、補償后，目前波形基本平穩。目前電力監控系統運行正常，能夠實現地面電力監控主站對井下各電力監測分站實現遙控、遙調、遙測、遙信等功能，，對井下各采區變電所內高低壓開關綜合保護器及真空開關的位置狀態及電氣參數等均能實現在線監控。以后有望在其他煤礦推廣應用。

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Coal mine safety monitoring system power supply design and application

WANG Xu-bo1,LI Guang-hong2
（1.Xi'an Railway Vocational and Technical College, Xi'an 710014,China;2.Shaanxi Coal Mine Safety Equipment Testing Center, Xi'an 710001,China）

Technology for the granddaddy of aging underground mine monitoring system supply reliability is not strong challenges through the use of advanced computer control technology and network communication technology, industrial development and design based on the Ethernet ring network monitoring system in coal mine supply process. Through practical application results show the effectiveness of this system is obvious that underground power supply system has been more reliable, convenient and efficient supervision and control of mine production and mine safety to provide a reliable strong technical support. Other mine production also has some reference or guide.

coal mine; underground power supply system; electric power safety monitoring system; remote monitoring;integrated automation

[TN98]

A

1674-6236(2014)14-0081-03

2013-09-24 稿件編號：201309190

王旭波(1977—)，女，陜西藍田人，講師。研究方向:電力系統自動化。