煤礦井下供電設備在線監控系統的研究

趙聰敏

（同煤集團煤峪口礦供電科，山西 大同037003）

引言

煤礦井下生產設備主要為電氣設備，對供電網絡依賴性嚴重，井下作業空間狹小復雜、照度低、環境濕度大，作業過程設備移動頻繁。隨著開采面的延伸，電網電阻變大，波動也逐漸增加，維修也比較困難，電氣設備及線路的絕緣強度和安全性也受到井下各種事故影響而減弱，諸多因素制約了為井下提供安全、可靠的電力供應。人為操作造成的單相接地、短路、斷相等故障比較常見。電力供應故障不僅造成生產中斷，影響進度，產生的電火花也會造成瓦斯、煤塵的爆炸事故，煤礦的安全高效生產受到了供電質量的制約[1]。盡管這些問題已經受到了煤礦井下作業單位的重視，煤礦企業不斷完善監控技術手段，但是人為誤操作、信息傳輸滯后和報警延誤仍影響了煤炭開采質量和作業人員安全，因此研究新的在線監控系統，對保證井下供電安全具有重要意義。

1 井下供電監控系統的現狀和存在問題

目前大部分煤礦供電監控系統，地面部分監控采用成熟的微機實現保護，但是井下設備供電監控不成熟，防爆電氣雖然設置了短路保護、欠壓保護、缺相保護多種保護措施，但井下設備與監控主站、設備間存在信息交互不暢問題。井下供電系統設置綜合型獨立保護器，各區變電站設置本安型開關和綜合保護裝置。盡管監控裝置可以進行故障保護，但監控數據不能和監控主機進行遠程實時傳輸，造成地面監控主機不能及時獲得井下設備的運行狀態，甚至會造成大面積停電問題[2]。現有監控系統不足歸納為，數據采集只能通過綜合保護器RS485接口進行采集，網絡通訊協議通用性較差，PLC控制器的監控單元通信容易受到限制。此外，也有部分煤礦安裝了井下供電監控系統，初步實現了遠程監控，可以進行供電參數采集、繼電保護裝置狀態實時顯示，但煤礦井下供電監控系統需要實時高精度自動化運行，因此，對井下供電監控系統結構改進、完善，并兼容現有信息通信非常必要的。

目前常見煤礦井下供電監控系統結構如圖1所示，監控系統需要進行如下幾方面改進[3-4]：井下監控單元在數據采集點配置通信接口和采集電路，實現實時數據采集；改造井下監控網絡，實現多種通訊協議，提高監控單元通用性和可擴展性；采用新的井下監控單元控制器，提升數據采集、通信的能力，減少控制單元體積，降低設備采購成本；增加開發計算機與井下監控單元的通信協議。

圖1 常見的煤礦井下供電監控系統結構圖

2 井下供電在線監控系統方案的制定

井下供電在線監控系統設計原則為：保證煤礦電網監控實現自動化要求；硬件和軟件具有開放性，設備接口采用通用標準，并與多種自動化控制系統兼容，實現各級系統的信息共享；采用技術成熟的硬件和軟件產品，提高系統的可靠性、安全性能；可根據功能需要進行功能拓展；零部件均選用可靠性高的產品，關鍵部位采用冗余設計，采用雙機熱備方式提高結構冗余，保證監控系統安全運行；選型產品具有很好的經濟性，可降低監控網絡系統的建設成本。

井下供電在線監控系統分為設備管理層、變電層、通訊平臺和地面監控層四層。設備層通過RS485總線接入變電所的測控分站，設備層進行采集和計算數據、設備保護和運行過程控制。測控分站對數據進行轉發，并通過網絡對供電系統進行監測、統計、控制和分析，對變電所綜合選漏、錄播存儲和當地監控。井下供電在線監控系統主要對配電裝置、移動變電站和防爆開關等供電裝置進行遠程監控，并對線路運行狀態進行遠程實時監測，可遠程整定保護裝置的動作參數，并可對開關設備遠程投切。工作人員對供電設備保護裝置的整定操作可在地面集控中心和井下監控單元進行。井下測監控系統構成如圖2所示。

圖2 井下測監控系統構成圖

3 井下供電在線監控系統結構的設計

井下供電在線監控系統是基于數據庫管理基礎進行開發，具有自動監控和通信管理功能的軟件，可實現井下電氣設備的實時監控、傳輸處理數據和報表設計等功能，軟件模塊結構如圖3所示。對下通信模塊作用為數據庫入庫，報表模塊作為為參數監控、故障查詢，人機界面用于曲線和界面繪制；對上通信模塊和礦局域網完成與監控中心信息轉接。

圖3 監控軟件模塊圖

煤礦井下供電在線監控系統完成井下監控設備信息采集后的數據分析，并將地面集控中心指令發送到井下監控執行單元。監控系統必須采用傳輸速率高、總線數據穩定的通信網絡，網絡通路載體為工業以太網和現場總線，互訪網絡構成為RS485、以太網和CAN網絡，監控單元與井下供電設備通過RS485接口對供電參數、保護裝置狀態、保護限值等信息，并可完成整定命令發出；井下監控單元數據共享通過以太網完成；CAN接口為組網和數據采集接口，具有很好的拓展性、兼容性，可增加系統的靈活性。

井下供電監控系統通過井下監控單元、地面集控中心、網絡系統實現系統在線監控功能。信息采集電路、顯示界面、通信接口、報警電路等組成井下監控單元，具有抗干擾、帶隔離功能的RS485、CAN通信接口作為信息輸出接口，采集供電裝備的電壓、電流、實時功率、設備狀態、運行參數等信息；信號采集電路通過電壓、電流對供電參數進行監測，井下供電監控系統結構如圖4所示。

圖4 井下供電監控系統結構

采集信息通過顯示界面提供給工作人員，用于完成對電氣設備的巡檢與操作，信息傳導以太網和CAN接口進行傳輸，報警信息同步提示在報警設備和顯示界面，直接通知設備處于保護狀態。地面設置的集控中心、上位機和井下網絡進行連接，實時監控電氣設備運行數據，并存放到數據庫，集控中心可對保護裝置遠程整定和投切。監測保護裝置進入保護狀態時，可以直觀查詢故障位置和故障類型，減少排除故障耗費時間。

4 應用效果

改進后的煤礦井下電氣監控系統在煤峪口礦應用后，不僅可以直觀在線監控井下電氣設備的運行狀態，還可以進行電氣設備數據進行采集、記錄、查詢和分析，保護裝置遠程整定和投切，及時發現故障位置和故障類型，提升設備的穩定性，保證了煤峪口礦井下供電系統的安全。