礦井通風機供電監控系統設計應用研究

崔 鑫

（晉能控股煤業集團太原公司，山西 太原 030016）

引言

隨著現代智能技術的快速發展，煤炭企業也在進行自身的轉型升級，提升煤炭資源的開采效率。其中礦井通風機隨著開采設備的升級與新技術的應用，通風效率得到不斷提升，使通風量能夠根據礦井內易燃易爆氣體濃度的變化而改變。通風機得益于供電系統的配電，能夠保持正常的工作狀態，為井下作業人員輸送新鮮的空氣[1]。但是目前通風機供電線路比較長，大多數煤礦設置的變配電所至通風機的距離至少在10 km以上，而能夠隨時監測長距離輸送電路中產生的故障是保障通風機正常運行的關鍵所在。尤其電網系統在礦井惡劣的作業環境中長時間受到工作設備負荷波動的影響，極其容易出現各類故障，造成安全隱患[2-3]。

應用通風機供電監控系統，可以及時發現供電系統出現的故障類型及位置，實現對通風機的動態保護功能。

1 通風機供電系統的安全因素

礦井通風機所搭載的高壓電網主線的傳輸長度較長，一般可以達到10 km，采用兩條進電線路。通過變壓器將高壓降至6 kV左右，為主通風機提供主電源和備用電源，實現通風機的不間斷運轉。礦井常用的供電系統結構圖如圖1所示[4]。

1.2 無功補償裝置的安全問題

圖1 礦井常見供電系統結構圖

隨著自動化及智能化電氣設備的普及應用，礦井通風機的各類電器監測設備的運行會影響整個電網負載波動變化。雖然監測設備對通風機的安全運行有幫助，但會對電網的供電質量造成不利的影響，無功補償的精確度就會受到影響。無功補償在通風機電網系統中存在的問題主要包括無功補償裝置的問題和無功補償量的問題[5]。無功補償裝置的問題主要包括開關設計不合理、補償速度很慢、采樣方法不實用、電容器諧波、投切振蕩；無功補償量的問題主要分為兩類，即對電網系統無功功率的變化不能及時響應，及無功補償時機策略不恰當。

1.3 繼電保護故障

通風機電網系統容易出現繼電保護故障，主要是異步電機的繼電保護出現故障的頻率較高。在設計供電系統監測時，應特別側重異步電機的故障數據變化。

在通風及電壓數據較小的時候，會出現重復啟動，造成局部的電流過大，產生大量熱量。此外，通風機在礦井惡劣環境長時間運行后會出現老化現象，可能使電網產生短路。同時，電網電壓有波動時，可能使電機的三相電壓出現斷相運行故障。

2 供電監控系統的設計

2.1 監控系統硬件的設計

為了及時掌握通風機的故障信息，提出通風機動態保護策略，將通風機的動態保護系統設置為三個功能單元，分別為風機監測、通訊和后臺控制。上述三個功能單元分別可對應其功能模塊，以PLC為中央核心處理器，采用以太網作為通訊數據傳輸的協議網絡，每一個故障監測模塊都連接報警電路，能夠實現及時的報警信號傳輸，設計整體監控方案如圖2所示。

圖2 供電監控系統功能結構示意圖

以PLC控制核心部件的供電監測系統可以分為信號和動作兩個部分，總體采用的串口通信協議模式為RS485，能夠實現交換機與上位機的連接，通過開關指示燈等，對故障信號的顯示進行預警。同時操作人員也可以在控制系統的自動裝置出現故障時手動操作，PLC控制系統的結構設計圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統結構設計圖

2.2 監控系統軟件的設計

采用Matlab數據分析軟件，結合數據庫應用，實現組態軟件的設計，將軟件系統與硬件系統通過ODBC協議進行聯系，實現Matlab數據處理與數據庫讀取的聯合應用。此外采用OPC協議與組態軟件進行通訊，使上位機監測界面能夠實現報警信息顯示的功能，通風機供電監測系統軟件框架設計如圖4所示。

軟件部分最主要實現的功能是可視化界面監控既要在符合實際工況條件的基礎上可視化觀察主通風機的參數模型，又要能夠在監控系統界面對電流、電壓、無功功率等數據進行讀取。當上述數據超過安全限值的時候將出現聲光報警，告知監控系統觀察專業技術人員。主通風機監測計算機界面如圖5所示。

圖4 監控系統軟件框架設計示意圖

圖5 主通風機監測界面示意圖

通過與硬件的結合，軟件系統可以實現歷史數據的查詢，實時數據的查看及相應報表的輸出，可在煤礦企業市場管理中起到重要的作用。該軟件系統可以進行遠程操控，使通風電機運轉或者停止，當通風機的電網出現故障時，可將故障進行有效隔離，避免故障擴大。同時也對管理人員及操作人員的權限進行設置，避免多頭管理和重復操作等冗余動作的發生。

3 應用測試分析

實時趨勢曲線是以檢測信號的類別與信號間的關系進行分類并分組顯示。采集的參數有電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率。

通過OPC連接組態王和Matlab，將電流數據組導入Matlab中，以達到不同順序的擬合預測效果，然后將下一秒的預測數據轉發給組態王以完成預測。Matlab的快速運算和OPC的同步傳輸，保證了數據的實時正確性。通過對歷史運行電流、實時運行電流的擬合，預測、判別運行狀態。

把通風機的實時運行電流值與歷史運行電流值的預測結果傳入組態王，通過Matlab進行預測數據故障判別后，返回組態王“風機運行狀態”的離散值。運行狀態不同，輸出的離散值也不同，即1、2、3、4分別表示優、良、中、差，分別對應不同的指示燈閃爍。當輸出狀態為中、差時，發出警報。同時也為監控系統添加了報表部分和報警部分，完善了監控系統。這些對于監測通風機運行狀態和故障具有非常重要的實用價值。

4 結語

對礦井通風機供電系統實時運行狀態的監測是確保礦井內安全生產的關鍵因素。通過設計通風機供電監測系統，對故障運行狀態分析并自動劃分等級，并將其應用于工程現場測試，對煤礦企業安全生產管理技術人員進行管理輔助，提升礦井通風機的安全性、可靠性、穩定性，實現通風機自動化、智能化發展。