煤礦井下供電設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

趙聰敏

（同煤集團(tuán)煤峪口礦供電科，山西 大同037003）

引言

煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備主要為電氣設(shè)備，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)依賴性嚴(yán)重，井下作業(yè)空間狹小復(fù)雜、照度低、環(huán)境濕度大，作業(yè)過程設(shè)備移動(dòng)頻繁。隨著開采面的延伸，電網(wǎng)電阻變大，波動(dòng)也逐漸增加，維修也比較困難，電氣設(shè)備及線路的絕緣強(qiáng)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(yīng)。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(yīng)故障不僅造成生產(chǎn)中斷，影響進(jìn)度，產(chǎn)生的電火花也會(huì)造成瓦斯、煤塵的爆炸事故，煤礦的安全高效生產(chǎn)受到了供電質(zhì)量的制約[1]。盡管這些問題已經(jīng)受到了煤礦井下作業(yè)單位的重視，煤礦企業(yè)不斷完善監(jiān)控技術(shù)手段，但是人為誤操作、信息傳輸滯后和報(bào)警延誤仍影響了煤炭開采質(zhì)量和作業(yè)人員安全，因此研究新的在線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)保證井下供電安全具有重要意義。

1 井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在問題

目前大部分煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，地面部分監(jiān)控采用成熟的微機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，但是井下設(shè)備供電監(jiān)控不成熟，防爆電氣雖然設(shè)置了短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)多種保護(hù)措施，但井下設(shè)備與監(jiān)控主站、設(shè)備間存在信息交互不暢問題。井下供電系統(tǒng)設(shè)置綜合型獨(dú)立保護(hù)器，各區(qū)變電站設(shè)置本安型開關(guān)和綜合保護(hù)裝置。盡管監(jiān)控裝置可以進(jìn)行故障保護(hù)，但監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不能和監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，造成地面監(jiān)控主機(jī)不能及時(shí)獲得井下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，甚至?xí)斐纱竺娣e停電問題[2]?，F(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)不足歸納為，數(shù)據(jù)采集只能通過綜合保護(hù)器RS485接口進(jìn)行采集，網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議通用性較差，PLC控制器的監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以進(jìn)行供電參數(shù)采集、繼電保護(hù)裝置狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，但煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)高精度自動(dòng)化運(yùn)行，因此，對(duì)井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、完善，并兼容現(xiàn)有信息通信非常必要的。

目前常見煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)行如下幾方面改進(jìn)[3-4]：井下監(jiān)控單元在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)配置通信接口和采集電路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；改造井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種通訊協(xié)議，提高監(jiān)控單元通用性和可擴(kuò)展性；采用新的井下監(jiān)控單元控制器，提升數(shù)據(jù)采集、通信的能力，減少控制單元體積，降低設(shè)備采購成本；增加開發(fā)計(jì)算機(jī)與井下監(jiān)控單元的通信協(xié)議。

圖1 常見的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)方案的制定

井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為：保證煤礦電網(wǎng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化要求；硬件和軟件具有開放性，設(shè)備接口采用通用標(biāo)準(zhǔn)，并與多種自動(dòng)化控制系統(tǒng)兼容，實(shí)現(xiàn)各級(jí)系統(tǒng)的信息共享；采用技術(shù)成熟的硬件和軟件產(chǎn)品，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性能；可根據(jù)功能需要進(jìn)行功能拓展；零部件均選用可靠性高的產(chǎn)品，關(guān)鍵部位采用冗余設(shè)計(jì)，采用雙機(jī)熱備方式提高結(jié)構(gòu)冗余，保證監(jiān)控系統(tǒng)安全運(yùn)行；選型產(chǎn)品具有很好的經(jīng)濟(jì)性，可降低監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)成本。

井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)分為設(shè)備管理層、變電層、通訊平臺(tái)和地面監(jiān)控層四層。設(shè)備層通過RS485總線接入變電所的測(cè)控分站，設(shè)備層進(jìn)行采集和計(jì)算數(shù)據(jù)、設(shè)備保護(hù)和運(yùn)行過程控制。測(cè)控分站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、控制和分析，對(duì)變電所綜合選漏、錄播存儲(chǔ)和當(dāng)?shù)乇O(jiān)控。井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)配電裝置、移動(dòng)變電站和防爆開關(guān)等供電裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可遠(yuǎn)程整定保護(hù)裝置的動(dòng)作參數(shù)，并可對(duì)開關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程投切。工作人員對(duì)供電設(shè)備保護(hù)裝置的整定操作可在地面集控中心和井下監(jiān)控單元進(jìn)行。井下測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 井下測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫管理基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，具有自動(dòng)監(jiān)控和通信管理功能的軟件，可實(shí)現(xiàn)井下電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、傳輸處理數(shù)據(jù)和報(bào)表設(shè)計(jì)等功能，軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)下通信模塊作用為數(shù)據(jù)庫入庫，報(bào)表模塊作為為參數(shù)監(jiān)控、故障查詢，人機(jī)界面用于曲線和界面繪制；對(duì)上通信模塊和礦局域網(wǎng)完成與監(jiān)控中心信息轉(zhuǎn)接。

圖3 監(jiān)控軟件模塊圖

煤礦井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)完成井下監(jiān)控設(shè)備信息采集后的數(shù)據(jù)分析，并將地面集控中心指令發(fā)送到井下監(jiān)控執(zhí)行單元。監(jiān)控系統(tǒng)必須采用傳輸速率高、總線數(shù)據(jù)穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通路載體為工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，互訪網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成為RS485、以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控單元與井下供電設(shè)備通過RS485接口對(duì)供電參數(shù)、保護(hù)裝置狀態(tài)、保護(hù)限值等信息，并可完成整定命令發(fā)出；井下監(jiān)控單元數(shù)據(jù)共享通過以太網(wǎng)完成；CAN接口為組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集接口，具有很好的拓展性、兼容性，可增加系統(tǒng)的靈活性。

井下供電監(jiān)控系統(tǒng)通過井下監(jiān)控單元、地面集控中心、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)控功能。信息采集電路、顯示界面、通信接口、報(bào)警電路等組成井下監(jiān)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(shí)時(shí)功率、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息；信號(hào)采集電路通過電壓、電流對(duì)供電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集信息通過顯示界面提供給工作人員，用于完成對(duì)電氣設(shè)備的巡檢與操作，信息傳導(dǎo)以太網(wǎng)和CAN接口進(jìn)行傳輸，報(bào)警信息同步提示在報(bào)警設(shè)備和顯示界面，直接通知設(shè)備處于保護(hù)狀態(tài)。地面設(shè)置的集控中心、上位機(jī)和井下網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并存放到數(shù)據(jù)庫，集控中心可對(duì)保護(hù)裝置遠(yuǎn)程整定和投切。監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)時(shí)，可以直觀查詢故障位置和故障類型，減少排除故障耗費(fèi)時(shí)間。

4 應(yīng)用效果

改進(jìn)后的煤礦井下電氣監(jiān)控系統(tǒng)在煤峪口礦應(yīng)用后，不僅可以直觀在線監(jiān)控井下電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還可以進(jìn)行電氣設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、查詢和分析，保護(hù)裝置遠(yuǎn)程整定和投切，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置和故障類型，提升設(shè)備的穩(wěn)定性，保證了煤峪口礦井下供電系統(tǒng)的安全。