談煤礦井下供電設備在線監(jiān)控系統(tǒng)

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摘要：煤礦井下作業(yè)設備基本為電氣化設備，對電力的依賴性極大，當供電設備出現(xiàn)跳電、越級跳閘等供電故障時，會引發(fā)惡性事故，因此設計新的供電監(jiān)控系統(tǒng)，以對井下供電設備進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，準確判斷故障位置，保證煤炭穩(wěn)定開采。

關鍵詞：井下供電設備；在線監(jiān)控；故障分析

引言

煤礦井下生產(chǎn)設備主要為電氣設備，對供電網(wǎng)絡依賴性嚴重，井下作業(yè)空間狹小復雜、照度低、環(huán)境濕度大，作業(yè)過程設備移動頻繁。隨著開采面的延伸，電網(wǎng)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(chǎn)中斷，影響進度，產(chǎn)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(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(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)控采用成熟的微機實現(xiàn)保護，但是井下設備供電監(jiān)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(jiān)控主站、設備間存在信息交互不暢問題。井下供電系統(tǒng)設置綜合型獨立保護器，各區(qū)變電站設置本安型開關和綜合保護裝置。盡管監(jiān)控裝置可以進行故障保護，但監(jiān)控數(shù)據(jù)不能和監(jiān)控主機進行遠程實時傳輸，造成地面監(jiān)控主機不能及時獲得井下設備的運行狀態(tài)，甚至會造成大面積停電問題[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器RS485接口進行采集，網(wǎng)絡通訊協(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)，初步實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，可以進行供電參數(shù)采集、繼電保護裝置狀態(tài)實時顯示，但煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)需要實時高精度自動化運行，因此，對井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進、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)需要進行如下幾方面改進[3-4]：井下監(jiān)控單元在數(shù)據(jù)采集點配置通信接口和采集電路，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集；改造井下監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)多種通訊協(xié)議，提高監(jiān)控單元通用性和可擴展性；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，降低設備采購成本；增加開發(fā)計算機與井下監(jiān)控單元的通信協(xié)議。

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)設計原則為：保證煤礦電網(wǎng)監(jiān)控實現(xiàn)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(tǒng)兼容，實現(xiàn)各級系統(tǒng)的信息共享；采用技術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)功能需要進行功能拓展；零部件均選用可靠性高的產(chǎn)品，關鍵部位采用冗余設計，采用雙機熱備方式提高結(jié)構(gòu)冗余，保證監(jiān)控系統(tǒng)安全運行；選型產(chǎn)品具有很好的經(jīng)濟性，可降低監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設成本。井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)分為設備管理層、變電層、通訊平臺和地面監(jiān)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(shù)據(jù)、設備保護和運行過程控制。測控分站對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，并通過網(wǎng)絡對供電系統(tǒng)進行監(jiān)測、統(tǒng)計、控制和分析，對變電所綜合選漏、錄播存儲和當?shù)乇O(jiān)控。井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控，并對線路運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)測，可遠程整定保護裝置的動作參數(shù)，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(jiān)控單元進行。井下測監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

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

井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫管理基礎進行開發(fā)，具有自動監(jiān)控和通信管理功能的軟件，可實現(xiàn)井下電氣設備的實時監(jiān)控、傳輸處理數(shù)據(jù)和報表設計等功能，軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。對下通信模塊作用為數(shù)據(jù)庫入庫，報表模塊作為為參數(shù)監(jiān)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(wǎng)完成與監(jiān)控中心信息轉(zhuǎn)接。煤礦井下供電在線監(jiān)控系統(tǒng)完成井下監(jiān)控設備信息采集后的數(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，網(wǎng)絡通路載體為工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，互訪網(wǎng)絡構(gòu)成為RS485、以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡，監(jiān)控單元與井下供電設備通過RS485接口對供電參數(shù)、保護裝置狀態(tài)、保護限值等信息，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)絡系統(tǒng)實現(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、實時功率、設備狀態(tài)、運行參數(shù)等信息；信號采集電路通過電壓、電流對供電參數(shù)進行監(jiān)測，井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。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(wǎng)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(tài)。地面設置的集控中心、上位機和井下網(wǎng)絡進行連接，實時監(jiān)控電氣設備運行數(shù)據(jù)，并存放到數(shù)據(jù)庫，集控中心可對保護裝置遠程整定和投切。監(jiān)測保護裝置進入保護狀態(tài)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(jiān)控系統(tǒng)在煤峪口礦應用后，不僅可以直觀在線監(jiān)控井下電氣設備的運行狀態(tài)，還可以進行電氣設備數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)故障位置和故障類型，提升設備的穩(wěn)定性，保證了煤峪口礦井下供電系統(tǒng)的安全。

參考文獻

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[3]楊洋.基于工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].太原：太原理工大學，2015．

[4]劉海波，董玉杰，王玉梅.基于PROFINET的井下保護與監(jiān)控一體化系統(tǒng)設計[J].煤炭工程，2015，47（5）：18-20.

作者：趙聰敏 單位：同煤集團煤峪口礦供電科