塔山礦井下供電網絡監控系統的升級改造

郭健苗

（大同煤礦集團云岡礦，山西 大同 037000）

同煤集團塔山礦位于大同市，是一座年產量400萬t以上的大型礦井。隨著塔山煤礦井下各類機電設備的不斷投入使用，對供電網絡系統的安全性和穩定性的要求越來越高。塔山礦現有KJ70系列井下供電網絡監控系統僅具備初始的對供電系統整體電流、電壓情況的監測，而塔山礦井下的供電網絡系統分布廣泛，各類供電設備的供電線路之間盤根錯節，極易產生電磁干擾，當出現故障時只能對故障區域內的所有線路進行逐級的排查，效率低下。井下長時間的停電不僅會給煤礦綜采作業帶來嚴重影響，也給煤礦井下的安全生產造成了嚴重的隱患。因此為了提升塔山礦井下供電系統的安全性，技改小組提出了以現場可編程門陣列（FPGA）結合ARM微處理器的網絡監控系統改造方案。以ARM微處理器為控制核心，實現對整個供電網絡系統的電流、電壓等關鍵供電參數的全面監控，及時判斷系統供電過程中的異常問題并隔離，將對供電系統供電穩定性的影響降到最低。目前該系統已通過專業安全技術檢驗合格，監控系統數據能夠實時傳遞到同煤集團的監察網絡中心，各項指標均達到改造要求。

1 供電網絡監控系統改造方案

根據塔山礦的實際情況，所提出的井下供電網絡監控系統整體結構如圖1所示[1]。整個系統包含了供電系統高壓開關綜保系統、煤礦井下數據傳輸通訊系統以及井上集中監測控制平臺。高壓開關綜保系統主要用于對井下各個分區內的供電網絡的安全保護，收集供電網絡內的電壓、電流等關鍵參數，對供電參數進行分析判斷，當出現故障時系統給高壓開關綜保系統一個保護動作信號，系統直接切斷該區域內的電網連接，防止故障對臨近區域產生影響，將故障范圍控制在最小的區域內，最大限度保證煤礦井下的供電安全性。井下數據傳輸通訊系統主要是完成保護裝置和地面監測控制平臺之間的數據傳輸和交換。系統采用了RS485數據通信總線，各個通信分站之間采用國際標準的數據轉換接口，能夠滿足數據傳輸高效、穩定、抗干擾性的要求。地面集中監測控制中心主要是對井下各個監控分站進行全面監測，將各類數據通過圖表信息等顯示在監控界面上，便于監控人員對井下各監控分站內的電網運行情況進行監測，同時具有遠程控制功能，實現人員對井下各個監控分站的遠程控制，滿足供電系統安全供電需求。

圖1 塔山礦井下電網監控系統整體結構示意圖

2 煤礦井下數據傳輸線路升級

塔山礦現有的監控系統采用的數據傳輸線為普通的雙絞線結構，只能滿足一般情況下的數據傳輸需求，但煤礦井下工作環境惡劣、各類用電設備分布復雜，在巷道復雜而且狹小的地質環境下存在嚴重的電磁干擾，造成數據信號在傳輸過程中存在著極大的電磁波動，嚴重影響了系統對監測數據的分析和識別。因此在進行升級改造時，將普通的雙絞線結構換成了雙屏蔽電纜，其主要包含了分相屏蔽層和分相絕緣層[2]。在使用的時候將電纜的分相屏蔽層進行接地處理，供電系統在工作過程中一旦出現了電流過大等異常，則能夠立刻通過屏蔽電纜的分相屏蔽層進行電流的分流，確保系統的供電安全。同時該雙屏蔽電纜由于屏蔽層的存在能夠有效地對過大的電流進行分流處理，防止了過大電流泄漏而造成的觸電事故，極大地提升了井下作業人員工作的安全性。根據井下抗干擾、通信安全的要求，所設定的雙屏蔽層電流的保護動作特性如表1所示。

表1 雙屏蔽電纜絕緣監視動作控制特性匯總

3 高壓綜保開關原理

塔山礦在進行網絡監控系統升級改造時，根據監測要求，所選擇的高壓綜保開關為KYN28A，其工作原理的結構如圖2所示[3]。

圖2 高壓綜保開關結構示意圖

由圖2可知，該綜保開關由互感器、濾波器、整流電路等組成，其通過互感器對供電線路的三相電流、電壓等進行監控，然后利用濾波器將所采集到的交流電轉化為直流信號，在采集過程中系統也同時對電網內的絕緣信號進行濾波處理，整體轉化完成后通過轉換電路將收集到的模擬信號轉變為數字處理信號。綜保開關的處理器接收到數字信號后根據預設的轉換邏輯對其進行判別，完成對系統開關監測量的控制，通過對監測數據和系統設定的警戒區域的對比分析，即可確定是否進行保護動作。

該高壓綜保裝置采用了RS-485數據總線接口[4]，能夠實時對監測情況和保護裝置的工作狀態進行顯示，采用了屏蔽外殼結構，具有防爆和防電磁干擾的功能，能夠滿足在煤礦井下惡劣環境下的數據傳輸需求，穩定性高，可靠性好，自投入應用以來表現出了極強的適應性。

4 應用效果分析

塔山礦采用新的供電網絡監控系統后極大地提升了電網系統在運行過程中的穩定性和可靠性。通過對2019/4/30～2019/9/30期間電網異常情況的監控，表明采用新的網絡監控系統后，電網運行過程中的跳閘、短路異常比2018年同期下降了94%以上，同時取消了一個井下供電巡查員崗位，平均節約人力和維護成本約15萬元，因供電網絡問題而導致的停產時間比優化前縮短了87.6%，平均每天提升產能約1500t，極大地提升了塔山礦的經濟效益。

2018年和2019年4～9月期間塔山礦的電網系統的異常次數統計如圖3所示。

圖3 不同時間電網異常次數統計

5 結論

本文針對塔山礦現有的供電網絡監控系統存在的自動化程度低下、數據監測波動大、無法滿足煤礦井下供電安全的現狀，提出了一種以現場可編程門陣列（FPGA）結合ARM微處理器的網絡監控系統改造方案，該系統以ARM微處理器為控制核心，實現對整個供電網絡系統的電流、電壓等關鍵供電參數的全面監控。根據實際應用表明：該監控系統包含了供電系統高壓開關綜保系統、煤礦井下數據傳輸通訊系統以及井上集中監測控制平臺，具有集成度高、自動化程度高的優點，能夠有效地抵抗井下復雜的電磁環境，提升數據傳輸精確性和穩定性。該系統自應用以來，電網運行過程中的跳閘、短路異常下降了94%以上，平均節約人力和維護成本約15萬元/半年，因供電網絡問題而導致的停產時間比優化前縮短了87.6%，平均每天提升產能約1500t，極大地提升了塔山礦的經濟效益。