馬蘭礦井下供電自動化監測系統設計應用*

李偉偉

(西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 太原 030205)

0 引 言

供電系統是完成電能分配、消費、管理的重要組成部分，它的首要任務是保障供電的安全、穩定、可靠性[1]。煤礦供電系統的安全可靠直接關乎煤礦企業的安全生產與職工人身安全[2]。隨著煤礦企業自動化水平的提升，煤礦企業的井下設備朝著大功率、變頻化的方向發展，設備種類與容量都在不斷增加，使得電力設備的使用廣度與深度不斷增大，導致供電系統日趨復雜[3]，系統發生故障時不能及時有效進行故障診斷。隨著計算機技術、電子技術的快速發展、煤礦井下供電監測技術也進入快速發展階段，井下供電系統故障監測工作得以發展。

筆者在保證煤礦供電系統的安全、可靠、穩定的前提下，針對馬蘭礦井下8所供電站供電設備部署情況，基于供電系統可靠性分析原則與方式，設計井下供電監測系統的硬件與軟件平臺，解決目前故障監測方面存在的問題，提高系統故障監測數字化水平，為煤礦的安全生產奠定必要的基礎。

1 馬蘭礦供電系統可靠性分析

馬蘭礦供電供電方式可總結為充裕性和安全性。煤礦在實際的生產過程中，對井下通風機、提升機、排水設備等一類設備的供電要求大，必須保證其供電的安全、可靠性。而每次供電故障都將對井下設備產生破壞性沖擊，如對設備絕緣性降低、電氣壽命縮短等影響。在供電實際運行中其供電可靠性通常要從發電、輸電和配電等主要環節進行分析，故影響可靠性的因素有：

(1) 自然環境。自然環境的影響主要是當發生如地質災害、化學污染、不穩定氣候條件等狀態下，直接對供電線路造成破壞，導致供電中斷，進而影響供電的可靠性。

(2) 網架結構。在對煤礦地面供電電網進行設計時，可采用單電源輻射接線、環式接線等方式實現供電電網的構建。但是，單電源輻射接線方式故障的影響時間久、范圍廣，無法對負荷進行全面控制；環式接線方式運行維護難度大、自動化程度低，對供電可靠性影響大。

(3) 設備故障。當發生雷電、電磁諧振等狀況時，供電電網絡極易產生較高的過電壓，從而導致供電裝置的故障，所以說內外過電壓是影響供電可靠性的關鍵因素。

2 煤礦供電監測系統設計

2.1 馬蘭礦井供電系統分布及存在問題

馬蘭礦共有井下變電所8座，分別為：中央變電所、北翼變電所、北三下組煤變電所、南翼變電所、南六變電所、南七變電所、麻家口變電所、南五下組煤變電所。

其中，中央變電所共有4趟電源進線，主要為礦井底及井下南翼變電所、北翼變電所供電；南五下組煤變電所共有2趟電源進線，該變電所主要為礦井下南五下組煤采區供電；南翼變電所共有2趟電源進線，該變電所主要為礦井下南下組煤采區供電；麻家口變電所共有2趟電源進線，該變電所主要為礦井下南八采區供電；南七變電所共有4趟電源進線，該變電所主要為礦井下南七采區及南六變電所供電；南六變電所共有2趟電源進線，主要為礦井下南六采區供電；北三下組煤變電所，主要為礦井下北三下組煤采區供電；北翼變電所共有主要為礦北大巷沿線及北三疏水降壓泵房供電。如表1所列，為馬蘭礦井下8所供電站一次設備安置基本情況，根據表1所列，將所設計監測硬件布置在每臺一次供電設備上，實現對設備運行狀態與故障的時時監測。

表1 一次供電生產系統基本情況

這8所變電所供電運行總結為兩大方面問題，一方面供電監測力度薄弱，每個供電所設備僅能監測到基本電壓、電流等電信號，監測不到電氣設備運行狀態信號，難以實現故障的預判；另一方面現存的監測系統沒有形成一個整體性監測平臺，各站所之間監測數據與地面監測中心數據的通訊存在高延遲、監測結果高誤差的現狀。根據馬蘭礦井下供電系統一次供電設備分布位置，此監測系統的設計終端在每臺一次設備上按裝監測傳感器，確保實現設備監測全覆蓋。

2.2 監測系統硬件整體結構設計

如圖1所示，此監測系統的硬件電路設計組成主要包括：數據處理單元、中央控制單元、數據存儲單元、通信單元等部分。

圖1 系統硬件整體結構框圖

本系統為應對煤礦供電多故障、數據處理量大的需求，中央處理器選用DSP系列TMS320F28335模塊，相比于傳統ARM單片機處理器，它的數據處理能力更為強大，數字化集成度更高，完全滿足實際需求。

2.3 存儲模塊設計

存儲電路采用AT24C256存儲器進行存儲電路設計，如圖2所示，利用4.7 KΩ的上拉電阻提高傳輸速率。將存儲器模塊A0、A1設置成為高電平，VDD與電源相連接即可。

圖2 存儲電路圖

3 供電系統軟件設計

供電監測系統分為井上監測軟件、井下監測軟件、服務軟件、通訊服務軟件。系統利用電器設備參數庫中的數據如變壓器技術參數、高低壓開關技術參數、電纜技術參數、綜采設備技術參數等部分，從而使得中央控制單元可以對變壓器容量計算、短路電流計算、變壓器電壓損耗計算、設備用電管理與校驗、繼電保護值等數據時時計算、處理，實現一次供電系統的監測。圖3所示的為供電監測系統的后臺配置界面，通過后臺可以反應出整個系統運行的供電參數、可以選擇網絡通信方式、對運行歷史數據進行查看等操作。

圖3 供電監測系統的后臺配置界面

該系統通過利用計算機技術、微機技術，通過將安置在各設備上的高精度傳感器所監測的數據傳輸至中央處理器DSP器件，利用DSP處理器對數據的高精度、高速度的處理能力，將傳輸回來的數據進行分析、邏輯計算等，得出分析結論匯總后利用通訊接口將數據傳輸至地面監測中心進行進一步分析。該系統的使用解決了馬蘭礦供電監測水平的薄弱、數據傳輸高誤差、高延遲的弊端，提高了監測的自動化水平，對故障實現了預判分析。

4 結 語

首先對馬蘭煤礦供電系統的可靠性進行分析，基于可靠性理論，根據井下8所變電站供電方式與設備部署情況，設計了一套煤礦井下供電監測系統。通過對井下供電監測系統的硬件系統、軟件系統設計及應用，滿足了煤礦整體供電安全監測的主要業務需求，提升了供電的可靠性與信息化水平，對煤礦電網安全的提升具有重要意義。