關于煤礦井下供電監控系統的設計研究

王 毅

(山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000)

0 引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦開采設備得到了廣泛應用，這對井下供電系統的運行狀態及安全性提出了更高要求[1]。由于井下煤塵多、環境潮濕、工作環境惡劣，這對供電系統中設備的安全運行構成了重大威脅。井下供電監控系統是有效消除設備安全隱患的重要系統，能大大提高井下供電系統的運行效率及作業安全性，已在井下供電系統中進行了大面積應用[2]。但現有的供電監控系統在運行中經常出現數據信息傳輸速度慢、故障判斷不及時、故障排除耗時長等問題，整體的智能化遠程監控能力相對薄弱，這給供電系統運行狀態監控及設備維護保養造成了時間和經濟方面的巨大浪費，將更加先進的控制技術應用到井下供電監控系統中，已成為當前重要的研究方向[3]。由此，在重點分析井下供電系統優點及存在問題的基礎上，結合三元煤業供電監控系統特點，開展了監控系統的升級改造，并進行了實際應用測試，驗證了該監控系統的可行性。

1 煤礦井下供電監控系統發展過程

早期，國內的井下供電監控系統主要是從國外進口，而由于國外企業的技術封鎖，所進口的供電監控系統只能實現一些基本的供電功能，系統穩定性相對較差，通訊不穩定。到20世紀90年代后期，國內逐步開展了對井下供電監控系統的自主設計研究，經過艱苦摸索研究，國內井下供電監控系統已逐步實現自主設計研究，整體性能也明顯提升。目前，隨著國家科學技術的不斷發展和數字化通訊處理技術的提高，國內的井下供電監控系統逐步實現了系統遠程控制、大數據快速處理、故障保護、故障報警等一體式網絡控制。現有井下供電監控系統在使用中體現出了明顯的技術優勢[4]：

(1) 系統采用上下分層的分布式設計，并由每一層進行單獨的控制，最后進行集中控制，簡化了整套系統，實現了信息資源的共享，明顯降低了系統電纜的使用量、占地面積、工程造價等。

(2) 主要采用遠程式的數字化通訊、控制技術，能快速地通過通訊系統進行數據傳輸，可對整套系統進行有效的系統保護及系統自檢，針對系統出現的故障，能實現對故障信息的快速收集及故障報警，大大提高了系統的可靠性及穩定性。

雖然每套供電系統有優點，必然也會有缺點，現有井下供電監控系統的缺點主要有[5]：

(1) 采用了不同型號的保護器、高低壓開關、控制器等設備，在通訊接口上不能進行有效對接，無法實現在現有基礎上控制功能的擴展及調試。

(2) 中控中心僅能對供電系統中的部分信息參數進行監測，無法更加全面、更加智能地實現供電系統的實時監測。

(3) 供電系統運行過程中會出現消弧現象，導致電壓保護柜中的熔斷器頻繁發生熔斷現象，并伴隨有系統單相接地現象的發生。

(4) 隨著井下使用設備的不斷增多，對井下供電系統的用電需求量越來越大，但現有監控系統無法滿足供電系統不斷變化的需求。

由此可知，以現有井下供電監控系統為基礎，不斷對其進行系統優化改進，成為當前保障供電系統運行穩定性及作業安全的重要任務。

2 井下供電監控系統的方案設計

2.1 總體方案設計

本文以三元煤業井下供電系統為基礎，對其進行改進設計。改進后的井下供電監控系統主要由地面監控站、井下監控站及各電力測量單元等組成，其整體結構框架如圖1所示。地面監控站主要包括工控機、組態顯示界面及顯示器、打印機、網絡設備、光端機等部件，是一套能對供電系統進行監測、控制、數據分析及信息顯示的獨立的組態軟件系統[6]。井下監控站主要包括終端保護裝置、變電所、高低壓開關等部件，是地面監控站與井下電力測控單元之間的橋梁，能將井下環網中的所有信息通過以太網、RS485總線連接方式傳輸至變電所的監控分站中，進行數據的收集、計算存儲及動作命令下達，與地面建立起遠程、有效、快速的信號傳輸及控制通訊。其中，變電所中監控分站采用了Windows系統，配備了高端的PC機，控制處理器則采用了西門子的S7-1500系列控制器。整套井下監控站的設計，能有效地實現對井下供電設備的實時監測、控制、參數收集、故障報警、合理調節井下電氣等操作，由此滿足了當前井下供電系統的使用需求。

圖1 井下供電監控系統整體結構框架

2.2 監控系統啟停信號采集電路設計

整套井下監控系統主要由各分系統組成，由此，對該系統中的啟停信號采集電路進行設計。該采集電路設計了啟停信號接入端(IN)和控制器引腳端(OUT)，能對電氣設備的啟、停及傳感器輸出情況進行信號采集，可滿足對傳感器啟停狀態的信號采集。同時，設計了光電耦合器和反相觸發器，可實現電路中信號的相互轉換操作，并對電氣進行隔離。啟停信號采集電路如圖2所示，外部傳感器主要通過IN+和IN-進行通訊連接，反相觸發器通過OUT1和OUT2進行輸出信號連接，光敏三極管可將反相觸發器輸入端的電壓降低，保證整個電路的低壓運行。通過該采集電路，可將傳感器的啟停信號進行采集，并傳輸至井下監控分站，以此實現對信號的采集。

圖2 啟停信號采集電路

2.3 監控系統報警電路設計

由于井下設備相對較多，對供電系統的運行安全性提出了更高要求，因此，在該監控系統設計時對其內部的報警電路進行了設計。該報警電路主要用于對供電系統中的運行狀態、信號參數進行信號采集，通過與相應閥值進行對比判斷出現的故障，通過報警電路發出相應的故障報警提示。整個報警電路主要由繼電器、驅動電路組成，如圖3所示。在供電系統正常運行時，繼電器處于正常斷開狀態，當發生故障時，通過繼電器的閉合實現對故障信息的報警。在該電路中，所配置的三極管Q1主要作為開關管使用，并通過光電耦合器OC1來進行控制。通過此電路，可實現對井下供電系統運行異常情況的實時監控報警，有效保證了供電的運行安全。

圖3 監控系統報警電路

2.4 監控界面設計

為了更加直觀地對井下供電設備的運行狀態進行實時顯示，在該系統中設計了監控界面設計，整個界面主要通過組態軟件進行編程設計，其主界面如圖4所示。

圖4 供電監控系統監控主界面

3 井下供電監控系統應用效果分析

為驗證所建立的供電監控系統的各項性能，將其在三元煤業中現有井下供電系統進行應用測試，主要進行該監控系統與現有系統的兼容匹配測試。在為期6個月的應用測試中，該監控系統運行正常，智能監控功能更加齊全，能全面地對井下設備的運行狀態進行實時監控。在測試期間，供電系統中設備的故障發生率同比降低了近40%，設備維修時間縮短了近200 h，大大縮短了設備的停機時間，降低了人員的勞動強度，有效地消除或減少了井下供電設備的安全隱患。據初步估計，在半年的監控系統實際應用中，該煤礦在供電系統方面的費用節約了將近150萬，帶來了巨大的經濟效益。由此，驗證了該系統的可靠性及可行性。

4 結論

在重點分析井下供電系統優點及存在問題的基礎上，以三元煤業現有的供電監控系統為研究對象，開展了監控系統的升級改造，并將其在該煤礦中進行了實際應用測試。應用實踐表明：該供電監控系統具有更高的監控性能，能大大降低供電設備的故障率，減輕人員的勞動強度，為企業帶來較大的經濟效益，同時，在提高電氣設備運行安全性方面也提供了重要支撐，社會效益及推廣價值顯著。