自動化電力監控系統在煤礦中的應用

毛小學 李曉亮 武偉偉

（1.山西能源產業集團有限責任公司，山西 太原 030032 ；2.山西藍焰煤層氣集團有限公司，山西 晉城 048200；3.河南費曼電力技術有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

長期以來發生的煤礦安全事故，給煤礦帶來了嚴重的安全隱患。如何降低煤炭行業的風險，確保煤礦工人的人身安全一直是社會重點關注的問題，電力監控系統已成為確保煤礦生產安全的重要組成部分，自動化電力監控系統在煤礦中的應用有效地提升了煤礦生產的安全性。盡管煤礦生產過程中逐步實現了機械化、現代化和自動化，現代信息技術作為新時代的發展趨勢和必然選擇助力于煤礦行業的發展。為了更好地將電力自動化技術應用于煤礦行業中，就需要首先了解電力自動化。

1 電力監控系統的自動化分析

1.1 電力自動化監控系統的特點

1.1.1 高性能價格比，功能全面

系統的最低層采用網絡型智能電表，完全滿足電力系統管理、保護、監視和電能質量監視的所有要求，集成了國內外最新的電力轉換和配電自動化技術，可在供電和配電的整個過程中實現遠程信號、遠程控制和遠程查看功能。

1.1.2 科學管理，降低成本

該系統以少量或無人值守的方式設計，提高管理的連續性和自動化程度，同時最大程度地釋放勞動力并改善人們的生活質量，降低了管理成本，為合理分配、節能和環境保護提供了基礎數據，并為供電、配電調度和指揮提供了一個新的、聯網的、信息化的、低成本的新平臺。

1.2 電氣自動化監控方法的分析

1.2.1 電氣自動化系統的集中監控

電氣自動化系統的集中監控具有明顯的特點，便于維護和操作，無須提出更高的保護標準，因此系統的實際設計相對簡單，而且很容易。然而，由于主機的集中控制，系統的所有功能都在同一處理器上收集和執行，這不可避免地增加了處理器的負擔，處理大量工作，并影響實際工作。基于對整個電氣設備系統的全面監視和管理對象非常廣泛，從而減少了主機冗余。電纜長距離運行所引起的干擾效應，以及電纜總數的增加以及成本和投資比率的增加，進一步對整個系統的安全性和效率產生負面影響。另外，由于引入了基于節點未對準的硬線系統模式，因此發生了設備故障。該類型的布線的重復連接方法增加了操作的難度并且導致布線檢查不方便，這就增加了整個系統維護任務的數量，同時復雜的布線導致故障。

1.2.2 現場總線監視方法

將現場總線技術引入電氣自動化監視系統可有效減少布線工作量，降低實際運行成本和安裝成本，同時減少材料量，系統呈現并提高了靈活性和良好性，達到全面的可靠性和安全性。另外，該監視模式簡化了隔離設備，并減少了相關I/O 應用卡，傳輸設備和終端柜的配置。基于通向監控系統的通信線路，控制電纜的數量大大減少，操作進一步簡化。維護運營工作和更多的成本投資，科學地控制了成本投資。此外，系統設備具有獨立的能效，僅通過網絡即可實現對接，有效提高了系統的安全效率。免費的網絡配置使系統中的所有類型的設備成為可能。即使有問題或錯誤，也將對該源產生負面影響，并防止整個系統癱瘓。

2 煤礦監測技術現狀

中國煤炭資源總量位居世界第一，可采儲量為2 040 億噸，位居世界第二。“十一五”期間，全國煤炭產量快速增長，全國原煤產量從2005 年的22.5 億噸大幅增加到2009 年的29.73 億噸，年均增加1.92 億噸。但中國煤炭行業每年因事故死亡人數近萬人，直接經濟損失超過40 億元。煤炭資源已成為影響中國經濟發展的重要內容，如何提高煤炭生產的效率和安全，是煤炭企業的一項重要任務，煤炭安全問題引起了中國政府和公眾的廣泛關注。同時，中國是煤炭生產消費大國，煤炭企業構成較為復雜。雖然國有企業和民營企業共同參與，但近年來，煤炭企業的安全事故越來越普遍，煤礦企業特別是小型煤礦企業的核心問題是生產安全缺口較大，阻礙了中國經濟的正常發展。其中，造成這一現象的主要問題是生產技術落后，沒有采用先進的生產工藝，采用勞動密集型的變速器生產方式，使事故安全的發生不可控。因此，通過網絡安全監控系統，可以提高生產技術水平，有效檢測生產狀態，實時調整生產，確保安全生產。國外煤炭生產監測技術發展較早，應用效果好，極大地改變了煤炭生產方式，使煤炭生產技術發展取得了革命性的進步。中國煤礦監測技術發展相對緩慢，最早是引進國外早期監測系統。同時，在中國經濟快速發展的過程中，一些先進的制度也逐漸被引進，在中國煤炭安全生產中，發揮了重要作用[1]。

3 煤礦電力監控系統主要功能介紹

我國的煤礦電力監控系統主要分為井上以及井下監控系統（如圖1 所示）。井上部分的監控系統由中央站點以及多個局域網共同組成，主要是由地面監控室進行控制。生產監視和環境監視功能主要在整個系統的調度室執行。井上的工作系統是將從井下監測中獲得的數據信息收集到地面監測計算機中，然后由工作人員分析并匯總數據，通過地面上的光終端將其傳輸到井下的各個監測單元中。井上的集中控制站與井下的電力監控系統連接，以太網是實現連接的工具，可以監視和管理以井下工作條件以及電源監視設備的操作條件。煤礦電力監控的作用主要是收集信息并不斷更新系統的數據，包括系統的模擬量、脈沖量和狀態量，同時對系統的信號信息進行收集，實現信息交換和傳輸功能，并通過站點、地面或網絡結構將有效的數據信息傳輸到監視系統中。通過對收集到的信息進行處理和分析，可以確定整個系統的使用情況，分析現有風險和可能發生的安全事故，并預測可能發生的事故，以有效地預防這些事故。除信息收集功能外，電力監控系統還具有信息存儲功能。在硬盤上存儲大量信息，以支持后續的數據分析和查詢。監視系統可以基于記錄的信息執行電路分析和仿真，并將分析的數據傳輸到構建的模型中以獲得關鍵的預警信息。

圖1 井上以及井下監控系統4 煤礦自動化監控系統組成及應用范圍

4 煤礦自動化監控系統組成及應用范圍

4.1 調度監控網絡系統功能

調度監控網絡系統實際上是一個實時監控網絡結構，根據生產監控情況，制定相應的管理內容，并按照生產環節提供相應的信息，進行數據采集、傳輸、處理、顯示、記錄以及印刷風機、排水系統、地下變電站、生產傳輸系統等設備的遠程集中監控。系統功能包括數據采集和過程控制、順序控制、報警事件處理和操作記錄，實時顯示過程數據、圖形或數據，顯示過程變量趨勢、生成過程模型圖和更新動態數據，對數據庫進行管理。在采用調度監控網絡后，可根據實際生產情況進行終端配送，使整個生產過程通過系統遠程監控，采用自動化執行系統實現自動化監控。1）實時運行參數進行檢測。每個監控系統都可以實時采集生產工況參數，并以圖形和報表的形式顯示系統的實時工況。2）實時過程控制。每個系統通過分析采集到的參數，自動完成過程控制或由調度員操作和控制。3）歷史數據查詢。上述生產實時檢測數據可存儲在生產實時數據和歷史數據庫中，可實現歷史回波、歷史趨勢分析和直方圖、餅圖等綜合分析。5）生產故障和模擬量超標報警。當設備出現故障或模擬量超限時，生產檢測管理網絡可同時顯示故障設備名稱，并實現語音報警、錯誤實時打印功能。服務器將錯誤信息存儲在錯誤信息數據庫中，以供后續統計分析。5）生產實時屏幕檢查。工業電視信號可接入人體監控終端，當出現異常（故障、違規、巡檢）時，可將視頻截取、轉換為數字形式、存儲，通過網絡上傳至公司領導。6）優化生產計劃。通過建立歷史數據庫，可以將各種數據存儲在系統中，可以在系統中反映整體生產情況，可以直觀地查看和分析趨勢圖，確保生產進度順利進行[2]。

4.2 調度監控系統網絡結構

煤礦調度監控系統主要應用現代網絡理論，目前應用最多的是美國Gockwe11 控制產品，可以提供穩定的控制產品，保證監控系統的穩定運行。

4.3 礦山綜合自動化控制系統的適用范圍

根據整個生產過程，控制網絡可以全面覆蓋所有環節。這些環節與生產息息相關，包括帶式輸送系統中央監控、油井變電站遙控、礦井排水系統遙控、礦井加壓供水系統遙控、遙控用于地下變電站、遠程礦井通風機、帶監測和沿槽監測。

4.4 礦山綜合自控系統功能

整個系統必須進行全面管理。換句話說，在用戶界面中集成不同的技術，實現在同一平臺上的操作，應該降低界面成本，減少系統中備件的數量和類型。同時，技術人員可以對平臺進行監控和管理，保證系統的高效運行和系統運行時間的合理化。采用配置平臺可以有效簡化培訓項目，降低成本。

5 完善煤礦電力監控系統的措施

5.1 加強傳感器控制器的改進與發展

在運行電源監控系統功能的過程中，傳感器控制器起重要作用。因此，傳感器控制器的可靠性和穩定性特別重要。目前，我國常用的傳感器基本可以滿足生產需求。例如風速、電流和電壓的模擬量。但是，仍然存在一些不可忽視的問題。在產品壽命、可靠性和穩定性方面，與國外產品相比仍然存在不足，還不能滿足整體生產安全的要求。因此，加大對中國傳感器的研究和升級非常重要。

5.2 引入監測煤礦的先進新技術

我國當前的電力監控系統符合基本運行要求。但是，就安全系數而言，產品性能仍然存在主要缺陷，并且某些產品具有諸如跳閘、定位速度慢以及無法集成信息之類的缺陷。考慮到上述問題，我國應進行目標技術的研究與開發。在過去的幾年中，該技術取得了明顯的進步，改進了SCADA 系統計劃，可以由員工提供及時準確的提示，以快速找到有缺陷的零件。另外，使用斷流方法來減少或防止由大的電壓波動引起的停電問題。XRA-600 高壓選擇性漏電保護系統不受間接電弧電源和電弧的影響，對過渡電阻的抵抗力很強，靈敏度也很高。這些技術的應用提高了工作安全系數，同時減少了工人數量，提高了事故處理和信息收集能力，以及信息的及時放置和傳輸。

5.3 變電站自動化監控軟件INT-SCADA 的總體設計

過載保護主要是針對地下中央變電站的電源系統。35kV變電站控制室配有過載保護保護屏。接地2 的饋線保護和中央變電站2 的接收線和1 個總線耦合器一起構成了瞬變保護。中央變電站中所有饋線保護的監視電流值達到故障固定值電流的80%時，將立即向該部分的輸入線路保護AH1 或AH17 發送信號，并處理2 個輸入線路保護。將對它們進行單獨分析，并阻止每個插座跳閘以防止間隙內的故障。當饋線故障電流繼續上升到饋線保護插座的設定值時，輸入線路切斷信號立即打開；如果饋線中沒有保護插座，則進線保護將失敗。信號輸入線路保護可加速跳閘出口。軟件系統的穩定可靠運行是監視系統所有功能的先決條件。由于電力系統的運行與礦山的正常生產以及員工的生命和安全有關，因此礦山電力系統的監控軟件始終側重于穩定性和可靠性。但是，盡管已經強調了監視軟件SCADA 的穩定性，但是該軟件并不總是朝著更穩定的方向發展。首先，提高代碼本身的穩定性是提高系統穩定性的前提。監控軟件需要長時間工作，因此需要避免內存泄漏并最大程度地減少內存碎片的產生。其次，由于SCADA 系統是分布式軟件系統，因此某些功能的實現被分配給不同的軟件模塊，從而簡化了每個模塊的編碼，降低了不同功能碼的組合程度，提高了系統的穩定性。同時，即使出現問題，問題也僅限于其他模塊，并且整個系統不會崩潰。最后，為確保系統的可靠性，采用通信設備的操作模式和服務器始終待機模式，并選擇具有定時器功能的工業計算機以確保軟件模塊本身的可靠性，添加硬件配置重置功能，如果系統出現故障，則可以通過SMS 通知相關人員[3]。

5.4 對電力監控系統的監控主站進行升級

在礦山調度室的電力監控中心，需要安裝6 臺工業級監控服務器和4 臺高級工業電力監控計算機，以防止可能的計算機病毒入侵并確保將來使用的安全性。為確保監視系統軟件系統的可靠性，需要使用Linux 中文版操作系統升級和安裝6 臺千兆網絡交換服務器、6 臺光纖網絡交換服務器、1臺獨立的不間斷電源系統和1 臺綜合信息發布系統。

5.5 對監控變電站電力監控系統進行優化

在地下和地面上各個變電站的電力監視系統變電站中，每個變電站數據傳輸變電站單元都新配備了防爆千兆光纖交換服務器。對于新建的變電站，需要直接連接保護裝置。通信光纖交換機可以將原監控系統的100M 通信傳輸升級為千兆傳輸，以防止源頭的傳輸阻塞、信號包丟失、數據延遲等，并實現變電站之間的環形網絡。KDW0.3/660A 型雙回路不間斷電源用于監視變電站的電源，以確保監視系統在極端條件下（例如整個礦井的斷電）正常運行。

5.6 自動控制系統內部功能的設計

在設計電源監控系統時，應注意系統功能模塊的設計，以便可以實現其功能。首先，該系統應具有地下電力系統的4 個遠程功能，并且應能夠快速找到故障節點、故障類型、故障信息記錄等。其次，系統應能實現各種保護裝置和設備的聯網操作，同時結合不同設備的特性進行參數保護和控制，實現各設備的自動控制，并具有電力設備的在線監控功能。再次，系統應該能夠實時監視每個設備的運行狀態，并且應該能夠發布各種數據信息的歷史曲線和圖表數據，以使該部分的內容更加直觀。在設置該數據信息的權限時，應根據用戶類型進行分層的用戶共享。最后，該系統還應該能夠使用紅外光全面調整每個保護器的參數。同時，電源還必須實現不間斷運行，以更好地適應惡劣的地下環境，確保各個設備的正常運行。

5.7 遠程控制、遙測和視頻連接應用

新添加的智能終端可以在本地收集電氣數據，同時將每個開關和斷路器的控制回路連接到每個智能終端，從而使操作員可以遠程控制每個變電站中斷路器的斷開和閉合。同時，在調度室中，自動跟蹤球型攝像機安裝在每個變電站中，沒有死角。在遠程操作過程中，攝像機與開關對準，以便在遠程操作過程中觀察開關的位移和操作。可以在現場操作期間監視和遠程監視員工的狀況。

5.8 礦山綜合自動化控制系統的運用

在集成技術環境中，可以通過一個用戶界面下的全局數據庫將各種技術連接到整個平臺（如圖2 所示），這大大降低了系統間接口的成本，并大大減少了備件的種類和數量。同時，技術人員可以在一個平臺上配置編程和監視所有應用程序。還可以顯著提高監控水平并減少計劃外的設備維修時間。這也是由于出色的平臺組的應用，并且大大降低了成本。將及時和可靠的通信系統作為橋梁，包括用于連續開采的全機械化和運輸系統。礦山的集成自動化系統涵蓋了生產的所有環節。皮帶運輸和保護系統、礦山電力的3 個遠程系統、風機和風機的3 個遠程系統、地下排水的3 個遠程系統都集成到自動控制系統、鎖定和連續控制、調度室的集中控制，集成自動化系統采用先進的技術和設備，確保整個系統安全可靠，正常運行，提高了運營管理和維護水平，降低了運營管理成本，減輕了員工的勞動強度，傳遞并分析了各種信息能力。

圖2 礦山自動化監系統

6 結語

煤礦電力自動化監控系統的升級改造，實現了地下變電站的無人值守運行，減少了人員數量，提高了效率，大大提高了礦井供電網絡的自動化水平，為煤礦供電系統提供平臺支持。煤礦自動監控系統近年來發展迅速，網絡化、集成化成為主要發展方向。煤礦自動監控系統作為一種集成技術，集成了網絡技術、控制技術、多媒體技術、數據庫技術、通信技術、計算機技術、總線技術等多種技術。因此，借助煤礦自動化監控系統，可以為生產提供良好的安全保障，促使煤炭企業保持穩定。電氣自動化監控系統技術的開發與測控，可以確保電氣自動化控制的快速發展，提高我國煤礦生產的自動化水平，為我國的煤礦生產提供安全保障，推動我國經濟快速健康發展。