關于煤礦井下供電設備在線監控系統的應用研究

王少鵬

（陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713602）

在計算機及通訊手段愈加成熟中，在線監控與無線通信逐漸被運用在煤礦行業中，促使井下監控系統合理化更新。實現全程監控井下供電設備工況、異常信號采集、遠程操控等，促使煤礦生產活動的可視化與數字化程度加深，并減輕日常運維任務量。

一、煤礦井下供電設備原有情況

以某煤礦為例，其供電主要包含地面與井下兩個部分。一方面，地面供電系統。在井下設置4 個雙回路10KV 的電源，引自110/10KV 變電站。110KV變電站雙回路電源，來源于上級330/KV 變電站不同母線段，總體的輸電長度是18KV。從地表的供電設備來看，布設3臺S3810?X612000/110/650000KVA變壓裝置。其余的地面有關供電設備有煤礦提升機的控制機房、生產現場的電力裝置、風井的控制室等。另一方面，地下供電設施的情況。共有兩臺MNST?320型的變壓裝置，構成中央變電所、盤區變電所，任務是井下各排水系統迎頭工作面低壓線路提供電源。對于井下供電設備，首先，過流保護表示在被監控設備與線路內，電流值大于既定閾值后，系統能直接啟動保護動作。其次，漏電保護，在線路和地面構成導電回路時，出現電流經過的情況，對此現象加以防護預警。最后，接地保護，在供電設備表面殼體帶電，會和所接觸的地面建立連接，避免井下工人出現觸電事件。

二、煤礦在線監控系統應用的總體設計

（一）設計思路

該系統是基于地面系統自動化手段比較成熟的條件下，結合煤礦井下的作業環境，運用以太環網，形成在線監控系統，以避免因為供電，帶來嚴重事故。微機保護系統支持動態監控、歷史信息整合等，可達到無人值班的狀態。通過設置井下的通信平臺，實現各類監控資料的穩定傳輸。運用先進的手段，促使煤礦管理更為自動化與現代化。

（二）系統特點

組態軟件為供電專業版，滿足供電設備普遍性管控習慣，易于使用維護，而且能結合煤礦井下實際情況，進行針對性的功能設計。配備Windows操作系統、SQL Server數據庫與B/S/C體系結構，具體較高的靈活度。此外，設置實時數據庫與關系式歷史數據庫，展現出顯著的通用與可擴展特點。該系統包括地面與井下系統，借助以太網及數據庫完成子系統的連通，實現信息高速輸送。而且支持開放式的信息連接，構成有序的聯動系統，以免產生“孤島”格局，確保數據資料的得以充分應用。將嵌入式應用該軟件，融入到井下監控與通信裝置上，支持現場信息采集與保護反應、通信和數據轉換。針對低壓漏電，配備分布式的運算方式，以規避井下漏電事故。借助神經網絡的設備手段，處理供電設備故障識別及定位的問題。另外，該系統還能提供優異的數據發布及網絡，電子設備在接入局域網及Internet網絡，根據賬戶權限，提供在線監控資料[1]。

三、煤礦在線監控系統具體設計應用

（一）地面監控主站

1.系統硬件

主站中硬件包括監控工作站、通訊與數據的服務器。結構模式設置成單機與網絡兩種，前者最多配置2臺能相互備用的PC 機，能視為后臺機，最少配置是單個后臺機。后者則分別配備2臺相互備用的通信及數據服務器，以及25 個監控工作站。具體來看，一是通信服務器，功能任務是井下分站、監控工作站及數據服務器，三者之間的信息交互、通道監視等。單機條件下，兩類服務器和工作站均部署在同一計算機中，而在網絡條件下，通信服務器設置獨立的PC 機，并可設置主備參數。日常工況下，由主機完成全部工作，僅有在其停止運轉后，由備機繼續工作。接口選定以太網。二是數據服務器，主要是保存歷史資料，同樣分成主備機器，同時也能負擔起監控工作站的任務，兼顧Web服務器的功能。一般工況中，監控信息來自于主服務器，在主機退出工作后，會有備機頂替。三是監控工作站，其負責定值管理、工礦監控等，最多能設置25 臺。

2.系統軟件

軟件部分包含系統與應用兩項。系統軟件有操作及數據庫等，應用軟件則涉及到基礎平臺、通訊單元、組態工具、在線監控單元、Web服務單元等。操作系統運用WindowsXP，安裝過程中，需先載入IIS。數據庫系統為SQL Server數據庫。應用軟件方面：基礎平臺，安設于服務器及工作站；通訊單元，安設在對應服務器上，負責信息轉發；數據庫單元，運行于服務器上，支持系統參數設定；組態工具，安設在工作站，支持制作圖形資料；在線監控單元，同樣配置在工作站中，負責動態監控；定值管理，布置在工作站中，支持設計及查找、更改系統定值；Web服務單元，安裝于服務器，支持信息瀏覽；錄波分析單元，運轉在工作站中，負責錄波處理分析；下載工具，可將錄波資料下載到計算機本地中保存使用[2]。

（二）井下測控分站

井下分站是用于保護設備和地面監控之間的信息溝通。其具體功能有：保障合理系統內部的數據交換，基于主站發出的指令，采集各項所需信息，傳給中心站。同時，按照地上調度中心的指令，調節高保開關，和綜合保護器一同，完成單線接地選線，以達到高阻接地等情況的需求。在實現接地后，同時數據記錄與信號的方式，輸出接地線路等信息。可保障上下級的保護裝置，時間相同，主站每個小時確定兩次時間，而分站則間隔一刻鐘和綜合保護確定時間。在保護器的通信斷開，會立即生成事件記錄，不僅會直接反應在設備本身上，還會同步送至地面監控。配置外掛式的擴充單元，支持第三方的供電裝置連接。此外，還能連接帶以太網接口的各類系統，能直接把信號傳給地面。該系統掉電后，能自動保存并傳送必要資料。

分站在接收到主站發出更改定值的指令，基于固化命令，傳給綜合保護，后者完成固化后，分站會生成更改記錄。開關調節的指令運轉過程，與之相似。另外，在綜合保護形成錄波信息后，分站會申請獲取，隨即產生三種格式的文件資料，保存在分站內。此項儲存功能有一定限制，在文件資料超過限定數量后，會依次刪除最早記錄。分站帶有OPC Server接口，能和整個礦井的集控平臺建立連接。此外，井下分站支持遠程監控通信，軟件升級、信息維護、下載資料等操作也可通過遠程完成。

1.分站特點

其一，擁有工業級的微處理器，功耗偏少，運行穩定性高。其二，通信形式多樣化，支持不同規約與波特率的環境。其三，通訊和監控均設置外掛式單元，利于后期功能增添，并利于信息交換，達到集中監控的效果。其三，在掉電之后，備用電源啟動，繼續供電，并能保障在全站停電，把故障數據傳遞到地上監控系統中。其四，配備以太網的交換機，直接連接以太網。

2.軟件設計

分站軟件功能要求為：增減、運維、規約方便。規約及功能模塊均是外掛形式，支持遠程調整參數、查看部分信息、使用磁盤、啟動計算機、信息傳輸等。分站軟件設計，重點為數據和功能。設置公共數據域，不同功能單元基于自身需求，獲取信息資料，通過基礎運算，生成所需功能。

一方面，重要公共數據區。包含的數據類型有：一是實時信息，如模擬量、電度量以及狀態量。而其中的狀態量不僅涉及到終端狀態數據，還有單相接地及通信單元形成的運行狀態資料。二是事件次序記錄信息，包括終端傳輸的事件記錄以及各功能模塊形成的事件信息。三是故障錄波信息，支持文件傳輸。信息的存儲方式為：實時數據根據邏輯設定的順序，依次保存；事件記錄是根據獲取及形成的時間，排列保存；錄波信息是在錄波傳輸結束后，形成文件保存后，開始下一個。

另一方面，普通公共區域。設置六個分區，即實時數據，保存模擬量與信號量；電度量數據，保存整點的電度量信息，用文件保存；事件記錄，屬于循環數據區；指令交互區，支持上位機通信單元和終端通信單元之間，傳輸指令與反饋落實情況；公共參數，保存最基礎信息，比如測控端口的資料等；錄波數據，保存一次錄波資料[3]。

（三）微機保護器

保護器設置，是為避免由于單一回路異常，導致整個系統發生問題。借助數據次序信息與異常錄波，方便鎖定故障點，以縮短停電時長。并配備遠程遙控操作，提高系統使用的便利性及安全性。

1.硬件設置

其一，配備標準機箱，確保內部結構相同，達到模塊化、規范化的目的。其二，雙CPU格局，裝配高品質的處理器保護CPU，運用微處理器，操控系統界面。其三，使用低耗能、快速的A/D轉換芯片，每隔一周借助采樣與頻率跟蹤進行系統保護與測量。其四，存儲器支持保留定值與動作記錄，確保系統全部信息及時面對掉電情況，也能完整保留。其五，保護器內芯片都實行表面貼片，并組合四層板制造技術，使保護器自身抗干擾性能有所依仗。其六，硬件可進行自動檢測，并在識別到故障后立即反應，讓保護器能保持正常運轉狀態，維護系統保護效果。其七，能提供閉鎖合閘，以免出現誤操作。此外，還提供高清的操作界面，使用者能根據自身工作習慣，進行個性化調整，輸出實時的設備工況，方便遠程巡檢。

該部分系統的硬件原理為：（1）保護裝置接線。DSPfalse 屬于微處理器，通過數字信號完成信息處理。運行原理：在獲得模擬信號后，轉變成數字信號，對其刪改及強化，解譯成模擬信息及環境格式。具備可編程的特點，支持實時運轉。（2）E2PROMfalse 數據儲存器與時鐘線路。測控模塊中，異常報告及保護定值等信息需長期保存，占用空間較少，但對可靠性標準較高，絕不可丟失。時鐘線路就是提供時間信息，方便事件記錄等模塊運轉。（3）CAD總線驅動電路。本自動化系統的站內通信，配置CAD總線，能實現分布式操控，擁有較高的開放性。借助總線接收器，能保障通訊距離以及瞬時抗干擾的水平。（4）模擬信號。交流插件把電壓與電流信號，轉換為滿足測控設備輸入標準的形式。在供電系統出現異常后，互感裝置二次側電流的波動區間偏大，因而設置傳感裝置中，應實現：在最低電流條件下，能表現出必要的分辨力。變換器需合理選定二次側負載，以免發生飽和問題[4]。

2.軟件設置

該系統具體的功能模塊需包含：交流采樣，負責獲取模擬量，輸給數據區；聯網通信，和井下分站通信，實現數據應答；就地通信，和操作系統顯示頁面交互；交流計算，通過計算分析，得出模擬量的有效值；保護邏輯模塊，提供保護功能的分析判斷；開入采集，獲取開入作業情況與相應動作監控資料；開出動作，維護邏輯出口與分合閘操作；上電自檢，支持硬件自我查看。軟件整體分成主程序與斷開服務程序，前者設置初始化及自檢、邏輯判斷與跳閘應對單元。后者則分成定時采樣與串行口通訊兩個部分。

結束語：設置井下在線的監控系統，基于某煤礦當前的監控系統情況，擬定新的設計方案。采用如今比較成熟的以太網，支持各模塊的穩定連接，保證數據的低延時傳遞。借此消除井下作業的部分危險源，保證煤礦生產安全。