关于煤矿井下供电监控系统的设计研究

王 毅

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000)

0 引言

随着国家对煤矿资源的大量开采，越来越多的煤矿开采设备得到了广泛应用，这对井下供电系统的运行状态及安全性提出了更高要求[1]。由于井下煤尘多、环境潮湿、工作环境恶劣，这对供电系统中设备的安全运行构成了重大威胁。井下供电监控系统是有效消除设备安全隐患的重要系统，能大大提高井下供电系统的运行效率及作业安全性，已在井下供电系统中进行了大面积应用[2]。但现有的供电监控系统在运行中经常出现数据信息传输速度慢、故障判断不及时、故障排除耗时长等问题，整体的智能化远程监控能力相对薄弱，这给供电系统运行状态监控及设备维护保养造成了时间和经济方面的巨大浪费，将更加先进的控制技术应用到井下供电监控系统中，已成为当前重要的研究方向[3]。由此，在重点分析井下供电系统优点及存在问题的基础上，结合三元煤业供电监控系统特点，开展了监控系统的升级改造，并进行了实际应用测试，验证了该监控系统的可行性。

1 煤矿井下供电监控系统发展过程

早期，国内的井下供电监控系统主要是从国外进口，而由于国外企业的技术封锁，所进口的供电监控系统只能实现一些基本的供电功能，系统稳定性相对较差，通讯不稳定。到20世纪90年代后期，国内逐步开展了对井下供电监控系统的自主设计研究，经过艰苦摸索研究，国内井下供电监控系统已逐步实现自主设计研究，整体性能也明显提升。目前，随着国家科学技术的不断发展和数字化通讯处理技术的提高，国内的井下供电监控系统逐步实现了系统远程控制、大数据快速处理、故障保护、故障报警等一体式网络控制。现有井下供电监控系统在使用中体现出了明显的技术优势[4]：

(1) 系统采用上下分层的分布式设计，并由每一层进行单独的控制，最后进行集中控制，简化了整套系统，实现了信息资源的共享，明显降低了系统电缆的使用量、占地面积、工程造价等。

(2) 主要采用远程式的数字化通讯、控制技术，能快速地通过通讯系统进行数据传输，可对整套系统进行有效的系统保护及系统自检，针对系统出现的故障，能实现对故障信息的快速收集及故障报警，大大提高了系统的可靠性及稳定性。

虽然每套供电系统有优点，必然也会有缺点，现有井下供电监控系统的缺点主要有[5]：

(1) 采用了不同型号的保护器、高低压开关、控制器等设备，在通讯接口上不能进行有效对接，无法实现在现有基础上控制功能的扩展及调试。

(2) 中控中心仅能对供电系统中的部分信息参数进行监测，无法更加全面、更加智能地实现供电系统的实时监测。

(3) 供电系统运行过程中会出现消弧现象，导致电压保护柜中的熔断器频繁发生熔断现象，并伴随有系统单相接地现象的发生。

(4) 随着井下使用设备的不断增多，对井下供电系统的用电需求量越来越大，但现有监控系统无法满足供电系统不断变化的需求。

由此可知，以现有井下供电监控系统为基础，不断对其进行系统优化改进，成为当前保障供电系统运行稳定性及作业安全的重要任务。

2 井下供电监控系统的方案设计

2.1 总体方案设计

本文以三元煤业井下供电系统为基础，对其进行改进设计。改进后的井下供电监控系统主要由地面监控站、井下监控站及各电力测量单元等组成，其整体结构框架如图1所示。地面监控站主要包括工控机、组态显示界面及显示器、打印机、网络设备、光端机等部件，是一套能对供电系统进行监测、控制、数据分析及信息显示的独立的组态软件系统[6]。井下监控站主要包括终端保护装置、变电所、高低压开关等部件，是地面监控站与井下电力测控单元之间的桥梁，能将井下环网中的所有信息通过以太网、RS485总线连接方式传输至变电所的监控分站中，进行数据的收集、计算存储及动作命令下达，与地面建立起远程、有效、快速的信号传输及控制通讯。其中，变电所中监控分站采用了Windows系统，配备了高端的PC机，控制处理器则采用了西门子的S7-1500系列控制器。整套井下监控站的设计，能有效地实现对井下供电设备的实时监测、控制、参数收集、故障报警、合理调节井下电气等操作，由此满足了当前井下供电系统的使用需求。

图1 井下供电监控系统整体结构框架

2.2 监控系统启停信号采集电路设计

整套井下监控系统主要由各分系统组成，由此，对该系统中的启停信号采集电路进行设计。该采集电路设计了启停信号接入端(IN)和控制器引脚端(OUT)，能对电气设备的启、停及传感器输出情况进行信号采集，可满足对传感器启停状态的信号采集。同时，设计了光电耦合器和反相触发器，可实现电路中信号的相互转换操作，并对电气进行隔离。启停信号采集电路如图2所示，外部传感器主要通过IN+和IN-进行通讯连接，反相触发器通过OUT1和OUT2进行输出信号连接，光敏三极管可将反相触发器输入端的电压降低，保证整个电路的低压运行。通过该采集电路，可将传感器的启停信号进行采集，并传输至井下监控分站，以此实现对信号的采集。

图2 启停信号采集电路

2.3 监控系统报警电路设计

由于井下设备相对较多，对供电系统的运行安全性提出了更高要求，因此，在该监控系统设计时对其内部的报警电路进行了设计。该报警电路主要用于对供电系统中的运行状态、信号参数进行信号采集，通过与相应阀值进行对比判断出现的故障，通过报警电路发出相应的故障报警提示。整个报警电路主要由继电器、驱动电路组成，如图3所示。在供电系统正常运行时，继电器处于正常断开状态，当发生故障时，通过继电器的闭合实现对故障信息的报警。在该电路中，所配置的三极管Q1主要作为开关管使用，并通过光电耦合器OC1来进行控制。通过此电路，可实现对井下供电系统运行异常情况的实时监控报警，有效保证了供电的运行安全。

图3 监控系统报警电路

2.4 监控界面设计

为了更加直观地对井下供电设备的运行状态进行实时显示，在该系统中设计了监控界面设计，整个界面主要通过组态软件进行编程设计，其主界面如图4所示。

图4 供电监控系统监控主界面

3 井下供电监控系统应用效果分析

为验证所建立的供电监控系统的各项性能，将其在三元煤业中现有井下供电系统进行应用测试，主要进行该监控系统与现有系统的兼容匹配测试。在为期6个月的应用测试中，该监控系统运行正常，智能监控功能更加齐全，能全面地对井下设备的运行状态进行实时监控。在测试期间，供电系统中设备的故障发生率同比降低了近40%，设备维修时间缩短了近200 h，大大缩短了设备的停机时间，降低了人员的劳动强度，有效地消除或减少了井下供电设备的安全隐患。据初步估计，在半年的监控系统实际应用中，该煤矿在供电系统方面的费用节约了将近150万，带来了巨大的经济效益。由此，验证了该系统的可靠性及可行性。

4 结论

在重点分析井下供电系统优点及存在问题的基础上，以三元煤业现有的供电监控系统为研究对象，开展了监控系统的升级改造，并将其在该煤矿中进行了实际应用测试。应用实践表明：该供电监控系统具有更高的监控性能，能大大降低供电设备的故障率，减轻人员的劳动强度，为企业带来较大的经济效益，同时，在提高电气设备运行安全性方面也提供了重要支撑，社会效益及推广价值显著。