煤矿智能综合供电监控系统技术研究

李小东

（西山煤电屯兰矿，山西 古交 030206）

煤矿供配电系统主要由地面变电所及调控中心、井下中央变电所和各采区变电所三大部分组成［1-3］。受煤矿特殊工作环境影响，井下供电网络结构较为复杂，负荷波动较大，供电稳定性较低，且发生故障时排查处理困难，会严重影响煤矿供电系统的正常运转，不利于煤矿安全生产。近年来，随着自动化技术及网络通信技术的应用，针对煤矿供配电网络及井下供电设备的监控平台也朝着综合一体化、智能化、可视化的方向发展。通过具备故障自诊断功能的微机自动控制及保护装置可对煤矿供电系统及设备实施有效监测及保护，也可对煤矿所有供电线路及设备的运行参数及开关状态信号通过地面调控中心上位机进行实时监测，井下变电所的开关动作及参数整定也均可通过地面控制台实现，完成了井下变电所无人值守，大大提高了煤矿供电系统工作效率及智能化程度［4-5］。

目前国内已投入使用的煤矿供电监控系统所存在的普遍问题有以下几点：首先井下各变电所大多采用独立的综保装置及隔爆型开关实现现场保护及监测，由于缺少有效的通信手段，地面调控中心难以获取各变电所的实际运行状态及开关位置信息，无法提供及时有效的安全监控及控制。其次部分具备通信功能的监控系统存在由通信协议不统一、不规范引起的通讯效果及兼容性差的问题，导致系统容易产生信息孤岛，数据交互性较差。因此对煤矿供电监控系统的通信网络进行优化改进，使地面监控平台、井下各采区变电所监控分站及现场监测设备形成一体化的联合监测体系，对实现井下变电所无人值守及可靠的智能化远程监控模式具有重要研究意义。

1.1 煤矿供电监控系统关键技术研究

目前煤矿供电监控系统存在的问题主要集中于数据采集以及系统通信方面，为了进一步提升监控系统的性能，需要对其数据采集单元及通信网络进行改造，进一步提高数据采集的精确性、全面性及远程通信的可靠性，解决井下供电信息孤岛问题。

首先在数据采集方面，通过对数据采集终端进行设计及选型，其监测数据种类除了现场母线的三相电压、电流、功率及相应变化率等模拟量参数外，还包括各类高低压开关等电气设备运行参数；
此外还具备井下环境参数监测功能，如温度、湿度、pH酸碱度等。在保证监测参数种类丰富、准确度高的同时，智能采集终端还应具备光电隔离及通信功能，保证所采集数据可靠传输至地面监控中心实现远程实时监控。

高性能的通信网络是实现井下变电所无人值守的关键，系统通信网络的主要功能一是保证地面监控主站与井下各监测分站的实时通信交互，将分站所采集的各类监测数据实时上传至地面监控中心实现远程集中监控；
二是实现井下各监测分站的双向通信功能，通过各分站的数据互通形成通信环网，进一步提高数据传输可靠性及效率，从而实现对井下供电系统的实时在线监控。本次所采取的技术路线是用工业以太网+RS485组合式通讯环网结构，首先地面监测主站与井下各分站采用高速光纤通道建立通信网络，并通过环网光纤交换机建立以太环网，各综保装置、数据采集终端等现场设备通过RS485总线通信接入监测分站，最终接入到环网交换机实现与监控主站的实时交互。

为了进一步实现井下变电所无人值守，系统需具备远程控制功能及手段，通过地面监控中心对井下各供电设备进行远程控制指令的下达及参数整定，包括各类综保测控装置参数的远程设定及高低压开关等分合闸的远程控制等。

1.2 监控系统构成

供电监控系统按照分层分布式结构共划分为三层架构，分别为：井上监控层、通信网络层和现场设备层三部分。其中：井上监控层主要由监控主站构成，监控主站上位机搭载了煤矿智能供电软件系统，可实现对整个供电系统的监测、控制、数据统计及分析，除上位机交互平台外还配有打印机、光纤交换机、UPS电源等辅助设备。通信网络层负责整个系统的通信及各类数据信息上传下达，主要由工业以太环网及RS485总线通信网络构成，其中各井下监测分站双向通信及地面主站与井下分站通信由以太环网完成，综保装置、摄像头及数据采集器等现场设备的数据通过RS485与监测分站进行传输。现场设备层主要由井下电力监测分站及电力测控单元构成，用于井下现场供电线路及设备参数的采集与上传。系统总体结构如图1所示。

图1 供电监控系统总体结构

2.1 井上监控主站硬件设计

地面监控主站是管理整个供电系统及相应设备的枢纽环节，主要负责各类数据信号的汇集、分析与控制指令下达。其硬件配置主要由监测主站、数据库服务器、UPS电源等组成，具体硬件方案如下：

每处监控主站配置了两台工业计算机，其内部搭载了供电监控软件系统及人机交互界面，可以对所采集的各类运行数据进行实时显示，各类控制操作如参数整定、故障报警等可通过交互界面远程实现，同时还具备数据分析运算、故障诊断、历史报表及实时曲线制作等功能。监控主站还配备两台用于数据采集的数据库服务器，可对所有采集数据进行存储并生成数据库及对外发布网页。同时监控主站还设置了一台容量为3 kVA的UPS电源，能保证2小时可靠不间断供电。

监控主站所配置的2台数据服务器主要用于存储各类历史数据，从而对监控主站实施有效监控，并与监控主站互为双机备份，进一步提高系统可靠性。数据服务器具体功能如表1所示。

表1 数据服务器功能

监控主站配置1台通信服务器，其接口类型为以太网，运行方式为双机备用模式，主要功能包括监控主站、各监测分站及数据服务器之间的数据互传、通信通道监视、协议转换、数据格式化等。

2.2 井上监控主站软件设计

井上监控主站软件的应用系统平台以组态王7.5为基础进行设计，通过多个组态工具模块实现各项监控功能，主要包括供电系统运行主界面绘制、通信管理模块、参数库管理、历史记录存储等模块。其中组态工具模块程序流程如图2所示。

图2 组态程序流程

井下监控分站是负责将现场所采集的各类开关状态、供电线路及设备运行参数转换后上传至井上监控主站，同时接收来自主站下达的控制指令的主要设备，主要由以太网交换机、嵌入式通信服务器、光端设备、开关电源及UPS电源等组成。为了保证系统采集精度及控制效果，本系统选用KJ360-F型井下电力监测分站实现井下变电所就地监控与数据通信，KJ360-F的隔爆主箱体内配备了光端机箱及接线箱两个隔爆腔，通信服务器、交换机、电源等主要设备均置于隔爆腔内。KJ360-F具备8个可配置RS485串口，最大波特率可达115 200 bps，可满足现场综保装置、智能采集器等设备的数据传输，同时具备6个100 Mbps的以太网口和2对单模光口，配合内置以太网交换机可方便架构以太环网实现通信，无需增加额外设备。UPS后备电源可在停电后提供3小时不间断供电，在功能及可靠性上均满足本系统需求。

为进一步提高煤矿供电系统可靠性，提出了一种煤矿智能综合供电监控系统的设计方案，在硬件方面采用三层架构通过对地面监控主站及井下监控分站等设计，实现了供电系统运行数据采集、监控及分析功能，并通过工业以太环网对系统通信网络进行架构，保证了井上井下通信畅通，实现了井下供电设备及变电所的远程监控及无人值守。

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