煤矿深井供配电网络监控系统的设计与应用

徐奕

中煤新集阜阳矿业有限公司 安徽阜阳 236153

我国是一个多煤炭缺石油少天然气的国家，煤炭一直作为一种重要的战略资源，无论是在重工业还是轻工业都起着重大作用。在我国的一次能源生产和消耗中煤炭占70%以上，持续到2050年还将达到50%以上，在相当长的时间内煤炭仍将是我国的主要能源。煤炭开采作为首要环节，也开始越来越注重自动化、数字化和信息化，利用先进的数字化、信息化技术打造全数字化的、智能化的现代化矿井成为发展趋势。煤矿供配电网络作为煤矿的动力核心，一直受到人们的广泛关注。目前，由于煤矿井下空气潮湿、空间狭小，还有瓦斯、煤尘、涌水等，供配电网络外部条件恶劣，而且设备自身频繁移动，供电网络结构多变、负荷大、启动电流大，直接影响着供电网路的安全运行。随着我国大批煤矿的开采开始进入深部开采的阶段，深度达到1000m到1500m3，深层次的开采面临着高温热害、冲击地压、煤与瓦斯突出、突水、软岩变形、煤层自燃等更加严峻的问题，除了对煤矿安全生产环境的监控提出了更加苛刻的挑战，对煤矿供配电网络监控系统的性能也提出了更高的要求，如果供配电网络出现故障，带来的系列后果可能是灾难性的。所以，保证良好的供电质量、供电能力，能够实时监测、提前预警、反应迅速，能够应急处理的煤矿供配电监控系统就显得非常重要。

1 煤矿深井供配电网络监控系统的发展及现状分析

供配电监控系统的发展和各种继电保护的发展息息相关。20世纪二三十年代，美国、英国、德国等就开始研究煤矿井下供配电的安全，由于技术条件限制，仅仅使用电磁式或者晶体管式的保护装置，自然也没有对其供电状态进行井上监测降。到了90年代末，计算机控制技术发展，出现了智能配电装置，能够对配电过程中的过流、过载等故障进行保护，但也只是局部保护，也不能进行集中井上监测。90年代开始，网络通讯技术开始发展，单片机、PLC等新一代控制器开始出现，煤矿供配电网络的关键性设备，例如综合保护器、断路器等开始向着智能化的方向的发展，将检测、控制、保护等功能集于一体，同时支持开放式的标准的通讯协议，可以实现与上位监控主机的通讯。进入21世纪后，现代电子技术、网络技术、光纤技术、通讯技术软件技术等快速发展，智能元器件、现场总线技术的广泛应用，出现了智能型的开关设备，比较典型的有ABB的MNS-iS系列以及施耐德的Blokset系列智能开关柜，在防护等级上能够适应井下复杂的工况条件。国外最新推出的煤矿监控系统采用基于开发式系统互连标准模型的集散系统结构，系统有现场监控分站和控制中心站组成，可以实现多节点网络互连，由单一监测监控向着综合自动化的方向发展。

2 煤矿深井供配电网络监控系统的设计与应用

2.1 基于嵌入式操作系统的监控分站结构设计

监控分站是供配电网络监控系统的核心设备，具有数据扭带的作用。电力监控分站通过工业以太网同地面监控主站通讯，通过RS48_5总线同综合保护器通讯，接受设备运行的各项参数及故障信息。目前，支持井下综合保护器串口通讯设备接入工业以太网的方式有很多，有采用、工控机PC、嵌入式工业计算机、PLC,PSC（可编程串口控制器等）、串口服务器等方式，然而工控机价格昂贵、体积较大，不适合井下的电力设备监控场合，PSC、串口服务器等设备，功能相对单一，不能满足现代信息化矿井的功能需求，PLC编程能力有限，拓展性较差，对录波文件等文件无法操作，所以采用了嵌入式工业计算机作为核心处理单元，系统可裁剪，体积小，满足现代数字化矿井的需求。采用Linux嵌入式操作系统作为处理核心，根据功能需求，监控分站的主要组成部分有：通讯服务器（采用嵌入式操作系统）、工业光纤以太网交换机、就地监视显示屏、后备工作电源（保证2小时以上）、光纤接续盒等组成。

2.2 煤矿深井供配电监控系统整体结构设计

煤矿深井供配电监控系统从结构上划分主要有三个层次：现场设备层（即综合保护器）、信息处理与监控层（即变电所内的就地监控和自动化设备一一监控分站）、地面综合信息管理层（即地面调度中心一一监控主站）。现场设备层：完成实时数据采集与处理、供电网络综合保护、操作命令执行等任务，一般通过RS48_5,CAN等现场总线方式接入监控分站。监控分站：主要完成两类任务：一是数据转发，实现监控分站与现场设备的数据交互；二是完成一些功能模块任务，例如：综合选漏、就地监控、数据上传、故障录波存储和时钟同步等，并通过光纤以太环网方式实现监控分站和与监控主站通讯。监控主站：一般采用专业版的供电系统组态系统，根据一定的规范组成SCADA系统，对供电系统进行监测、控制、统计与分析，提供数据服务功能，支持C/SB三层结构模式，实现整个企业对供配电网络进行监控[2]。

3 结语

针对目前煤矿产业数字化建设的需求以及现阶段煤矿企业供配电监控手段的不足，分析了煤矿供配电网络监控系统发展趋势以及现代煤矿的监控手段，在此基础上针对一些监控分站功分站相对单一，监控主站平台兼容性差、传统二维监控手段的不足的劣势，先分别对监控监控主站系统的结构进行了分析与设计，再结合虚拟现实技术的独特优势，设计了基于虚拟现实技术的煤矿深井供配电网三维可视化监控系统，弥补了传统监控手段的不足，为全矿井数字化信息融合提供了很好的平台。