煤礦深井供配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐奕

中煤新集阜陽礦業(yè)有限公司 安徽阜陽 236153

我國是一個(gè)多煤炭缺石油少天然氣的國家，煤炭一直作為一種重要的戰(zhàn)略資源，無論是在重工業(yè)還是輕工業(yè)都起著重大作用。在我國的一次能源生產(chǎn)和消耗中煤炭占70%以上，持續(xù)到2050年還將達(dá)到50%以上，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)煤炭仍將是我國的主要能源。煤炭開采作為首要環(huán)節(jié)，也開始越來越注重自動化、數(shù)字化和信息化，利用先進(jìn)的數(shù)字化、信息化技術(shù)打造全數(shù)字化的、智能化的現(xiàn)代化礦井成為發(fā)展趨勢。煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)作為煤礦的動力核心，一直受到人們的廣泛關(guān)注。目前，由于煤礦井下空氣潮濕、空間狹小，還有瓦斯、煤塵、涌水等，供配電網(wǎng)絡(luò)外部條件惡劣，而且設(shè)備自身頻繁移動，供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多變、負(fù)荷大、啟動電流大，直接影響著供電網(wǎng)路的安全運(yùn)行。隨著我國大批煤礦的開采開始進(jìn)入深部開采的階段，深度達(dá)到1000m到1500m3，深層次的開采面臨著高溫?zé)岷?、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水、軟巖變形、煤層自燃等更加嚴(yán)峻的問題，除了對煤礦安全生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控提出了更加苛刻的挑戰(zhàn)，對煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的性能也提出了更高的要求，如果供配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，帶來的系列后果可能是災(zāi)難性的。所以，保證良好的供電質(zhì)量、供電能力，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、提前預(yù)警、反應(yīng)迅速，能夠應(yīng)急處理的煤礦供配電監(jiān)控系統(tǒng)就顯得非常重要。

1 煤礦深井供配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀分析

供配電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和各種繼電保護(hù)的發(fā)展息息相關(guān)。20世紀(jì)二三十年代，美國、英國、德國等就開始研究煤礦井下供配電的安全，由于技術(shù)條件限制，僅僅使用電磁式或者晶體管式的保護(hù)裝置，自然也沒有對其供電狀態(tài)進(jìn)行井上監(jiān)測降。到了90年代末，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了智能配電裝置，能夠?qū)ε潆娺^程中的過流、過載等故障進(jìn)行保護(hù)，但也只是局部保護(hù)，也不能進(jìn)行集中井上監(jiān)測。90年代開始，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開始發(fā)展，單片機(jī)、PLC等新一代控制器開始出現(xiàn)，煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性設(shè)備，例如綜合保護(hù)器、斷路器等開始向著智能化的方向的發(fā)展，將檢測、控制、保護(hù)等功能集于一體，同時(shí)支持開放式的標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)與上位監(jiān)控主機(jī)的通訊。進(jìn)入21世紀(jì)后，現(xiàn)代電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖技術(shù)、通訊技術(shù)軟件技術(shù)等快速發(fā)展，智能元器件、現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了智能型的開關(guān)設(shè)備，比較典型的有ABB的MNS-iS系列以及施耐德的Blokset系列智能開關(guān)柜，在防護(hù)等級上能夠適應(yīng)井下復(fù)雜的工況條件。國外最新推出的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)采用基于開發(fā)式系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)模型的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有現(xiàn)場監(jiān)控分站和控制中心站組成，可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)互連，由單一監(jiān)測監(jiān)控向著綜合自動化的方向發(fā)展。

2 煤礦深井供配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 基于嵌入式操作系統(tǒng)的監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站是供配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有數(shù)據(jù)扭帶的作用。電力監(jiān)控分站通過工業(yè)以太網(wǎng)同地面監(jiān)控主站通訊，通過RS48_5總線同綜合保護(hù)器通訊，接受設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)及故障信息。目前，支持井下綜合保護(hù)器串口通訊設(shè)備接入工業(yè)以太網(wǎng)的方式有很多，有采用、工控機(jī)PC、嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC,PSC（可編程串口控制器等）、串口服務(wù)器等方式，然而工控機(jī)價(jià)格昂貴、體積較大，不適合井下的電力設(shè)備監(jiān)控場合，PSC、串口服務(wù)器等設(shè)備，功能相對單一，不能滿足現(xiàn)代信息化礦井的功能需求，PLC編程能力有限，拓展性較差，對錄波文件等文件無法操作，所以采用了嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)作為核心處理單元，系統(tǒng)可裁剪，體積小，滿足現(xiàn)代數(shù)字化礦井的需求。采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)作為處理核心，根據(jù)功能需求，監(jiān)控分站的主要組成部分有：通訊服務(wù)器（采用嵌入式操作系統(tǒng)）、工業(yè)光纖以太網(wǎng)交換機(jī)、就地監(jiān)視顯示屏、后備工作電源（保證2小時(shí)以上）、光纖接續(xù)盒等組成。

2.2 煤礦深井供配電監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦深井供配電監(jiān)控系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分主要有三個(gè)層次：現(xiàn)場設(shè)備層（即綜合保護(hù)器）、信息處理與監(jiān)控層（即變電所內(nèi)的就地監(jiān)控和自動化設(shè)備一一監(jiān)控分站）、地面綜合信息管理層（即地面調(diào)度中心一一監(jiān)控主站）?，F(xiàn)場設(shè)備層：完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、供電網(wǎng)絡(luò)綜合保護(hù)、操作命令執(zhí)行等任務(wù)，一般通過RS48_5,CAN等現(xiàn)場總線方式接入監(jiān)控分站。監(jiān)控分站：主要完成兩類任務(wù)：一是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站與現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)交互；二是完成一些功能模塊任務(wù)，例如：綜合選漏、就地監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳、故障錄波存儲和時(shí)鐘同步等，并通過光纖以太環(huán)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站和與監(jiān)控主站通訊。監(jiān)控主站：一般采用專業(yè)版的供電系統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)一定的規(guī)范組成SCADA系統(tǒng)，對供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制、統(tǒng)計(jì)與分析，提供數(shù)據(jù)服務(wù)功能，支持C/SB三層結(jié)構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)對供配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控[2]。

3 結(jié)語

針對目前煤礦產(chǎn)業(yè)數(shù)字化建設(shè)的需求以及現(xiàn)階段煤礦企業(yè)供配電監(jiān)控手段的不足，分析了煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢以及現(xiàn)代煤礦的監(jiān)控手段，在此基礎(chǔ)上針對一些監(jiān)控分站功分站相對單一，監(jiān)控主站平臺兼容性差、傳統(tǒng)二維監(jiān)控手段的不足的劣勢，先分別對監(jiān)控監(jiān)控主站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，再結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦深井供配電網(wǎng)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控手段的不足，為全礦井?dāng)?shù)字化信息融合提供了很好的平臺。