王旭波，李广红

（1.西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014；2.陕西煤矿安全装备检测中心 陕西 西安 710001）

煤矿井下供电安全监控系统的设计及应用

王旭波1，李广红2

（1.西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014；2.陕西煤矿安全装备检测中心 陕西 西安 710001）

针对王村煤矿井下供电监控系统技术老化，可靠性不强的难题，采用通过先进的计算机测控技术和网络通信技术，实现基于工业以太环网的煤矿井下供电监控系统的开发设计过程。通过实际应用结果表明，此系统成效明显，使井下供电系统得到了更加可靠的、便捷、高效的监督与控制，为矿井生产和矿山安全提供了可靠地有力的技术保障。对其他矿山生产也有一定的参考或指导意义。

煤矿；井下供电系统；电力安全监控系统；远程监控；综合自动化

目前在我国煤矿井下供电系统中，面临的主要问题是电能质量不稳定，特别是采掘工作面，电气设备移动频繁，负荷变化大，大型采掘设备直接启动，强大的电流冲击着电网。因此，矿井供电必须保证安全、可靠、经济，且有良好的供电质量和供电能力。而传统的井下供电系统监控是通过地面35 kV变电所监控主机来了解各采区变电所的电压、电流、功率等实时数据，如果通信故障，将对数据的传输及故障信息的及时发送和处理造成很大延误，甚至造成极大的安全生产事故，因此，本课题就是对生产矿井井下供电监控系统进行系统改造，采用先进的计算机技术、网络通信等对实现煤矿井下各变电所的无人值守，实现矿井安全监控的“五遥”功能，为安全生产提供有力的技术保障。

1 存在的问题

目前国内很多煤矿井下供电系统主要是采用独立的综合保护器，井下中央变电所及各采区变电所采用隔爆兼本安型高低压开关及综合保护装置，可以实现就地监测和保护，但没有通讯接口，不具备对外通讯和数据远距离传送功能，地面监控中心无法实时了解井下各变电所运行的开关的位置状态和电气参数，无法保证矿井的正常供电和安全生产。

2 总体方案

陕西澄合矿业公司王村煤矿井下改造变电所共有3个，即中央变电所、三下采区变电所和四采区变电所。

其中中央变电所高压部分为无锡军工产品，该高压开关柜配有上海山源ZBT-11B综合保护单元，保护系统支持“四遥”功能，低压配电柜选用焦作亚坤产品，综合保护可就地监测和保护低压侧馈。

三下采区变电所高压隔爆配电柜为山西华鑫PBG-63016的I型和II型产品，本身配有就地综合保护系统，I型产品配有单相综合保护系统，II型配有三相综合保护系统，综合保护系统不具备对外接口功能，不支持 RS485接口，而不具备数据上传的条件。低压侧馈电开关为浙江三洲防爆馈电开关，产品型号为BKD-400/1140(660)Z，产品具有就地综合保护系统，不支持 RS485接口，而不具备数据上传的条件。

四采区变电所高压馈电开关和低压馈电开关产品为济源市金光电器有限公司KBZ系列产品，真空馈电开关配有综合保护系统，支持 RS485接口，本次设计主要是将井下电力监测分站系统接入四采区变电所综合保护装置，并进行接口转换，接入至四采区变电所的以太网交换机。

基于现场实际情况，本次设计改造主要包括以下内容：

1）中央变电所配套安装一套电力监测后台主站；

2）三下和四采区变电所安装接口转化器，实现接口转换：RS485转换RJ45接口/光口，通讯协议为Modbus协议，为使各变电所顺利接入至就近综合自动化平台的环网交换机，使电力综合保护系统在硬件接口上满足接入在调度中心形成的工业以太网络数据传输平台。并通过建设中央变电所的电力监测监控后台主机，使本地具有监测和监控本地变电所的电力监测监控的“四遥”功能；

3）通过中央变电所、三下采区变电所、四采区变电所监控系统电力综合保护系统的接入，在调度中心实现监测各变电所的运行参数和馈电开关的运行状态，实现远方合分闸功能，最终实现各变电所无人值守功能；

4）三下采区变电所中的电力综合保护装置换成配套使用的具有RS485接口综保装置，实现综保的远传功能，通过RS485接口及接口转换器，通过分站接入至三下采区变电所的以太网交换机；

5）四采区变电所具有RS485接口，将四采区变电所的电力综保装置通过RS485接口，转换后接入四采区变电所的以太网交换机。

6）建成后的井下供电监控系统还应该具有防止越级跳闸功能。越级跳闸是指电力系统故障时，应由保护整定优先跳闸的断路器来切除故障，但因故由其他断路器跳闸来切除故障，这样的跳闸行为称为越级跳闸。解决措施是开关的选择配合上要严格认真，尽量在一路供电系统中选择一种类型的开关，避免因为保护方式的不同而引起开关的跳闸现象。

3 煤矿地面供电系统概况

3.1 地面供电系统情况

井下四回路6 kV电源直接引自位于矿区工业场地东南角的澄合矿业电力中心所管辖的110/35/6 kV变电站6 kV不同母线段。东区变电站一回路110 kV供电电源引自西高明330/110 kV变电站，供电距离23 km；二回110 kV供电电源引自南蔡110/35 kV变电站，供电距离2.7 km。架空线规格均为LGJ-185，一回路运行，另一回路热备用。

东区变电站安装2台S3210-M50000/110/35/6 50000kVA变压器，6 kV输出端采用单母线分段运行。地面设有主井提升机房、副井提升机房、空压机房、工业场地、筛选楼、锅炉房、东风井、西风井及装车仓等九所变电所，变电所进线电源均采用双回路供电。

3.2 井下供电系统概况

1）副井井底附近设6 kV中央变电所，双回路6 kV电源引自东区110/35/6 kV变电所6kV不同母线段，采用4趟MYJV22-10kV-3×185 mm2交联铠装铜芯电缆沿副立井井筒敷设下井，长度700 m。中央变电所安装2台KSGB-315矿用隔爆干式变压器，用于向井底车场低压负荷供电；安装2台整流变压器，用于向架线电机车供电。同时向主排水泵、一采区变电所、三采区变电所、三下采区变电所和四采区临时变电所提供6 kV高压电源，其中三采区变电所、三下采区变电所分别向两个回采工作面供电。

2）井下变电所及变配电点均安装矿用隔爆型干式变压器或矿用隔爆型移动变电站，掘进工作面局部通风机采用“三专”供电，双风机双电源自动切换，安装有风电瓦斯闭锁装置。

矿井双回路供电电源符合《煤矿安全规程》要求。

3）矿井总装机容量为22 995 kW，工作容量为12 647 kW。其中井下最大涌水时计算负荷为5 791 kW，矿井2011年年产原煤201万吨、用电量为2 687.37万度，原煤综合电耗为13.37 kW·h/t。

4 井下供电监控系统的关键技术及解决办法

由于矿井下空间狭小、环境潮湿、井下有涌水而且还有瓦斯和煤尘，而井下供电监控设备主要是由井下中央变电所监控主站与各电力监测分站之间通过通信电缆传输数据给交换机和监测主机；监测分站内的所有电气元件及接头部分必须采用防水防爆隔尘兼本安型设备，生产厂家必须具有煤矿安全生产准入资质。

所以，开发团队在对王村煤矿井下供电系统进行反复多次的实地考察、调研之后，总结出设计中需要攻克的几个关键技术及解决办法：

1）智能采集器的设计

选择的电流、电压等新型智能采集器要满足井下供电监控系统实时监测监控需要，还应该具备体积小、功能强、耗电少、安全可靠性高等特点。能实现在线监测和控制，还能实现远距离遥控的功能。

它的连线也很关键，必须保证与原来安装的高压真空开关内的综保电路及控制执行机构保持各自独立工作，这是数据采集电路设计的关键问题所在。在设计中选用的智能采集器必须具有光电隔离作用。

2）通信

通信是指计算机之间的数据交换。要实现地面监控主站实时快速地监测井下各综合保护器中断路器、开关的位置信号或母线电压、电流、功率等等电气参数，井下各监测分站与地面监控主站之间不断地传输数据并刷新数据。所以通信在计算机系统中是非常重要的组成部分。在做王村煤矿井下供电监控系统设计改造中，本人与设计开发人员经过综合比较，选择基于工业以太环网技术，在井下供电监测主站和各监测分站之间建成100 M的高速光纤网络，由各监测分站通过RS485通信接口连接到井下高速环网交换机，组成高速的计算机通信网络，与地面监控主站进行实时通信。

3）分站的双向通信功能

分站的主要功能是实现双向通信。目前市场上的单片机大多只具有一个串行口，只能进行单向通信，无法满足井下供电监控系统进行实时监控、双向交换数据的需要。为提高计算机的运行速度，不影响分站的工作性能，在本次设计中我们采用双单片机结构，并采用双口RAM进行数据暂存和缓冲，两只单片机独立工作，互不影响，能够快速地把井下各变电所内的数据快速地传输给监测分站，再通过井下环网交换机送给地面监控主站，实现井下供电系统的实时在线监控。

4）系统的分、合闸功能

为实现系统的远距离分、合闸，从计算机操作、通信到由数据采集器执行主站端发送的控制命令等过程实施专人操作、密码验证、专线传输、实时监测、定时中断等技术措施。

5 系统构成

5.1 系统组成及各部分作用

煤矿供电监控系统由3大部分组成：地面监控主站、井下监测分站和各电力测控单元（高开综合保护器）。

1）地面监测主站是一套供电系统专业版组态软件系统，按照井下供电系统监控的设计规范，对供电系统进行监测、控制、统计和分析。地面部分由监控工作站、备用工作站、打印机、数据传输光端机、网络设备等组成。

2）井下监测分站是地面监测中心主站和电力测控单元之间的桥梁，它主要用于与井下高压开关内的综合保护装置的通讯，另一方面还要完成故障录波、数据传送、数据存储、命令下达、当地监控，通过井下工业以太环网，与地面监控中心实现远距离通信。其安全可靠性对整个系统起到至关重要的作用。井下部分由地面部分KJ275－F井下分站、智能型高低压终端保护装置等组成。

3）电力测控单元（综合保护器）的作用主要负责变电所设备的数据采集与转发，并下发执行地面监测中心发出的遥控命令。

通讯平台是由光端机通过光纤传输，将井下各变电所的综合保护器接入监控分站，各监控分站并入井下工业以太环网，将信息转换后传送给地面监控中心主机，井下各变电所的电气参数可以实时显示在大屏幕液晶显示器或存储在监控主机存储器的相应位置，形成历史报表数据。

如图1所示为煤矿井下供电监控系统硬件结构图。

其中井下电力监控分站采用的是煤矿用隔爆兼本质安全型井下电力监测分站KJ275-F。变电所的电气设备测控装置及综合保护器的通讯端子通过RS485总线连接至变电所的KJ275－F井下监控分站，主要执行数据采集、计算、记录、保护、控制执行、数据传送等操作，适用于监测监控煤矿井下各个等级变电所内的供电开关设备。 KJ275-F系统基于Windows NT/2000/XP操作系统，硬件以工控机或高档PC机为主，软件设计中采用了分层设计、组件化、标准化、开放式等先进的软件开发思想，为用户提供了可靠、安全、易于操作的监控系统平台。适用于煤矿井上、下变电所高低压供电系统中实时过程测量、控制及监视、实现连续监测电力系统运行参数、及时发现故障、有助于防止事故扩大和缩短停电时间、合理调配电力，提高电网运行质量、减轻电费支出，实现变电所的无人值守。

图1 煤矿井下供电监控系统硬件结构图Fig.1 Coal mine power monitoring system hardware structure

5.2 系统功能

1）数据采集功能：采集、传输开关的各种参数；2）控制功能：实现对各类开关的远程控制；3）远程参数的整定功能；4）数据和事件的存储和查询功能；5）显示功能：将各种运行状态、参数以图形、曲线、表格、动画等多种形式生动显示出来；6）打印功能，将事件、运行数据等打印出来；7）人机对话功能；8）自诊断功能；9）双机切换功能，实现系统主机双机备份；10）备用电源功能：在系统停电后能继续工作2小时；11）网络通讯功能；12）软件自监视功能；13）软件容错功能；14）实时多任务功能；系统按现场要求进行功能的升级和增加。15）防越级跳闸功能：防止开关越级跳闸，造成开关及保护误动。

6 结束语

本系统建成投运后，试运行一年时间。在安装初期，出现几次电压、电流畸变的情况，经过对设备调试、补偿后，目前波形基本平稳。目前电力监控系统运行正常，能够实现地面电力监控主站对井下各电力监测分站实现遥控、遥调、遥测、遥信等功能，，对井下各采区变电所内高低压开关综合保护器及真空开关的位置状态及电气参数等均能实现在线监控。以后有望在其他煤矿推广应用。

[1]孙继平.矿井安全生产监控系统主要性能与技术指标[J].煤矿设计, 2006(12):16-19.

SUN Ji-ping. Main performance monitoring and control system for mine safety in production and technical index[J].Coal Mine Design, 2006(12):16-19.

[2]王涛.我国煤矿矿井监控系统的现状与发展[J].煤炭科学技术,2000,28(9):43-45.

WANG Tao. Present situation and the development of coal mine monitoring system in our country[J].Coal Science And Technology,2000,28(9):43-45.

[3]黄旭慧.煤矿多级安全监控系统的设计和开发[J].微型电脑应用，2006（10）:18-22.

HUANG Xu-hui. Design and development of multi-level coal mine safety monitoring system [J]. Microcomputer Applications,2006(10):18-22.

[4]史丽红.动态数据交换在矿井监测监控系统中的应用[J].矿山机械，2005（10）:41-42.

SHI Li-hong.Dynamic data exchange in mine monitoring system[J].The Application Of The Mining Machinery, 2005（10）:41-42.

[5]张永超.基于VB的煤矿监控系统的研制[J].采矿技术，2005（2）:72-75.

ZHANG Yong-chao.The development of the coal mine monitoring system based on VB[J].The Mining Technology, 2005（2）:72-75.

[6]吕鹏飞.基于组态技术的煤矿监控软件设计的研究[J].工矿自动化，2005（4）:13-17.

LV Peng-fei.Based on Configuration Technology mine monitoring software designed[J]. Industry and Mine 2005(4):13-17.Automation,

[7]郭惟嘉.矿井安全CIMS技术研究[J].安全与环境学报，2006（7）:178-180.

GUO Wei-jia.Mine safety CIMS technology research[J].Journal Of Safety And The Environment,2006(7):178-180.

Coal mine safety monitoring system power supply design and application

WANG Xu-bo1,LI Guang-hong2
（1.Xi'an Railway Vocational and Technical College, Xi'an 710014,China;2.Shaanxi Coal Mine Safety Equipment Testing Center, Xi'an 710001,China）

Technology for the granddaddy of aging underground mine monitoring system supply reliability is not strong challenges through the use of advanced computer control technology and network communication technology, industrial development and design based on the Ethernet ring network monitoring system in coal mine supply process. Through practical application results show the effectiveness of this system is obvious that underground power supply system has been more reliable, convenient and efficient supervision and control of mine production and mine safety to provide a reliable strong technical support. Other mine production also has some reference or guide.

coal mine; underground power supply system; electric power safety monitoring system; remote monitoring;integrated automation

[TN98]

A

1674-6236(2014)14-0081-03

2013-09-24 稿件编号：201309190

王旭波(1977—)，女，陕西蓝田人，讲师。研究方向:电力系统自动化。