郭健苗

（大同煤矿集团云冈矿，山西 大同 037000）

同煤集团塔山矿位于大同市，是一座年产量400万t以上的大型矿井。随着塔山煤矿井下各类机电设备的不断投入使用，对供电网络系统的安全性和稳定性的要求越来越高。塔山矿现有KJ70系列井下供电网络监控系统仅具备初始的对供电系统整体电流、电压情况的监测，而塔山矿井下的供电网络系统分布广泛，各类供电设备的供电线路之间盘根错节，极易产生电磁干扰，当出现故障时只能对故障区域内的所有线路进行逐级的排查，效率低下。井下长时间的停电不仅会给煤矿综采作业带来严重影响，也给煤矿井下的安全生产造成了严重的隐患。因此为了提升塔山矿井下供电系统的安全性，技改小组提出了以现场可编程门阵列（FPGA）结合ARM微处理器的网络监控系统改造方案。以ARM微处理器为控制核心，实现对整个供电网络系统的电流、电压等关键供电参数的全面监控，及时判断系统供电过程中的异常问题并隔离，将对供电系统供电稳定性的影响降到最低。目前该系统已通过专业安全技术检验合格，监控系统数据能够实时传递到同煤集团的监察网络中心，各项指标均达到改造要求。

1 供电网络监控系统改造方案

根据塔山矿的实际情况，所提出的井下供电网络监控系统整体结构如图1所示[1]。整个系统包含了供电系统高压开关综保系统、煤矿井下数据传输通讯系统以及井上集中监测控制平台。高压开关综保系统主要用于对井下各个分区内的供电网络的安全保护，收集供电网络内的电压、电流等关键参数，对供电参数进行分析判断，当出现故障时系统给高压开关综保系统一个保护动作信号，系统直接切断该区域内的电网连接，防止故障对临近区域产生影响，将故障范围控制在最小的区域内，最大限度保证煤矿井下的供电安全性。井下数据传输通讯系统主要是完成保护装置和地面监测控制平台之间的数据传输和交换。系统采用了RS485数据通信总线，各个通信分站之间采用国际标准的数据转换接口，能够满足数据传输高效、稳定、抗干扰性的要求。地面集中监测控制中心主要是对井下各个监控分站进行全面监测，将各类数据通过图表信息等显示在监控界面上，便于监控人员对井下各监控分站内的电网运行情况进行监测，同时具有远程控制功能，实现人员对井下各个监控分站的远程控制，满足供电系统安全供电需求。

图1 塔山矿井下电网监控系统整体结构示意图

2 煤矿井下数据传输线路升级

塔山矿现有的监控系统采用的数据传输线为普通的双绞线结构，只能满足一般情况下的数据传输需求，但煤矿井下工作环境恶劣、各类用电设备分布复杂，在巷道复杂而且狭小的地质环境下存在严重的电磁干扰，造成数据信号在传输过程中存在着极大的电磁波动，严重影响了系统对监测数据的分析和识别。因此在进行升级改造时，将普通的双绞线结构换成了双屏蔽电缆，其主要包含了分相屏蔽层和分相绝缘层[2]。在使用的时候将电缆的分相屏蔽层进行接地处理，供电系统在工作过程中一旦出现了电流过大等异常，则能够立刻通过屏蔽电缆的分相屏蔽层进行电流的分流，确保系统的供电安全。同时该双屏蔽电缆由于屏蔽层的存在能够有效地对过大的电流进行分流处理，防止了过大电流泄漏而造成的触电事故，极大地提升了井下作业人员工作的安全性。根据井下抗干扰、通信安全的要求，所设定的双屏蔽层电流的保护动作特性如表1所示。

表1 双屏蔽电缆绝缘监视动作控制特性汇总

3 高压综保开关原理

塔山矿在进行网络监控系统升级改造时，根据监测要求，所选择的高压综保开关为KYN28A，其工作原理的结构如图2所示[3]。

图2 高压综保开关结构示意图

由图2可知，该综保开关由互感器、滤波器、整流电路等组成，其通过互感器对供电线路的三相电流、电压等进行监控，然后利用滤波器将所采集到的交流电转化为直流信号，在采集过程中系统也同时对电网内的绝缘信号进行滤波处理，整体转化完成后通过转换电路将收集到的模拟信号转变为数字处理信号。综保开关的处理器接收到数字信号后根据预设的转换逻辑对其进行判别，完成对系统开关监测量的控制，通过对监测数据和系统设定的警戒区域的对比分析，即可确定是否进行保护动作。

该高压综保装置采用了RS-485数据总线接口[4]，能够实时对监测情况和保护装置的工作状态进行显示，采用了屏蔽外壳结构，具有防爆和防电磁干扰的功能，能够满足在煤矿井下恶劣环境下的数据传输需求，稳定性高，可靠性好，自投入应用以来表现出了极强的适应性。

4 应用效果分析

塔山矿采用新的供电网络监控系统后极大地提升了电网系统在运行过程中的稳定性和可靠性。通过对2019/4/30～2019/9/30期间电网异常情况的监控，表明采用新的网络监控系统后，电网运行过程中的跳闸、短路异常比2018年同期下降了94%以上，同时取消了一个井下供电巡查员岗位，平均节约人力和维护成本约15万元，因供电网络问题而导致的停产时间比优化前缩短了87.6%，平均每天提升产能约1500t，极大地提升了塔山矿的经济效益。

2018年和2019年4～9月期间塔山矿的电网系统的异常次数统计如图3所示。

图3 不同时间电网异常次数统计

5 结论

本文针对塔山矿现有的供电网络监控系统存在的自动化程度低下、数据监测波动大、无法满足煤矿井下供电安全的现状，提出了一种以现场可编程门阵列（FPGA）结合ARM微处理器的网络监控系统改造方案，该系统以ARM微处理器为控制核心，实现对整个供电网络系统的电流、电压等关键供电参数的全面监控。根据实际应用表明：该监控系统包含了供电系统高压开关综保系统、煤矿井下数据传输通讯系统以及井上集中监测控制平台，具有集成度高、自动化程度高的优点，能够有效地抵抗井下复杂的电磁环境，提升数据传输精确性和稳定性。该系统自应用以来，电网运行过程中的跳闸、短路异常下降了94%以上，平均节约人力和维护成本约15万元/半年，因供电网络问题而导致的停产时间比优化前缩短了87.6%，平均每天提升产能约1500t，极大地提升了塔山矿的经济效益。