朱小军

(西山煤电(集团)有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

煤矿井下供电系统用于维持井下采掘、运输、通风、排水等重要井下电气设备的正常工作，主要由井下变电站、配电设备和高低压开关装置等组成，其运行可靠性及稳定性是井下安全、高效生产的重要保障。受井下复杂恶劣的工作环境及供电设备移动频繁等因素影响，井下供电系统经常存在负荷波动剧烈、无计划停电、越级跳闸及故障难以定位处理等问题，使得高低压开关、电缆、局扇等电气设备故障频繁，极易发生瓦斯、煤尘爆炸等重大事故。因此通过现代化供电监控系统保证井下的可靠供电对于煤矿安全生产至关重要[1-3]。

目前国内许多中小型煤矿针对井下供电系统的监控及故障预警诊断仍采用传统的人工巡检方法，不仅耗费大量人力，同时受井下复杂环境的影响，人工巡检通常无法准确找出故障点及故障原因，不能准确掌握各井下供电所的实际运行情况，因此需要通过更为智能的监控系统对井下供电设备及网络进行动态监测及全面故障定位报警。由于国内针对采煤机监控系统技术起步较晚，多数监控系统的监测范围不够全面，各模块间数据交互性差。针对上述问题，本文设计了一套基于工业以太环网架构的煤矿井下智能供电监控系统，通过地面控制中心、监控分站及现场监测设备的联合测控实现更为全面的井下供电设备监控，从而有效地保证了井下供电系统的可靠运行。

1 供电监控系统总体方案设计

在对井下供电监控系统进行设计前，首先需明确系统的主要功能[4]。本文所设计的井下供电监控系统的主要目标首先是实现系统各级数据的网络交互，使系统具备向上一级传输数据的能力，其次是实现井下供电设备的遥测、遥信、遥控、遥调、遥视等一系列功能，系统具体功能如下：

(1) 数据采集监测功能。位于井下变电所的高开综保测控装置可以对所内设备的运行数据进行实时采集并上传至监控分站，地面监控中心可以通过上位机对井下各监控分站所采集的运行数据进行实时显示监测和分析处理。

(2) 远程控制功能。地面监控中心可以通过监控主站对井下各供电设备进行远程控制，如各综保测控装置参数的远程设定及分合闸远程操控，从而实现井下无人值守供电系统的功能。

(3) 故障预警功能。当井下供电设备发生故障或超过阈值时，系统可自动进行声光报警并发送保护、跳闸等信号，同时系统还可对故障类型、发生时间等信息通过上位机进行显示，以便分析故障原因。

(4) 数据存储功能。系统支持各类运行数据的实时存储及查询，并可通过上位机软件绘制相应日负荷曲线、功率因数曲线和有功曲线等。

根据上述对系统功能的分析，本文基于工业以太环网对整个监控系统进行架构，系统整体可分为井上监控层、井下监控层和现场设备层，系统整体结构如图1所示。

井上监控层主要由监控计算机、数据服务器、UPS不间断电源和打印机等设备组成，监控主站内部集成有井下供电监控软件，可实现对井下供电设备的远程控制、监测及运行数据的分析存储等功能[5，6]。井下监控层主要由井下监控分站和光纤交换机组成，其中监测分站位于各井下变电所，通过RS-485通信方式采集并处理变电所供电设备的运行状态参数，实现就地监控。另一方面监控分站还需通过由光纤交换机所组成的工业以太环网与井上监控中心进行远距离通信，用于井下供电数据的实时上传及监控主站控制、报警指令的执行。现场设备层主要由位于高低压开关或配电柜内的高开综保测控装置、传感器、电能计量表、PLC控制模块等组成，用于井下各类供电设备运行参数的采集与上传，并执行由上一级下达的相应控制、报警及保护等指令。

图1 供电监控系统总体结构

2 硬件方案设计

本监控系统硬件设计部分主要包括地面调控中心硬件设计和井下供电监控分站硬件设计。地面调控中心是管理整个供电系统及供电设备的枢纽，其硬件主要包括数据服务器、通讯服务器、监控主站和UPS电源等。

地面调控中心配置有2台数据服务器，用于采集上传至地面调控中心的各类运行及测量数据。在对数据服务器进行设计选择时，需满足以下条件：①具备数据实时采集功能，可接收各类遥测、遥信等类型的数据，并可对终端数据进行定时采集；②具备通道控制功能，可对各设备所占用的通道进行开通、关闭等操作；③具备数据处理功能，通过数据服务器系统可对各模拟参数设置阈值，当采集数据超过阈值时即生成报警记录；④具备数据存储功能，数据服务器可对用户的各类操作、报警及通讯事件进行记录和存储，便于随时调用；⑤能够支持多种通讯通道及通讯协议。

地面调控中心配置1台通讯服务器，用于监控主站、各监控分站及数据服务器之间的数据互传、通讯通道监视、协议转换、数据格式化等操作。本系统的通讯服务器接口采用以太网接口模式，并采用主-备用双机运行模式，正常情况下只有服务器主机处于工作状态，完成系统的数据传输等工作，当服务器主机退出运行时，即启用备用机完成主机工作[7，8]。

井下监控分站的作用是实现井下供电系统运行数据的实时上传及监控主站控制、报警指令的执行，本系统选用KXB-110型井下电网测控分站与井下高开综保装置实现通讯，同时完成与地面监控主站间的数据上传及指令下达。KXB-110监控分站由通讯管理机、冗余光纤交换机、人机交互界面及UPS组成，其中通讯管理机为DA600型嵌入式通讯计算机，具有8路串口及1路10/100 Mb/s以太网口，可完成与高开综保装置的通讯；EDS-510A型光纤交换机具备6口100/1 000BaseT(X)，采用Turbo Chain冗余环网，自愈时间<20 ms，大大提高了网络可靠性；UPS后备电源可在停电后持续供电3 h，信号传输距离>30 km，完全满足本系统传输及采集需求。

3 软件方案设计

监控系统软件部分主要分为地面监控中心软件及井下监控分站软件两部分，其中地面监控中心软件主要包括操作系统、数据库系统及监控应用系统三部分。操作系统采用Windows 10专业版，确保系统具有良好的兼容性及操作性；监控应用系统软件采用VC6.0开发环境，以组态支撑平台为中心，包含通讯管理模块、组态工具、人机交互界面、参数库管理、运行状态监控、数据存储和报表打印等模块，可完成监控系统的主要监测及管理功能；数据库系统采用SQL2000数据库管理系统，数据库管理程序流程如图2所示。

图2 数据库管理程序流程图

井下监控分站软件包括操作系统及数据库管理系统两部分。操作系统统一采用Windows 10专业版，可完成各数据的收发、串口及USB通信和中断操作等功能，相应主程序及串口通信流程如图3、图4所示。数据库管理软件仍采用SQL2000数据库系统，并采用Century Star组态软件进行设计。

图3 监控分站操作系统主程序流程图

图4 串口通信程序流程图

4 结束语

本文针对传统井下供电监控系统的不足，基于工业以太环网及现场总线通信技术设计了一套监测参数全面、数据交互性强、运行稳定性高的智能井下供电监控系统，可实现井下供电设备及网络运行状态的实时监测与故障精准定位，保证井下供电系统的安全稳定运行。