自动化电力监控系统在煤矿中的应用

毛小学 李晓亮 武伟伟

（1.山西能源产业集团有限责任公司，山西 太原 030032 ；2.山西蓝焰煤层气集团有限公司，山西 晋城 048200；3.河南费曼电力技术有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

长期以来发生的煤矿安全事故，给煤矿带来了严重的安全隐患。如何降低煤炭行业的风险，确保煤矿工人的人身安全一直是社会重点关注的问题，电力监控系统已成为确保煤矿生产安全的重要组成部分，自动化电力监控系统在煤矿中的应用有效地提升了煤矿生产的安全性。尽管煤矿生产过程中逐步实现了机械化、现代化和自动化，现代信息技术作为新时代的发展趋势和必然选择助力于煤矿行业的发展。为了更好地将电力自动化技术应用于煤矿行业中，就需要首先了解电力自动化。

1 电力监控系统的自动化分析

1.1 电力自动化监控系统的特点

1.1.1 高性能价格比，功能全面

系统的最低层采用网络型智能电表，完全满足电力系统管理、保护、监视和电能质量监视的所有要求，集成了国内外最新的电力转换和配电自动化技术，可在供电和配电的整个过程中实现远程信号、远程控制和远程查看功能。

1.1.2 科学管理，降低成本

该系统以少量或无人值守的方式设计，提高管理的连续性和自动化程度，同时最大程度地释放劳动力并改善人们的生活质量，降低了管理成本，为合理分配、节能和环境保护提供了基础数据，并为供电、配电调度和指挥提供了一个新的、联网的、信息化的、低成本的新平台。

1.2 电气自动化监控方法的分析

1.2.1 电气自动化系统的集中监控

电气自动化系统的集中监控具有明显的特点，便于维护和操作，无须提出更高的保护标准，因此系统的实际设计相对简单，而且很容易。然而，由于主机的集中控制，系统的所有功能都在同一处理器上收集和执行，这不可避免地增加了处理器的负担，处理大量工作，并影响实际工作。基于对整个电气设备系统的全面监视和管理对象非常广泛，从而减少了主机冗余。电缆长距离运行所引起的干扰效应，以及电缆总数的增加以及成本和投资比率的增加，进一步对整个系统的安全性和效率产生负面影响。另外，由于引入了基于节点未对准的硬线系统模式，因此发生了设备故障。该类型的布线的重复连接方法增加了操作的难度并且导致布线检查不方便，这就增加了整个系统维护任务的数量，同时复杂的布线导致故障。

1.2.2 现场总线监视方法

将现场总线技术引入电气自动化监视系统可有效减少布线工作量，降低实际运行成本和安装成本，同时减少材料量，系统呈现并提高了灵活性和良好性，达到全面的可靠性和安全性。另外，该监视模式简化了隔离设备，并减少了相关I/O 应用卡，传输设备和终端柜的配置。基于通向监控系统的通信线路，控制电缆的数量大大减少，操作进一步简化。维护运营工作和更多的成本投资，科学地控制了成本投资。此外，系统设备具有独立的能效，仅通过网络即可实现对接，有效提高了系统的安全效率。免费的网络配置使系统中的所有类型的设备成为可能。即使有问题或错误，也将对该源产生负面影响，并防止整个系统瘫痪。

2 煤矿监测技术现状

中国煤炭资源总量位居世界第一，可采储量为2 040 亿吨，位居世界第二。“十一五”期间，全国煤炭产量快速增长，全国原煤产量从2005 年的22.5 亿吨大幅增加到2009 年的29.73 亿吨，年均增加1.92 亿吨。但中国煤炭行业每年因事故死亡人数近万人，直接经济损失超过40 亿元。煤炭资源已成为影响中国经济发展的重要内容，如何提高煤炭生产的效率和安全，是煤炭企业的一项重要任务，煤炭安全问题引起了中国政府和公众的广泛关注。同时，中国是煤炭生产消费大国，煤炭企业构成较为复杂。虽然国有企业和民营企业共同参与，但近年来，煤炭企业的安全事故越来越普遍，煤矿企业特别是小型煤矿企业的核心问题是生产安全缺口较大，阻碍了中国经济的正常发展。其中，造成这一现象的主要问题是生产技术落后，没有采用先进的生产工艺，采用劳动密集型的变速器生产方式，使事故安全的发生不可控。因此，通过网络安全监控系统，可以提高生产技术水平，有效检测生产状态，实时调整生产，确保安全生产。国外煤炭生产监测技术发展较早，应用效果好，极大地改变了煤炭生产方式，使煤炭生产技术发展取得了革命性的进步。中国煤矿监测技术发展相对缓慢，最早是引进国外早期监测系统。同时，在中国经济快速发展的过程中，一些先进的制度也逐渐被引进，在中国煤炭安全生产中，发挥了重要作用[1]。

3 煤矿电力监控系统主要功能介绍

我国的煤矿电力监控系统主要分为井上以及井下监控系统（如图1 所示）。井上部分的监控系统由中央站点以及多个局域网共同组成，主要是由地面监控室进行控制。生产监视和环境监视功能主要在整个系统的调度室执行。井上的工作系统是将从井下监测中获得的数据信息收集到地面监测计算机中，然后由工作人员分析并汇总数据，通过地面上的光终端将其传输到井下的各个监测单元中。井上的集中控制站与井下的电力监控系统连接，以太网是实现连接的工具，可以监视和管理以井下工作条件以及电源监视设备的操作条件。煤矿电力监控的作用主要是收集信息并不断更新系统的数据，包括系统的模拟量、脉冲量和状态量，同时对系统的信号信息进行收集，实现信息交换和传输功能，并通过站点、地面或网络结构将有效的数据信息传输到监视系统中。通过对收集到的信息进行处理和分析，可以确定整个系统的使用情况，分析现有风险和可能发生的安全事故，并预测可能发生的事故，以有效地预防这些事故。除信息收集功能外，电力监控系统还具有信息存储功能。在硬盘上存储大量信息，以支持后续的数据分析和查询。监视系统可以基于记录的信息执行电路分析和仿真，并将分析的数据传输到构建的模型中以获得关键的预警信息。

图1 井上以及井下监控系统4 煤矿自动化监控系统组成及应用范围

4 煤矿自动化监控系统组成及应用范围

4.1 调度监控网络系统功能

调度监控网络系统实际上是一个实时监控网络结构，根据生产监控情况，制定相应的管理内容，并按照生产环节提供相应的信息，进行数据采集、传输、处理、显示、记录以及印刷风机、排水系统、地下变电站、生产传输系统等设备的远程集中监控。系统功能包括数据采集和过程控制、顺序控制、报警事件处理和操作记录，实时显示过程数据、图形或数据，显示过程变量趋势、生成过程模型图和更新动态数据，对数据库进行管理。在采用调度监控网络后，可根据实际生产情况进行终端配送，使整个生产过程通过系统远程监控，采用自动化执行系统实现自动化监控。1）实时运行参数进行检测。每个监控系统都可以实时采集生产工况参数，并以图形和报表的形式显示系统的实时工况。2）实时过程控制。每个系统通过分析采集到的参数，自动完成过程控制或由调度员操作和控制。3）历史数据查询。上述生产实时检测数据可存储在生产实时数据和历史数据库中，可实现历史回波、历史趋势分析和直方图、饼图等综合分析。5）生产故障和模拟量超标报警。当设备出现故障或模拟量超限时，生产检测管理网络可同时显示故障设备名称，并实现语音报警、错误实时打印功能。服务器将错误信息存储在错误信息数据库中，以供后续统计分析。5）生产实时屏幕检查。工业电视信号可接入人体监控终端，当出现异常（故障、违规、巡检）时，可将视频截取、转换为数字形式、存储，通过网络上传至公司领导。6）优化生产计划。通过建立历史数据库，可以将各种数据存储在系统中，可以在系统中反映整体生产情况，可以直观地查看和分析趋势图，确保生产进度顺利进行[2]。

4.2 调度监控系统网络结构

煤矿调度监控系统主要应用现代网络理论，目前应用最多的是美国Gockwe11 控制产品，可以提供稳定的控制产品，保证监控系统的稳定运行。

4.3 矿山综合自动化控制系统的适用范围

根据整个生产过程，控制网络可以全面覆盖所有环节。这些环节与生产息息相关，包括带式输送系统中央监控、油井变电站遥控、矿井排水系统遥控、矿井加压供水系统遥控、遥控用于地下变电站、远程矿井通风机、带监测和沿槽监测。

4.4 矿山综合自控系统功能

整个系统必须进行全面管理。换句话说，在用户界面中集成不同的技术，实现在同一平台上的操作，应该降低界面成本，减少系统中备件的数量和类型。同时，技术人员可以对平台进行监控和管理，保证系统的高效运行和系统运行时间的合理化。采用配置平台可以有效简化培训项目，降低成本。

5 完善煤矿电力监控系统的措施

5.1 加强传感器控制器的改进与发展

在运行电源监控系统功能的过程中，传感器控制器起重要作用。因此，传感器控制器的可靠性和稳定性特别重要。目前，我国常用的传感器基本可以满足生产需求。例如风速、电流和电压的模拟量。但是，仍然存在一些不可忽视的问题。在产品寿命、可靠性和稳定性方面，与国外产品相比仍然存在不足，还不能满足整体生产安全的要求。因此，加大对中国传感器的研究和升级非常重要。

5.2 引入监测煤矿的先进新技术

我国当前的电力监控系统符合基本运行要求。但是，就安全系数而言，产品性能仍然存在主要缺陷，并且某些产品具有诸如跳闸、定位速度慢以及无法集成信息之类的缺陷。考虑到上述问题，我国应进行目标技术的研究与开发。在过去的几年中，该技术取得了明显的进步，改进了SCADA 系统计划，可以由员工提供及时准确的提示，以快速找到有缺陷的零件。另外，使用断流方法来减少或防止由大的电压波动引起的停电问题。XRA-600 高压选择性漏电保护系统不受间接电弧电源和电弧的影响，对过渡电阻的抵抗力很强，灵敏度也很高。这些技术的应用提高了工作安全系数，同时减少了工人数量，提高了事故处理和信息收集能力，以及信息的及时放置和传输。

5.3 变电站自动化监控软件INT-SCADA 的总体设计

过载保护主要是针对地下中央变电站的电源系统。35kV变电站控制室配有过载保护保护屏。接地2 的馈线保护和中央变电站2 的接收线和1 个总线耦合器一起构成了瞬变保护。中央变电站中所有馈线保护的监视电流值达到故障固定值电流的80%时，将立即向该部分的输入线路保护AH1 或AH17 发送信号，并处理2 个输入线路保护。将对它们进行单独分析，并阻止每个插座跳闸以防止间隙内的故障。当馈线故障电流继续上升到馈线保护插座的设定值时，输入线路切断信号立即打开；如果馈线中没有保护插座，则进线保护将失败。信号输入线路保护可加速跳闸出口。软件系统的稳定可靠运行是监视系统所有功能的先决条件。由于电力系统的运行与矿山的正常生产以及员工的生命和安全有关，因此矿山电力系统的监控软件始终侧重于稳定性和可靠性。但是，尽管已经强调了监视软件SCADA 的稳定性，但是该软件并不总是朝着更稳定的方向发展。首先，提高代码本身的稳定性是提高系统稳定性的前提。监控软件需要长时间工作，因此需要避免内存泄漏并最大程度地减少内存碎片的产生。其次，由于SCADA 系统是分布式软件系统，因此某些功能的实现被分配给不同的软件模块，从而简化了每个模块的编码，降低了不同功能码的组合程度，提高了系统的稳定性。同时，即使出现问题，问题也仅限于其他模块，并且整个系统不会崩溃。最后，为确保系统的可靠性，采用通信设备的操作模式和服务器始终待机模式，并选择具有定时器功能的工业计算机以确保软件模块本身的可靠性，添加硬件配置重置功能，如果系统出现故障，则可以通过SMS 通知相关人员[3]。

5.4 对电力监控系统的监控主站进行升级

在矿山调度室的电力监控中心，需要安装6 台工业级监控服务器和4 台高级工业电力监控计算机，以防止可能的计算机病毒入侵并确保将来使用的安全性。为确保监视系统软件系统的可靠性，需要使用Linux 中文版操作系统升级和安装6 台千兆网络交换服务器、6 台光纤网络交换服务器、1台独立的不间断电源系统和1 台综合信息发布系统。

5.5 对监控变电站电力监控系统进行优化

在地下和地面上各个变电站的电力监视系统变电站中，每个变电站数据传输变电站单元都新配备了防爆千兆光纤交换服务器。对于新建的变电站，需要直接连接保护装置。通信光纤交换机可以将原监控系统的100M 通信传输升级为千兆传输，以防止源头的传输阻塞、信号包丢失、数据延迟等，并实现变电站之间的环形网络。KDW0.3/660A 型双回路不间断电源用于监视变电站的电源，以确保监视系统在极端条件下（例如整个矿井的断电）正常运行。

5.6 自动控制系统内部功能的设计

在设计电源监控系统时，应注意系统功能模块的设计，以便可以实现其功能。首先，该系统应具有地下电力系统的4 个远程功能，并且应能够快速找到故障节点、故障类型、故障信息记录等。其次，系统应能实现各种保护装置和设备的联网操作，同时结合不同设备的特性进行参数保护和控制，实现各设备的自动控制，并具有电力设备的在线监控功能。再次，系统应该能够实时监视每个设备的运行状态，并且应该能够发布各种数据信息的历史曲线和图表数据，以使该部分的内容更加直观。在设置该数据信息的权限时，应根据用户类型进行分层的用户共享。最后，该系统还应该能够使用红外光全面调整每个保护器的参数。同时，电源还必须实现不间断运行，以更好地适应恶劣的地下环境，确保各个设备的正常运行。

5.7 远程控制、遥测和视频连接应用

新添加的智能终端可以在本地收集电气数据，同时将每个开关和断路器的控制回路连接到每个智能终端，从而使操作员可以远程控制每个变电站中断路器的断开和闭合。同时，在调度室中，自动跟踪球型摄像机安装在每个变电站中，没有死角。在远程操作过程中，摄像机与开关对准，以便在远程操作过程中观察开关的位移和操作。可以在现场操作期间监视和远程监视员工的状况。

5.8 矿山综合自动化控制系统的运用

在集成技术环境中，可以通过一个用户界面下的全局数据库将各种技术连接到整个平台（如图2 所示），这大大降低了系统间接口的成本，并大大减少了备件的种类和数量。同时，技术人员可以在一个平台上配置编程和监视所有应用程序。还可以显著提高监控水平并减少计划外的设备维修时间。这也是由于出色的平台组的应用，并且大大降低了成本。将及时和可靠的通信系统作为桥梁，包括用于连续开采的全机械化和运输系统。矿山的集成自动化系统涵盖了生产的所有环节。皮带运输和保护系统、矿山电力的3 个远程系统、风机和风机的3 个远程系统、地下排水的3 个远程系统都集成到自动控制系统、锁定和连续控制、调度室的集中控制，集成自动化系统采用先进的技术和设备，确保整个系统安全可靠，正常运行，提高了运营管理和维护水平，降低了运营管理成本，减轻了员工的劳动强度，传递并分析了各种信息能力。

图2 矿山自动化监系统

6 结语

煤矿电力自动化监控系统的升级改造，实现了地下变电站的无人值守运行，减少了人员数量，提高了效率，大大提高了矿井供电网络的自动化水平，为煤矿供电系统提供平台支持。煤矿自动监控系统近年来发展迅速，网络化、集成化成为主要发展方向。煤矿自动监控系统作为一种集成技术，集成了网络技术、控制技术、多媒体技术、数据库技术、通信技术、计算机技术、总线技术等多种技术。因此，借助煤矿自动化监控系统，可以为生产提供良好的安全保障，促使煤炭企业保持稳定。电气自动化监控系统技术的开发与测控，可以确保电气自动化控制的快速发展，提高我国煤矿生产的自动化水平，为我国的煤矿生产提供安全保障，推动我国经济快速健康发展。