智能化控制装置在矿井电气工程中的应用研究

孙玉民

（中天合创能源有限责任公司物资供应中心， 内蒙古 鄂尔多斯 017000）

引言

随着煤矿井下各类供电设备的不断增多，对供电电流的稳定性和可靠性的要求越来越高，因此煤矿井下供电装置的运行安全性越来越成为人们关注的核心。为了满足井下智能化供电的需求，各类供电装置需要满足供电精确性、故障识别快速性、故障定位准确性和供电监测自动性的需求。而目前多数矿井的供电装置智能化控制和故障监测系统落后，只能对比较简单的故障进行判断和处理，反应速度慢、智能化程度低，无法对异常点和异常原因进行精确定位，一旦发生故障只能由工作人员逐级进行排查，效率低、准确性差，已经无法满足越来越庞大和精细的矿井供电运行安全需求。

1 智能控制装置整体结构

为了满足井下供电装置智能化控制的需求，提出了一种新的智能控制装置，采用“两层一网”的结构形式，将过程层设备、互感器、保护测控装置等融合到间隔层设备单元内，其整体构架如图1 所示[1]。

由图1 可知，该智能供电装置内，集控中心（智能控制装置）是整个智能供电装置的核心，用于控制整个系统的平稳运行，保护测控装置主要用于根据控制系统的指令来对相关开关设备进行控制操作，同时将各控制装置的处理结论和数据汇总到集控中心，实现智能供电装置的联合控制，为了满足在井下恶劣环境中控制稳定性的需求，数据交换机采用了光纤交换机，各设备均满足防爆安全等级，确保整个智能控制装置的使用安全性。

2 集控中心硬件架构

基于该智能控制装置的控制需求，集控中心的整体架构如图2 所示[2]。

由图2 可知，该控制装置能够通过测试传感器获取到系统运行数据信息并传递到控制中心，整个过程完全通过系统自动控制，对于出现的故障系统能匹配到自动处理方案，会自动发出调节指令信号给相关设备，实现自我修复。对于无法匹配到故障处理方案，则发出报警信息并标定故障类型、故障位置等，为操作人员提供信息，便于故障的快速识别和处理。

由于控制系统的数据信息量大、类别多，传统的神经网络控制模式无法满足瞬时海量的数据处理需求。通过大量的数据分析，决定采用模糊控制逻辑，该控制系统主要包括输入数据模糊化处理、数据信息的模糊化推理及数据的精细化输出，模糊控制系统的核心为模糊控制器，能实现对系统运行过程中的全流程控制，结构简单、精确度高。

3 保护测控装置硬件结构

保护测控装置是智能供电网络的核心，直接关系到系统的运行稳定性和安全性，结合供电保护安全需求，所提出的保护测控装置硬件结构如下页图3 所示，图中ADC 为模数转换电路、GPIO 为通用输入、输出接口，FSMC 为灵活静态存储控制器，SDIO 为安全数字输入输出卡，USART 为通用同步/异步串行接收/发送器[3]。

由图3 可知，该保护测控装置中主要包括液晶显示屏、电源模块、串口通信模块和继电器驱动电路等，能够实现对供电网络供电安全性的有效防护，避免井下供电故障影响系统整体的运行稳定性。

在该系统中还设置有隔爆开关综合保护装置，用于对系统进行短路保护、接地保护及过压保护等，同时系统还具有故障数据处理功能，能够对故障数据进行记录，便于后续进行快速故障定位和供电网络运行稳定性的判断，根据实际应用表明，该隔爆开关综合保护装置，能够将网络运行故障率降低80%以上，对确保供电系统运行稳定性具有十分重要的意义。综合保护装置结构如图4 所示[4]。

4 防越级跳闸智能控制

由于煤矿井下供电路线的距离较短，因此当出现故障后无法快速对短路故障进行切断，进而导致大范围的越级跳闸事故，给井下用电设备的供电安全造成了极大的影响。当出现大范围越级跳闸事故后，需要耗费大量的人力、物力进行故障排除，无法满足井下智能化综采的控制需求。因此在智能控制系统中增加了防越级跳闸控制模块。

该模块采用了电流纵联差动保护方案，主要是利用光纤网络把供电线路上方和下方的综合保护装置进行连接，然后对电网供电过程中上游和下游保护装置处的电流值和电流相位进行实时监测，对供电线路的运行稳定性进行判断。该电流纵联差动保护方案，能够在极短的时间内对电网的故障位置和故障范围进行判断，然后对保护装置进行快速保护，避免故障范围进一步扩大。该电流纵联差保护原理如图5 所示[5]。

以图5 为例，当短路故障发生在K 位置时，则线路后端的保护装置QF1 和QF2 处的电流均为0 A，位移K 点上游的保护装置QF3 内的电流此时为异常电流，系统自动对QF2、QF3 内的电流进行监测然后获取其电流差。由于此时QF2 处的电流为零，此时的电流差和QF3 处的电流值基本是一致的，因此系统自动判断该区域内出现了供电异常事故，自动控制保护装置3 跳闸，避免故障向电路的上方扩大。

系统同时对其他保护装置之间的电流进行监测，以保护装置QF4、QF5 之间的电路为例，当正常情况下，两者之间的电流一致，因此电流差基本为0，系统自动判断两者之间的线路无异常，防止了保护装置QF4 和保护装置QF5 处的越级跳闸保护。

5 智能控制装置软件架构

供电智能控制装置应该满足对系统运行状态的实时监测、对运行故障的及时识别和报警、对故障位置的准确定位和调整功能，因此该智能控制系统主要包括了智能监测模块、故障快速识别及定位模块、运行控制和自动调整模块三个部分。

5.1 智能监测模块

智能监测模块是将监测和智能控制技术相结合的产物，主要用于对供电装置中发电机组、变压器机组、直流电控制系统、高压用电系统、低压用电系统和发电保护系统等的运行状态进行实时监控，将监控数据通过CAN 总线传递到系统控制主机内，通过与正常运行信号进行对比，实现对系统运行状态的准确判断[6]。该智能监测模块能够对系统运行中的各类数据进行监测和传递，保证将系统的运行状态信息完整、直观地显示到监控中心，便于操作人员及时掌握供电装置的运行情况，该智能监测系统逻辑控制结构如图6 所示[7]。

5.2 故障快速识别及定位模块

故障快速识别及定位模块能够快速对系统的运行状态进行判断和定位，给出系统故障原因和参考性的处理方案，并将相关信息反馈到监控终端上，便于维修人员及时进行处理，有效缩短了故障定位和排查的时间，降低对供电安全性的影响。该故障快速识别及定位模块逻辑控制结构如图7 所示[8]。

该控制系统在工作时，主要依靠智能识别判断的理论，在进行判别逻辑构建时，就把各监测参数的正常运行范围输入到判别逻辑库内。在运行过程中，智能控制系统在获取到数据信息后就和逻辑库内的数据信息进行比较。若在正常的范围内，则系统判定正常。若超出故障范围并持续超过一定时间，则系统就判定发生了故障，并及时进行定位和报警。

5.3 运行控制及自动调整模块

运行控制及自动调整模块主要是对系统发现的异常进行分级判定，自动匹配处理方案后自动对设备的运行状态进行调整，实现对故障的自动修复，同时形成修复日志，便于维护人员根据修复日志指定设备维护管理计划，提高设备运行安全性。同时为了满足该自动控制装置的智能化控制需求，在系统内还设置有自主学习和控制逻辑，能够自主学习新出现的故障类型并记录处理方法，不断完善数据库，提升自主调节系统异常的能力，满足无人化的智能控制需求。

该装置自应用以来，统计6 个月内的运行情况，共出现预警故障1 次，平均排除时间为5 min，排查优化前6 个月内的运行情况，出现预警故障10 次，平均下降了90%，排除故障的平均时间约为37.4 min。

6 结论

为了解决目前煤矿井下供电装置自动化控制程度低下、安全性差的故障，提出了一种新的智能控制装置，能够通过人工智能算法实时获取各井下供电设备的工作状态信息，将其与系统中的标准数值进行对比，快速识别出异常参数并报警。实际应用表明：

1）智能控制装置主要包括了智能监测模块、故障快速识别及定位模块和运行控制和自动调整模块三个部分。

2）控制系统采用采用模糊控制逻辑，能够满足瞬时海量的数据处理需求，同时具有自主学习功能，可以不断完善数据库，提升自主调节系统异常的能力，满足无人化的智能控制需求。

3）电流纵联差动保护方案，能够实现对电网故障的快速定位和分析，确保防越级跳闸的可靠性和稳定性。

4）采用该系统后能够将故障率降低了90%以上，将故障处理时间降低88.3%以上，显著提升供电安全性。