煤矿井下生产设备主要为电气设备，对供电网络依赖性严重，井下作业空间狭小复杂、照度低、环境湿度大，作业过程设备移动频繁。随着开采面的延伸，电网电阻变大，波动也逐渐增加，维修也比较困难，电气设备及线路的绝缘强度和安全性也受到井下各种事故影响而减弱，诸多因素制约了为井下提供安全、可靠的电力供应。人为操作造成的单相接地、短路、断相等故障比较常见。电力供应故障不仅造成生产中断，影响进度，产生的电火花也会造成瓦斯、煤尘的爆炸事故，煤矿的安全高效生产受到了供电质量的制约[1]。尽管这些问题已经受到了煤矿井下作业单位的重视，煤矿企业不断完善监控技术手段，但是人为误操作、信息传输滞后和报警延误仍影响了煤炭开采质量和作业人员安全，因此研究新的在线监控系统，对保证井下供电安全具有重要意义。
1井下供电监控系统的现状和存在问题
目前大部分煤矿供电监控系统，地面部分监控采用成熟的微机实现保护，但是井下设备供电监控不成熟，防爆电气虽然设置了短路保护、欠压保护、缺相保护多种保护措施，但井下设备与监控主站、设备间存在信息交互不畅问题。井下供电系统设置综合型独立保护器，各区变电站设置本安型开关和综合保护装置。尽管监控装置可以进行故障保护，但监控数据不能和监控主机进行远程实时传输，造成地面监控主机不能及时获得井下设备的运行状态，甚至会造成大面积停电问题[2]。现有监控系统不足归纳为，数据采集只能通过综合保护器RS485接口进行采集，网络通讯协议通用性较差，PLC控制器的监控单元通信容易受到限制。此外，也有部分煤矿安装了井下供电监控系统，初步实现了远程监控，可以进行供电参数采集、继电保护装置状态实时显示，但煤矿井下供电监控系统需要实时高精度自动化运行，因此，对井下供电监控系统结构改进、完善，并兼容现有信息通信非常必要的。目前常见煤矿井下供电监控系统结构如图1所示，监控系统需要进行如下几方面改进[3-4]：井下监控单元在数据采集点配置通信接口和采集电路，实现实时数据采集;改造井下监控网络，实现多种通讯协议，提高监控单元通用性和可扩展性;采用新的井下监控单元控制器，提升数据采集、通信的能力，减少控制单元体积，降低设备采购成本;增加开发计算机与井下监控单元的通信协议。
2井下供电在线监控系统方案的制定
井下供电在线监控系统设计原则为：保证煤矿电网监控实现自动化要求;硬件和软件具有开放性，设备接口采用通用标准，并与多种自动化控制系统兼容，实现各级系统的信息共享;采用技术成熟的硬件和软件产品，提高系统的可靠性、安全性能;可根据功能需要进行功能拓展;零部件均选用可靠性高的产品，关键部位采用冗余设计，采用双机热备方式提高结构冗余，保证监控系统安全运行;选型产品具有很好的经济性，可降低监控网络系统的建设成本。井下供电在线监控系统分为设备管理层、变电层、通讯平台和地面监控层四层。设备层通过RS485总线接入变电所的测控分站，设备层进行采集和计算数据、设备保护和运行过程控制。测控分站对数据进行转发，并通过网络对供电系统进行监测、统计、控制和分析，对变电所综合选漏、录播存储和当地监控。井下供电在线监控系统主要对配电装置、移动变电站和防爆开关等供电装置进行远程监控，并对线路运行状态进行远程实时监测，可远程整定保护装置的动作参数，并可对开关设备远程投切。工作人员对供电设备保护装置的整定操作可在地面集控中心和井下监控单元进行。井下测监控系统构成如图2所示。
3井下供电在线监控系统结构的设计
井下供电在线监控系统是基于数据库管理基础进行开发，具有自动监控和通信管理功能的软件，可实现井下电气设备的实时监控、传输处理数据和报表设计等功能，软件模块结构如图3所示。对下通信模块作用为数据库入库，报表模块作为为参数监控、故障查询，人机界面用于曲线和界面绘制;对上通信模块和矿局域网完成与监控中心信息转接。煤矿井下供电在线监控系统完成井下监控设备信息采集后的数据分析，并将地面集控中心指令发送到井下监控执行单元。监控系统必须采用传输速率高、总线数据稳定的通信网络，网络通路载体为工业以太网和现场总线，互访网络构成为RS485、以太网和CAN网络，监控单元与井下供电设备通过RS485接口对供电参数、保护装置状态、保护限值等信息，并可完成整定命令发出;井下监控单元数据共享通过以太网完成;CAN接口为组网和数据采集接口，具有很好的拓展性、兼容性，可增加系统的灵活性。井下供电监控系统通过井下监控单元、地面集控中心、网络系统实现系统在线监控功能。信息采集电路、显示界面、通信接口、报警电路等组成井下监控单元，具有抗干扰、带隔离功能的RS485、CAN通信接口作为信息输出接口，采集供电装备的电压、电流、实时功率、设备状态、运行参数等信息;信号采集电路通过电压、电流对供电参数进行监测，井下供电监控系统结构如图4所示。采集信息通过显示界面提供给工作人员，用于完成对电气设备的巡检与操作，信息传导以太网和CAN接口进行传输，报警信息同步提示在报警设备和显示界面，直接通知设备处于保护状态。地面设置的集控中心、上位机和井下网络进行连接，实时监控电气设备运行数据，并存放到数据库，集控中心可对保护装置远程整定和投切。监测保护装置进入保护状态时，可以直观查询故障位置和故障类型，减少排除故障耗费时间。
4应用效果
改进后的煤矿井下电气监控系统在煤峪口矿应用后，不仅可以直观在线监控井下电气设备的运行状态，还可以进行电气设备数据进行采集、记录、查询和分析，保护装置远程整定和投切，及时发现故障位置和故障类型，提升设备的稳定性，保证了煤峪口矿井下供电系统的安全。
参考文献
[1]刘沛.照金煤矿电力监控系统的设计与应用[D].西安：西安科技大学，2015.
[2]肖盛聪，耿化民，陈莹.RS485在井下供电监控系统中的应用[J].机械设计与制造，2016(9)：54-55.
[3]杨洋.基于工业以太网与现场总线的煤矿井下供电监控系统设计[D].太原：太原理工大学，2015.
[4]刘海波，董玉杰，王玉梅.基于PROFINET的井下保护与监控一体化系统设计[J].煤炭工程，2015，47(5)：18-20.
《煤矿井下供电设备在线监控系统的研究》来源：《机械管理开发》，作者：赵聪敏