崔 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)太原公司，山西 太原 030016）

引言

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭企業(yè)也在進(jìn)行自身的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升煤炭資源的開采效率。其中礦井通風(fēng)機(jī)隨著開采設(shè)備的升級(jí)與新技術(shù)的應(yīng)用，通風(fēng)效率得到不斷提升，使通風(fēng)量能夠根據(jù)礦井內(nèi)易燃易爆氣體濃度的變化而改變。通風(fēng)機(jī)得益于供電系統(tǒng)的配電，能夠保持正常的工作狀態(tài)，為井下作業(yè)人員輸送新鮮的空氣[1]。但是目前通風(fēng)機(jī)供電線路比較長(zhǎng)，大多數(shù)煤礦設(shè)置的變配電所至通風(fēng)機(jī)的距離至少在10 km以上，而能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離輸送電路中產(chǎn)生的故障是保障通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。尤其電網(wǎng)系統(tǒng)在礦井惡劣的作業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間受到工作設(shè)備負(fù)荷波動(dòng)的影響，極其容易出現(xiàn)各類故障，造成安全隱患[2-3]。

應(yīng)用通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障類型及位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)保護(hù)功能。

1 通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的安全因素

礦井通風(fēng)機(jī)所搭載的高壓電網(wǎng)主線的傳輸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般可以達(dá)到10 km，采用兩條進(jìn)電線路。通過變壓器將高壓降至6 kV左右，為主通風(fēng)機(jī)提供主電源和備用電源，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。礦井常用的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]。

1.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的安全問題

圖1 礦井常見供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著自動(dòng)化及智能化電氣設(shè)備的普及應(yīng)用，礦井通風(fēng)機(jī)的各類電器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)負(fù)載波動(dòng)變化。雖然監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行有幫助，但會(huì)對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成不利的影響，無(wú)功補(bǔ)償?shù)木_度就會(huì)受到影響。無(wú)功補(bǔ)償在通風(fēng)機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題主要包括無(wú)功補(bǔ)償裝置的問題和無(wú)功補(bǔ)償量的問題[5]。無(wú)功補(bǔ)償裝置的問題主要包括開關(guān)設(shè)計(jì)不合理、補(bǔ)償速度很慢、采樣方法不實(shí)用、電容器諧波、投切振蕩；無(wú)功補(bǔ)償量的問題主要分為兩類，即對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率的變化不能及時(shí)響應(yīng)，及無(wú)功補(bǔ)償時(shí)機(jī)策略不恰當(dāng)。

1.3 繼電保護(hù)故障

通風(fēng)機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)繼電保護(hù)故障，主要是異步電機(jī)的繼電保護(hù)出現(xiàn)故障的頻率較高。在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)特別側(cè)重異步電機(jī)的故障數(shù)據(jù)變化。

在通風(fēng)及電壓數(shù)據(jù)較小的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)重復(fù)啟動(dòng)，造成局部的電流過大，產(chǎn)生大量熱量。此外，通風(fēng)機(jī)在礦井惡劣環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，可能使電網(wǎng)產(chǎn)生短路。同時(shí)，電網(wǎng)電壓有波動(dòng)時(shí)，可能使電機(jī)的三相電壓出現(xiàn)斷相運(yùn)行故障。

2 供電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

為了及時(shí)掌握通風(fēng)機(jī)的故障信息，提出通風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)保護(hù)策略，將通風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置為三個(gè)功能單元，分別為風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)、通訊和后臺(tái)控制。上述三個(gè)功能單元分別可對(duì)應(yīng)其功能模塊，以PLC為中央核心處理器，采用以太網(wǎng)作為通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)故障監(jiān)測(cè)模塊都連接報(bào)警電路，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的報(bào)警信號(hào)傳輸，設(shè)計(jì)整體監(jiān)控方案如圖2所示。

圖2 供電監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

以PLC控制核心部件的供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以分為信號(hào)和動(dòng)作兩個(gè)部分，總體采用的串口通信協(xié)議模式為RS485，能夠?qū)崿F(xiàn)交換機(jī)與上位機(jī)的連接，通過開關(guān)指示燈等，對(duì)故障信號(hào)的顯示進(jìn)行預(yù)警。同時(shí)操作人員也可以在控制系統(tǒng)的自動(dòng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)手動(dòng)操作，PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

采用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)，將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)通過ODBC協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)Matlab數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫(kù)讀取的聯(lián)合應(yīng)用。此外采用OPC協(xié)議與組態(tài)軟件進(jìn)行通訊，使上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警信息顯示的功能，通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)如圖4所示。

軟件部分最主要實(shí)現(xiàn)的功能是可視化界面監(jiān)控既要在符合實(shí)際工況條件的基礎(chǔ)上可視化觀察主通風(fēng)機(jī)的參數(shù)模型，又要能夠在監(jiān)控系統(tǒng)界面對(duì)電流、電壓、無(wú)功功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。當(dāng)上述數(shù)據(jù)超過安全限值的時(shí)候?qū)⒊霈F(xiàn)聲光報(bào)警，告知監(jiān)控系統(tǒng)觀察專業(yè)技術(shù)人員。主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)界面如圖5所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)示意圖

圖5 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)界面示意圖

通過與硬件的結(jié)合，軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查看及相應(yīng)報(bào)表的輸出，可在煤礦企業(yè)市場(chǎng)管理中起到重要的作用。該軟件系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使通風(fēng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或者停止，當(dāng)通風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可將故障進(jìn)行有效隔離，避免故障擴(kuò)大。同時(shí)也對(duì)管理人員及操作人員的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，避免多頭管理和重復(fù)操作等冗余動(dòng)作的發(fā)生。

3 應(yīng)用測(cè)試分析

實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線是以檢測(cè)信號(hào)的類別與信號(hào)間的關(guān)系進(jìn)行分類并分組顯示。采集的參數(shù)有電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率。

通過OPC連接組態(tài)王和Matlab，將電流數(shù)據(jù)組導(dǎo)入Matlab中，以達(dá)到不同順序的擬合預(yù)測(cè)效果，然后將下一秒的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給組態(tài)王以完成預(yù)測(cè)。Matlab的快速運(yùn)算和OPC的同步傳輸，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)正確性。通過對(duì)歷史運(yùn)行電流、實(shí)時(shí)運(yùn)行電流的擬合，預(yù)測(cè)、判別運(yùn)行狀態(tài)。

把通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行電流值與歷史運(yùn)行電流值的預(yù)測(cè)結(jié)果傳入組態(tài)王，通過Matlab進(jìn)行預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)故障判別后，返回組態(tài)王“風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)”的離散值。運(yùn)行狀態(tài)不同，輸出的離散值也不同，即1、2、3、4分別表示優(yōu)、良、中、差，分別對(duì)應(yīng)不同的指示燈閃爍。當(dāng)輸出狀態(tài)為中、差時(shí)，發(fā)出警報(bào)。同時(shí)也為監(jiān)控系統(tǒng)添加了報(bào)表部分和報(bào)警部分，完善了監(jiān)控系統(tǒng)。這些對(duì)于監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是確保礦井內(nèi)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。通過設(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)故障運(yùn)行狀態(tài)分析并自動(dòng)劃分等級(jí)，并將其應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)管理技術(shù)人員進(jìn)行管理輔助，提升礦井通風(fēng)機(jī)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化、智能化發(fā)展。