案例汇编 | 山能杨家村煤矿井下零散排水点智能控制系统
由于煤矿井下分散排水地点分散、距离远、设备移动频繁，采用现有的光纤 网络和现场总线通讯需要铺设大量的通讯线路，不仅通讯线路和设备投资大，而 且结构复杂、维护工作量巨大。针对目前分散排水系统中存在的问题，采用当前 先进的通讯技术及设备智能监控技术，建立电力线通讯分散排水集控系统。
（一）系统建设技术方案
本集控系统由现场集控设备、现场电力线通讯网、矿井主干通讯网络、地面 远程监中心构成，系统结构图 1 所示。
图 1 电力线通讯系统结构图
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现场集控设备：主要由水泵起动器、智能保护器、传感器组成，实现对水泵 的电气运行数据监测、水仓水位的监测、水泵排水的智能起停控制。
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现场电力线通讯网：由安装在每台变压器供电端的矿用隔爆兼本安型电力线 通讯监控分站和同一变压器供电网络中的智能监控保护器构成，直接通过为水泵 供电的电力电缆传送监控信号。
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矿井主干通讯网络：由电力线通讯监控分站通过通讯光缆接入矿井网络的交 换机组成，实现与矿井主干网络的连接和数据共享。
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地面远程监控中心：由监控主机、报警音箱和煤矿电力线通讯分散排水集控 系统软件组成，实现监控数据的采集存储与分析、设备故障的预警和保护、网络 通讯与数据发布等功能。
（二）分散排水设备改造
1.起动器改造 将磁力起动器内部保护器更换为 QZB-30II 电力线通讯智能监控保护器，不 需改变其他电路和器件，使其具备水泵及起动器运行状态和运行数据的监测、与 集控中心双向通讯、设备全面保护等功能。
2.水位监测方案 采用电极式或超声波高低水位传感器，实现高低限水位的监测及根据水位高 低自动开停泵控制。
3.可扩展接入其他传感器 可接入水泵泵体温度、排水压力等传感器，做到设备参数全面监测。
（三）供电设备远程监控改造
为实现分散排水供电设备断电后的快速判断故障原因、恢复送电，避免因恢 复送电时间过长影响排水，需对分散排水的供电设备进行远程监控改造。
1.低压馈电开关改造
将低压馈电开关内部保护器其更换为具备电力线通讯功能的 DZB14-K 型矿 用低压智能计量监控保护器。更换后的保护器除具备基本的监测监控功能、常规 保护功能外，还具有后备电源、电子挂牌、安全操作闭锁、远程漏电试验等功能， 如图 2 所示。
图 2 低压馈电开关远控界面
2.移动变电站改造
将移动变电站内部保护器更换为 GZB14-KY 矿用移动变电站高压智能计量 监控保护器和 DZB14-KY 矿用移动变电站低压智能计量监控保护器。更换后的 保护器除具备基本的监测监控功能、常规保护功能外，还具有后备电源、电子挂 牌、安全操作闭锁、远程漏电试验等功能，如图 3 所示。
图 3 智能保护器参数设置界面
（四）网络通讯
1.现场电力线通讯网
采用矿用低压电力线通讯技术构建集控系统的现场通讯网络，实现排水设备 的通讯组网。在变压器低压侧安装一台矿用隔爆兼本安型电力线通讯监控分站， 通过供电线路与具有电力线通讯功能的起动器保护器或水泵智能控制器进行通 讯，构成现场电力线通讯网。
2.矿井主干通讯网络
主干通讯网络为矿井工业以太网，由电力线通讯监控分站将电力线通讯信号 转换为网络信号，通过以太网光口接入就近的矿井工业以太网交换机，实现与地 面监控主机的通讯，实现对现场设备的数据采集和集中控制。
（五）地面远程监控中心
在地面远程监控中心配置 1 台监控主机、1 台液晶显示器、1 台报警音箱及 1 套煤矿分散排水设备集控系统软件。监控主机连接矿井工业以太网，实现集控 系统的数据采集分析、运行状态监视、远程集中控制，如图 4~图 6 所示。
图 4 数据采集分析
图 5 运行状态监视
图 6 设备远程集中控制
（六）系统应用效果
1.对井下分散布置的水泵实现地面远程集中监测、控制和管理。
2.实现分散水泵的运行工况参数（水位）和电力运行数据的监测记录、统计 分析为设备维护、检修提供数据支持。
3.实现分散排水设备的接入自动识别，即接即控，简化了排水系统的调整优 化流程。
4.系统具有开放性，可接入矿井自动化平台，也可接入矿井主排水系统，实 现全矿井排水供水系统的集控管理。
5.结构简单、维护方便、投资节省。
（一）技术特点
1.无需通讯电缆和通讯设备，无需构建通讯网络和专业维护管理，网络设施 和结构简单，实施方便容易。
2.无需繁复的通讯设置，即插即用，通讯网络构建与供电线路同步。
3.随时增减和扩展通讯节点，适应工业现场生产情况随时的变化。
4.直接通讯距离达 3000 米，支线结构和数量不受限制。
5.通讯速率高，数据传输量大，适用于多种工业应用场景。
6.信号采用适合于煤矿低压电网的扩频-跳频算法，通讯抗干扰能力强。
（二）先进性
1.建立井下分散排水设备的网络拓扑和运行模型，采用电力线通讯技术构建 设备智能运行监控系统，实现分散排水设备的集中管理。
2.应用基于正交频分调制技术，突破目前通信信道的传输瓶颈，不需要敷设 通讯电缆和设置通讯装置。
3.电力线通讯设备即接即用技术，无需繁复的通讯设置，接入供电线路即可 通讯，供电线路与通讯网络构建同步。
4.建设井下电力物联网，研究电力线通讯系统融合传感、计量、大数据分析、 数据运营等技术，满足物联网在能源领域的发展方向。
5.井下低压电网智能保护+电力载波一体化设计，实现设备远程监测监控。
6.基于经验模态分解算法的井下低压设备载波通信可靠性研究，能够很好地抑制井下低压设备的白噪声及谐波的干扰。
7.基于井下低压设备载波通信自动组网算法，保持该网络通信的可靠性和健 壮性。
8.通过对用电设备的各项电参数及外部非电量参数的智能监测，实现用电设 备的智能操控、自动运行，达到设备无人值守、安全运行。
1.节能降耗方面。根据各分散排水点的工况数据，结合峰谷时段，合理调配 开停水泵，达到最优的运行效率，降低排水电耗，以井下每天正常运行 75 台分 散排水泵，每台水泵每天节电 16.8 度，按每度电费均价 1.8 元进行计算，节能降 耗 82.782 万元。
2.节支增效方面。通过对分散排水设备的智能化改造，提升了设备的电气保 护性能，减少了磁力起动器及水泵的损坏率，节省设备维修费用及配件费用 75 万/年。
3.减人提效方面。系统建设完成后，节省分散排水值班及巡护人员 6 人，以 2021 年全矿劳务工年均工资 12.8 万元计，公司因支出各项个人保险费率约为 60%，节约劳动报酬支出：12.8×6×1.6=122.88 万元。
4.减轻劳动作业强度方面。解决了分散低压设备通讯网络安装维护工作量巨 大的问题，节省大量的设备投资和人工维护费用，减少了工人工作劳动强度。
