如果把煤炭比作“工业的粮食”，那么供电就是煤矿生产的“血脉”，煤矿供电系统是煤矿安全生产的基础保障系统，是煤矿的动力源泉和安全保障，供电不安全将给煤矿安全生产带来严重威胁。因此，煤矿智能化建设过程中将供电智能化建设作为核心和基础之一，对于保障煤矿智能化高质量发展具有重要意义。
煤矿供电智能化建设现状和存在问题
自2018年下半年开始，截至2022年5月，笔者共调研了全国200余座井工煤矿的供电智能化建设情况，调研区域涵盖山西、内蒙古、陕西、山东、河北、四川、黑龙江、贵州等省（自治区），根据调研情况，目前煤矿供电智能化的建设程度与真正的供电智能化还有很大差距，主要存在以下9个问题：
（1）99%的煤矿井下供电“最后一公里”智能化建设被忽视，占全矿井配电设备1/2以上数量的移动变压站、低压馈电开关、电磁启动器等设备的漏电保护功能存在失效或缺失现象，严重影响矿井供电安全和智能化水平。
（2）60%以上的煤矿对供电智能化建设内容不清晰，建设模式“五花八门”，低水平重复建设现象严重。
（3）80%以上的煤矿供电越级跳闸现象依然存在，因此导致的大范围停电事故时有发生，根据调研统计，平均每矿每年发生6次以上的供电越级跳闸现象。
（4）高压单相接地故障自动选线准确率不足70%，低压漏电故障自动选漏准确率不足50%。 （5）90%以上的煤矿低压馈电开关漏电试验采取人工就地试验，手动记录试验数据，漏试、假试现象普遍，漏电保护有效性较差。
（6）90%以上的煤矿未实现井下配电装置（包括高压开关、低压馈电开关、移动变电站等）
卫星同步校时，时间不统一，供电事故分析困难，事故处理往往治标不治本。
（7）80%以上的煤矿缺乏电能质量的监测和预警，由于电能污染严重、谐波含量过高而引起的绝缘击穿、保护误跳闸现象时有发生。
（8）90%以上的煤矿配电装置机构灵敏性缺乏在线监测和预警，因此带来的开关拒跳、供电事故扩大现象时有发生。
（9）99%的煤矿供电微机保护装置采用国外操作系统，“卡脖子”技术风险大，成为煤矿供电智能化建设的又一关键难题。
煤矿供电智能化建设关键技术
图1 分布式网络保护防越级跳闸技术原理
基于上述煤矿供电智能化建设现状和存在的问题可知，目前煤矿供电智能化建设与真正的智能化还有很大差距，主要是因为供电智能化建设模式不统一、建设内容不清晰、关键技术不了解。笔者根据多年的矿井供电智能化技术研究与应用经验，总结了以下4点煤矿供电智能化建设关键技术。
分布式网络保护防越级跳闸技术
供电越级跳闸事故轻则越过1级导致1个采区停电，重则越过多级直至地面变电所，导致整个井下供电系统瘫痪，严重威胁生产安全。引起越级跳闸的原因有多种，如短路越级、开关拒跳越级、电压波动越级、定值不匹配越级等，然而目前国内的防越级方法（如GOOSE信号闭锁防越级、差动保护防越级、集中判别式防越级等方法）虽应用多年，但始终无法彻底杜绝越级跳闸事故的发生，主要是因为这些方法存在防越级“死区”，无法全方位防止供电越级跳闸。
分布式网络保护防越级跳闸技术的出现，彻底改变了煤矿供电越级跳闸的现状。多年来，经过多个矿井的实践应用证明，分布式网络保护防越级跳闸技术可以彻底杜绝煤矿供电越级跳闸事故的发生，并入选了2020年国家矿山安全监察局发布的《煤矿安全生产先进适用技术装备推广目录》。此外，以分布式网络保护防越级跳闸技术为核心研发的“煤矿供电无人值守及防越级跳闸技术与系统”
获得2020年煤炭行业科技一等奖。分布式网络保护防越级跳闸技术原理如图1所示。
当发生短路故障时，#101、#103、#105、#107开关相互实时共享故障数据，各开关根据共享的故障数据及各自所处的供电级别，判断出#107开关是最末级，#107开关跳闸，其他开关不跳闸，实现防越级。分布式网络保护防越级跳闸技术原理优势：①打破传统的供电故障“各自为政、独立判别”模式，边缘计算与网络保护相结合，故障判别速度更快、定位更准；②各开关供电上下级动态识别，根据故障位置动态调整各开关跳闸时间，防越级范围更广泛。
“边缘计算、附加信号”高压接地故障精确选线技术
煤矿供电系统中性点普遍采用不接地或经消弧线圈接地方式，传统的接地故障选线方法很难保证选线的准确性。而“边缘计算、附加信号”高压接地故障精确选线技术通过原理分析和实践应用证明，选线准确率可达100%，其技术原理如图2所示。
当发生高压接地故障时，信号源装置向系统注入选线信号，#103、#105、#107开关对注入的信号敏感，检测到选线信号后，各开关相互实时共享数据，根据各自所处的供电级别，判断出#107开关是最末级，#107开关跳闸，其他开关不跳闸，实现接地故障准确选线并切除故障。“边缘计算、附加信号”高压接地故障精确选线技术原理优势：变被动选线为主动选线，以附加信号为判据，以“边缘计算、网络保护” 技术定位接地线路，选线速度更快、准确率更高。
图2 “边缘计算、附加信号”高压接地故障精确选线技术原理
图3 “相对判据排他法”低压漏电精确选漏技术原理
“相对判据排他法”低压漏电精确选漏技术
通过调研发现，低压漏电故障引起的误跳闸、越级跳闸问题十分普遍，给煤矿安全生产带来严重隐患。而“相对判据排他法”低压漏电精确选漏技术经过实践应用证明，其选漏准确率可达100%，技术原理如图3所示。
当发生漏电故障时，#201开关通过附加直流方式检测出系统漏电，此时#201开关向开关发出选漏命令，#202—#206开关相互实时共享采样数据，构建相对判据，确定3I0、3U0相位和幅值一致性范围，偏离一致性范围的开关即为漏电故障开关。“相对判据排他法”低压漏电精确选漏技术原理优势：变“绝对判据为相对判据”，以“边缘计算、网络保护”技术定位漏电回路，类似于“排除法做选择题”，可有效排除变频器的干扰，选漏速度更快、准确率更高、适应性更强。
图4 低压漏电远程联动试验系统
低压漏电远程联动试验技术
《煤矿安全规程》第453条要求“每天必须对低压漏电保护进行1次跳闸试验”，因此在供电智能化建设中保证低压漏电保护的有效性和漏电试验的全面性尤为重要。经过调研发现，虽然各煤矿每天安排工人现场做漏电试验，但漏电试验的全面性、有效性却很难保证，工人做漏电试验时漏试、不试、假试现象普遍，这种情况下，当发生漏电故障时，一旦漏电保护失效，不仅会有漏电伤人风险，甚至可能引起瓦斯、煤尘爆炸。为此，笔者研发了“漏电保护远程联动试验系统”用以自动检验漏电保护的有效性，该系统可实现井下多台馈电开关按顺序自动进行漏电保护试验、漏电闭锁试验，远程一键操作，自动记录试验数据并生成试验报告；同时，漏电保护远程联动试验系统还可以自动判别漏电保护、漏电闭锁保护的有效性，漏电保护试验表明该系统不但可以达到减人提效的目的，而且还可以保障漏电试验的全面性和漏电保护的有效性，为煤矿供电智能化及无人值守建设增加了一道可靠的“保险”。低压漏电远程联动试验系统如图4所示。
“六位一体”煤矿供电智能化建设方案
笔者根据煤矿供电智能化现状以及存在的问题，结合多年煤矿供电技术研究与应用经验，融合煤矿供电智能化关键技术，提出“六位一体”的煤矿供电智能化建设方案。
“六位”
（1）采用分布式网络保护防越级跳闸技术，实现全方位防止供电越级跳闸事故的发生，包括防止短路故障越级、防止接地故障越级、防止电压波动越级、防止开关拒跳越级等。
（2）采用“边缘计算、附加信号”高压接地故障精确选线技术，实现高压接地故障自动准确选线、自动切除故障，实现选线准确率100%。
（3）采用“相对判据排他法”低压漏电精确选漏技术，实现低压漏电故障自动准确选漏、自动切除故障，避免漏电越级跳闸、漏电误跳等问题的发生，实现选漏准确率100%。
（4）采用低压漏电远程联动试验技术，实现低压漏电保护远程联动试验，自动记录试验数据、自动生成试验报告，从而确保漏电试验的质量和试验效率。
（5）采用基于Linux系统的供电监控软件平台，可防病毒、免维护，确保供电无人值守软件的安全性和可靠性。
（6）采用全双工以太网通信方式，可并行通信，传输可靠、时延短，确保供电远程控制的安全性和可靠性。
“一体”
（1）网络一体。供电防越级、供电监控网络与光纤环网融为一体，可降低网络建设成本，减少网络维护工作量，提高网络传输可靠性。
（2）保护一体。防越级保护与供电常规保护融为一体，兼顾网络保护与断网常规保护的兼容性，确保供电继电保护的有效性和可靠性。
（3）联动一体。供电远程控制与视频自动联动，实现供电系统“监、控、视”一体，避免“盲控”，确保供电监控的安全性和可靠性。
（4）备电一体。备用电源分布式集成配置，供电监控分站、微机保护装置等集成备用电源以及电源管理系统，不但可以节省空间，而且可以延长备用电源的使用寿命。
（5）云地一体。供电本地监控与云端监控融为一体，可不限空间、不限时间，随时随地掌握供电运行安全状态。
“六位一体”供电智能化建设内容
上述“六位”是供电智能化建设的核心内容，并非全部内容，供电智能化建设应从安全性、可靠性、全面性的角度出发，“六位一体”供电智能化建设内容及应用场景如图5—图8所示。
图5 “六位一体”供电智能化建设的主要内容
图6 基于Linux操作系统的电力监控专业软件平台
图7 防止误送电事故的移动电子安全锁
图8 煤矿智能化供电远程预警平台
煤矿供电智能化技术应用
笔者基于以上关键技术研发的煤矿供电智能化与无人值守监控系统（以下简称KJ171系统）于2021年4月20日在神东煤炭集团大柳塔煤矿投入使用，2021年5月7日22时53分，神东煤炭集团大柳塔煤矿六盘区#1106开关发生短路故障，短路电流为，大柳塔煤矿六盘区供电系统如图9所示。
本次故障的短路电流（2 373.9 A）已超过上级供电线路上#1101、#1507开关，以及五盘区进线开关的电流速断保护定值，此时KJ171系统防越级跳闸功能启动，发生故障的最末级六盘区开关跳闸切除故障，其上级#1101、#1507、开关均启动了防越级，未跳闸，成功实现防越级。由表1的#1106开关速断保护跳闸记录以及、#1507、#1501开关防越级记录，充分证明了系统防越级跳闸的选择性、快速性和可靠性。
表1 事故记录数据表
图9 大柳塔煤矿六盘区供电系统示意
结 语
供电智能化建设是煤矿智能化高质量发展的核心技术支撑，供电智能化水平直接关系到煤矿智能化水平。因此，在煤矿智能化建设过程中需要充分重视供电智能化的建设，在保障安全性、可靠性、全面性的基础上实现供电智能化和供电无人值守，避免低水平重复建设。笔者提出的“六位一体”供电智能化建设方案和据此研制的KJ171系统是根据广泛的调研，以及多年的供电智能化技术研究与应用的经验总结，希望这些研究成果和经验能够为我国煤矿供电智能化建设提供参考和借鉴。
