煤矿监控系统产生伪数据的原因和应对措施

煤矿监控系统产生伪数据的原因和应对措施

杨永亮

鄂尔多斯市伊金霍洛旗神东煤炭集团柳塔煤矿通风队内蒙古鄂尔多斯市017200

摘要：针对煤矿监控系统普遍存在的伪数据问题，通过实地调查、现场测试和分析研究，总结了煤矿监控系统产生伪数据的主要原因，指出巷道中电力电缆的浪涌干扰是产生伪数据最主要的原因；提出了去除伪数据的主要技术措施、抗电力电缆浪涌干扰的具体措施及由分站软件通过识别数据变化速率滤除伪数据的方法。

关键词：电磁兼容；监控系统；传感器；伪数据；电力电缆；浪涌干扰；数据变化速率伪数据是指与现场实际情况不相符合的监测数据。伪数据的一种典型表现是传感器冒大数，造成煤矿监控系统误报警。煤矿监控系统产生伪数据的情况普遍存在，同时普遍认为传感器电缆和动力电缆并行敷设，动力电缆干扰感应到传感器电缆上而产生的干扰是监控系统冒大数的原因之一，韩建平还提出了电力变频器产生的干扰和漏电流产生的干扰，洪亮、冯亚飞等还提出了接触不良等原因。针对这些原因，分别提出了以下应对措施：传感器电缆远离动力电缆、分站信号输入端加大电容、采用屏蔽电缆、缩短传感器和分站之间距离、传感器和分站之间采用RS485传输、分站与中心站之间采用光纤传输、加强对设备的去潮去尘维护、采用软件处理等方法。

一、监控系统伪数据产生的原因

1.1动力电缆控制设备启动产生的浪涌干扰通过现场了解，发现工作面瓦斯传感器冒大数的情况最普遍。进一步研究发现，回风巷内的动力电缆控制设备启动时产生的浪涌干扰是工作面瓦斯传感器冒大数的主要原因。连接分站和工作面瓦斯传感器的电缆大多要通过回风巷。由于巷道另一侧需要走各种管路和设备，传感器电缆和动力电缆一般都布置在巷道行人一侧，传感器电缆和回风巷内的动力电缆大多数情况是长距离并行敷设。当回风巷内的设备（水泵、钻机、绞车）启动时，动力电缆的浪涌电流会在传感器电缆中感应出干扰信号。由于这种干扰源是动力电缆中的大电流，所以，这种干扰属于电缆间通过磁场耦合的干扰。在一些煤矿的实际测量中发现，这种干扰非常普遍。除了实测到的干扰，以下一些调研结果进一步验证了以上结论：

（1）在皖北恒源煤电钱营孜矿和瑞平公司庇山矿等煤矿发现，工作面回风巷内电气设备很少，尤其是在恒源煤电钱营孜矿某工作面的腰巷中，仅有1根给沿线几台潜水泵供电的660V电缆和1根瓦斯传感器供电电缆，使用谱频分析仪测量根本发现不了干扰，但该处的瓦斯传感器仍然经常发生冒大数的情况。可以确认动力电缆和水泵是该处唯一的电气干扰源，而水泵又远离瓦斯传感器，这就可以说明该处的瓦斯传感器冒大数的原因主要来源于660V电缆的干扰。传感器电缆中感应出的干扰波形，具有浪涌干扰的特征。

（2）2010－12－06T00：48：55—01：08：15，庇山矿二1－11051备采工作面瓦斯传感器发生了8次冒大数。第2天在现场了解到，冒大数时段该巷道中的1条6KV电缆正在试供电，当时因设备故障进行了多次合闸操作。这又是一个瓦斯传感器冒大数和沿线电缆浪涌干扰有关的直接例证。

（3）在恒源煤电钱营孜矿调研时还了解到：该矿一个工作面的瓦斯传感器经常集中在7：10—7：30时间内发生冒大数。到现场查看并询问工人了解到，该矿7：30前准备班开始工作，回风巷内的许多设备在这个时间段内陆续通电开始工作。瓦斯传感器冒大数很可能与此有关。

（4）一些煤矿的技术人员反映，工作面准备和搬家期间，瓦斯传感器冒大数的情况会明显增多。经分析，这是因为工作面准备和搬家期间，巷道中的绞车启动频繁，干扰发生的概率也增加。

（5）工作面瓦斯传感器距离分站越远，越容易发生冒大数现象。而原来冒大数现象较多的工作面，在开采一段时间顺槽变短后，冒大数现象就不常见了。经分析，这是因为传感器电缆和动力电缆并行距离变短后，浪涌干扰强度变小。

1.2井下电力变频器产生的干扰

电力变频器是煤矿井下一个重要的干扰源。由于这种干扰具有电压快速变化的特征，所以，其干扰源的性质应接近瞬变脉冲群干扰。显然，变频器电压越高，干扰强度越大。庇山矿井下实测的660V变频器的干扰波形。这种干扰强度一般不会使监控系统设备发生死机故障，但可以造成传输出错的故障。在多个煤矿都发现了变频器影响监控系统传输的实例。由于监控系统采用总线传输，一旦总线受到干扰，总线上的设备都会受干扰，故障地点显得很分散，即干扰源附近的多个分站都受干扰。又由于脉冲群干扰在长距离传输后会发生衰减，所以，这种干扰对监控系统的影响又呈现区域性，即表现为

同一总线上离干扰源较远的分站不受影响。

1.3大型电气设备附近的干扰

一些监控系统服务人员反映，一些传感器放置在电动机上方时易受干扰。电动机和控制柜等一般被认为是一个干扰源，但在煤矿现场测量了几台变频电动机均干扰不大。后来在实验室环境下进行电动机接地的对比测试时发现，如果变频器电动机不接地，电动机就会产生很大的干扰。所以，一些接地不好的大型电气设备也是煤矿监控系统产生伪数据的一个重要的干扰源。

二、去除监控系统伪数据的主要措施

2.1提高分站和传感器抗浪涌干扰的能力从上面的分析可知，动力电缆浪涌电流感应到传感器电缆的干扰是监控系统产生伪数据的主要原因，所以，要从设计上提高传感器和分站抗浪涌干扰的能力。这种浪涌干扰是一种共模干扰，煤矿监控系统中的传感器和分站都是本质安全型设备，一般不直接接地，所以，煤矿监控系统属于浮地系统。浮地系统具有较高的抗共模干扰能力，但因为设备的内部电路会造成不同芯线对地（外壳）的阻抗不同，所以，浪涌产生的共模干扰会通过不同芯线对地的不同阻抗转变为芯线间的差模干扰，从而影响传感器和分站。共模干扰转变为差模干扰原理。

2.2提高监控系统抗脉冲群干扰的能力

井下脉冲群干扰尤其是电力变频器发出的干扰主要影响监控系统的数据传输。从传感器和分站设计上考虑，应在各输入输出端口，尤其是通信端口采取抗干扰措施。现场布置时，监控系统电缆应远离干扰电缆，间隔应尽量在１ｍ以上，必要时传感器电缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层应在一处与大地连接。采用光纤通信是抗干扰的最有效方法。采用光纤环网作为监控系统的传输主干道，不仅可以提高系统巡检速度，而且增强了系统的抗干扰能力。在主干道以外的区域如果还有脉冲群干扰严重的地段，可以采用局部光纤网传输。

2.3采取良好的电力变频器屏蔽措施

电力变频器是井下最主要的脉冲群干扰源。与电力电缆浪涌干扰不同，电力变频器发出的脉冲群干扰是通过电场耦合的，采用屏蔽措施能有效降低干扰强度。①变频器电缆必须采用性能优良的屏蔽电缆并将屏蔽层接地。②变频器和电动机的外壳也应良好接地。③电力变频器应配置进线滤波器，减少变频器对电网的干扰，必要时可用频谱分析仪现场实测干扰场强，发现屏蔽不良的地方并进行处理。

结语：

通过实地调查、现场测试、走访监控系统工程服务人员、分析研究和实验室测试验证等手段，总结了煤矿监控系统产生伪数据的主要原因，发现巷道中电力电缆的浪涌干扰是最主要的原因。针对这些原因，提出了去除伪数据的主要技术措施和抗电力电缆浪涌干扰的具体措施，及由分站软件通过识别数据变化速率滤除伪数据的方法。这些措施的实施可有效滤除因浪涌干扰产生的冒大数现象，保证了煤矿监控系统的可靠运行。

参考文献：

[1]许洪亮．煤矿安全监控系统瓦斯检测“大数”控制对策［J］．煤炭科技，2017（1）：87－88．

[2]包发圣．煤矿瓦斯监测系统中尖脉冲的处理［J］．矿业安全与环保，2017，28（3）：51－53．

[3]冯利国，王国辉，李鑫宝，等．煤矿安全监控系统抗电磁干扰的研究［J］．煤矿安全，2017，41（8）：70－72．