安科瑞 耿敏花

摘要:結(jié)合煤礦井下供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，以6kV供電回路作為監(jiān)控對象，設(shè)計(jì)了煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對高壓配電開關(guān)的電壓、電流、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:供電系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

電力是煤礦井下重要的動(dòng)力來源，由于井下工作環(huán)境惡劣，端線、擠壓短路、過負(fù)荷、漏電等故障時(shí)有發(fā)生，在這些故障發(fā)生之前，在高壓配電開關(guān)處往往會(huì)伴隨著一系列的征兆，包括電壓電流的急劇變化、溫度的上升等。

本文設(shè)計(jì)的高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)可以將這些特征量實(shí)時(shí)上傳至井上監(jiān)控中心，減少故障發(fā)生的概率，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可快速定位，提高排除故障的工作效率，進(jìn)而減少因電力系統(tǒng)的故障造成的財(cái)產(chǎn)損失。通過地面計(jì)算機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的分、合閘操作，提高供電系統(tǒng)管理的水平。供電監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)相對獨(dú)立，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)對高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但可以實(shí)現(xiàn)對高壓供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

1高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為DCS型(集散型)分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控，分為地面監(jiān)控站和井下監(jiān)控站，兩者之間采用RS-485通信方式，各個(gè)井下變電站負(fù)責(zé)對本變電站監(jiān)控信息的采集，采集的數(shù)據(jù)存放在井下變電站的控制器緩存區(qū)中，當(dāng)?shù)孛孀冸娬鞠蚓伦冸娬景l(fā)出訪問指令時(shí)，各個(gè)井下變

圖1煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電站發(fā)送自己緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)，地面變電站可以將井下監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在軟件監(jiān)控界面，并可以根據(jù)情況向井下變電站發(fā)出分、合閘操作指令。

1.2通信方式選擇

煤礦井下的常用的通信方式有:RS-485、CAN總線、RS-232、光纖通信、Zigbee組網(wǎng)等方式，為了簡化供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在地面計(jì)算機(jī)和井下變電站之間的通信方式，選擇為帶光電隔離的RS-485，其接線方式為2線制，可傳輸距離為1500m，可以滿足井上PC到井下變電站的距離要求，通過光電隔離技術(shù)增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性。數(shù)據(jù)采集器到變電站的距離較近，可以采用RS-232通信方式，其接線方式為3線制，可傳輸距離為15m。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片選型

系統(tǒng)選用MSP430F5438單片機(jī)，它是TI公司推出的一款具有256KiB存儲(chǔ)容量的嵌入式微控制器。它的特點(diǎn)是具有極低的功耗，只需2.2~3.6V的直流供電。在低功耗基礎(chǔ)上集成更加豐富的外設(shè)，即有3個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)高速12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看門狗定時(shí)器、Pl￣P10端口等，該芯片可以應(yīng)用于模擬和數(shù)字傳感器系統(tǒng),系統(tǒng)主要利用MSP430F5438，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)電氣控制器的主要功能，并可降低系統(tǒng)功耗。

2.2隔離型RS-485電路設(shè)計(jì)

在井下變電站和井上監(jiān)控平臺(tái)之間的通信方式選擇為RS-485，芯片選行為ADM2587E，該芯片是ADI推出的單電源供電的隔離型芯片，SOW￣20封裝，傳輸速率為500Kibit/s，隔離電壓2.5kV，被廣泛應(yīng)用在工控、電力等需要隔離RS-485的場合。

隔離型RS-485電路原理圖如圖2所示，為了降低線路中的共模電壓、雷擊、浪涌電壓等對通信的干擾，在總線處采

圖2隔離型RS-485電路

取的保護(hù)措施如下:在VA、VB管腳上串接RT電阻。該電阻的阻值范圍是4~10Ω，VA、VB管腳對地接TVS管，也可以采取電阻和穩(wěn)壓二極管串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。

2.3RS-232通信電路設(shè)計(jì)

在井下變電站和數(shù)據(jù)采集器之間的通信方式選擇為RS-232，該種方式可以選擇的傳輸速率范圍是從50bit/s到38400bit/s，可以實(shí)現(xiàn)雙工異步通信，在接線中保留TXD、RXD、GND3條線。

在井下變電所的高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)中，利用MAX3232ESE實(shí)現(xiàn)TTL和RS-232之間的電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)電路如圖3所示，其中RX1、TX1接單片機(jī)的串口，RX232￣1、TX232￣1分別數(shù)據(jù)采集器的RS-232專用串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，為了增加系統(tǒng)的擴(kuò)展性，預(yù)留一路串口，方便以后硬件結(jié)構(gòu)的升級(jí)。

圖3RS-232通信電路原理

2.4測溫電路設(shè)計(jì)

高壓配電開關(guān)的溫度測量傳感器選型為DS18b20芯片，實(shí)時(shí)采集開關(guān)低壓腔體內(nèi)部的溫度，并將溫度信息實(shí)時(shí)上傳給井上監(jiān)控中心。

DS18B20的溫度讀取主要通過對其DQ引腳讀、寫高低電平的時(shí)序來實(shí)現(xiàn)，為了增加DS18B20的驅(qū)動(dòng)能力，在DS18B20的DQ引腳上增加一個(gè)上拉電阻，保證在所有的讀、寫過程中被可靠置高或者置低，電路原理如圖4所示。溫度讀取過程中，主要由初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備，而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。

圖4測溫電

3軟件設(shè)計(jì)

3.1測溫程序設(shè)計(jì)

3.1.1DS18B20暫存寄存器分布

DS18B20溫度傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，通過對溫度傳感器的信號(hào)線的讀、寫操作，可以實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的讀取，DS18B20的高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表1所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0個(gè)和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計(jì)算:當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)S＝1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表1是對應(yīng)的一部分溫度值。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。

表1DS18B20暫存寄存器分布

3.1.2測溫程序設(shè)計(jì)

在DS1820測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS1820接觸不良或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒有返回信號(hào)，msp430單片機(jī)的P6.2引腳與DS18B20的DQ引腳連接。

3.2上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

煤礦井下高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用VB程序進(jìn)行編程，主要是基于可視化窗口的編碼器，利用C語言編程，并通過增加代碼的屬性來調(diào)用不同的組件，減少程序編寫的難度，*終可以生成.exe文件，方便軟件的安裝。

上位機(jī)軟件的主要作用是通過井上監(jiān)控平臺(tái)，對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的配電開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示并存儲(chǔ)狀態(tài)信息，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，方便歷史數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用。對于井下高壓配電開關(guān)的操作功能主要包括:分閘、合閘、復(fù)位，在進(jìn)行配電開關(guān)操作時(shí)，需要先輸入操作密碼，避免隨意操作造成事故。

井下高壓供電系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖5所示，主要信息量包括井下各個(gè)變電所的不同位置的高壓配電開關(guān)的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)。具有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，在查詢功能中，可以選擇不同日期、不同時(shí)間、不同變電所、不同位置的配電開關(guān)，對某一時(shí)刻的信息進(jìn)行查詢。

圖5井下高壓供電系統(tǒng)的監(jiān)控界面

4安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

4.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級(jí)），通過微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護(hù)裝置等設(shè)備組成綜合自動(dòng)化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運(yùn)行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級(jí)研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級(jí)的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對變電站多方位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

4.2應(yīng)用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

4.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細(xì)電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運(yùn)行報(bào)表：查詢各回路或設(shè)備時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)。

（5）實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

（7）電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表：系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況。

（8）用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

（9）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：支持實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（10）電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。

（11）遙控功能：可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)信息。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息，設(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為研究對象，設(shè)計(jì)煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)隔離性RS-485通信電路，實(shí)現(xiàn)井上PC到井下變電所的雙向通信，在數(shù)據(jù)采集器中，選擇主控芯片為超低功耗的MSP430單片機(jī)，進(jìn)行電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的采集，在軟件設(shè)計(jì)中，詳細(xì)介紹了DS19B20測溫芯片的測溫流程、并利用VB軟件，對井上監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

參考文獻(xiàn)

[1]萬長慈，袁鐘慧，陳筱梅，等.煤礦機(jī)電安全技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1990:18￣26.

[2]劉洪.煤礦安全測試技術(shù)〔上冊〕[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1993:19￣25.

[3]李建偉.煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.