胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘要：目前煤礦井下電力系統(tǒng)發(fā)生了各種各樣的創(chuàng)新和變化。部分礦井使用更高的功率和配電電壓較高的電氣開關設備，通常使用可編程邏輯控制器(PLC)進行控制、監(jiān)控和診斷應用，使用內置測試電路改進繼電保護，在負載附近進行功率因數校正，以改進電壓調節(jié)以及修改電力系統(tǒng)部件布置。電力監(jiān)控系統(tǒng)是由于工作面設備(尤其是長壁設備)的功率需求顯著增加所需要的。監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是改善動力系統(tǒng)的運行特性，提高了礦井生產安全性。介紹了利用ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行測試分析，表明了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且安全性較高。
關鍵詞：煤礦；供電系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；ARM技術；測試應用
0引言
在過去幾十年里，煤炭生產成本繼續(xù)下降，這些收益是技術改良的直接結果，同時也是在很大程度上歸根于電氣系統(tǒng)技術進步的結果。通過企業(yè)開發(fā)和應用更強大、更復雜的設備，并通過設計向該設備供電的系統(tǒng)，實現了生產收益。近年來，煤礦井下電氣系統(tǒng)的電力需求急劇增加。以前，1500kVA的電力網絡通常被認為是井下應用的大型電力中心，主變電站大約由5000kVA的變壓器供電。如今，高產長壁工作面的電力中心容量超過5000kVA。隨著長壁工作面長度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣系統(tǒng)的技術限制在2個方面：自動化和電力輸送。隨著生產率的提高，工人們越來越難跟上機器的步伐，因而為電力監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了自動化技術。盡管取得了重要進展，但還需要進行更多研究，本文針對煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)繼續(xù)開展技術討論。解決的電力監(jiān)控問題是：如何在沒有嚴重電壓調節(jié)問題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經濟地中斷較大的電力波動，特別是在故障條件下的安全監(jiān)控。本文中討論的許多創(chuàng)新成果為礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)研究提供了依據。
1礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)應用目標
1.1設計目標
煤礦綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)是在充分利用礦井外電力綜合自動化技術的基礎上，專門對井下供電系統(tǒng)、電力保護裝置、調度自動化等一體化進行監(jiān)測監(jiān)控的電力自動化平臺。該平臺可以集高低壓開關在地、離地的保護、測量和控制于一體，實現地下變電站無人值守運行、整個礦山電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、運行參數超限報警、礦山調度系統(tǒng)的實施，實現
視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)實現互聯。
1.2礦井電力供應簡介
我國大多數煤礦屬于井工開采，煤礦供電系統(tǒng)從上到下依次為地面變電所、井下中央變電所、采區(qū)變電所以及移動變電站。供電系統(tǒng)普遍采用的是多級短電纜組成的干線式電網結構。煤礦高壓供電等級一般為6~10kV，低壓等級有3300V、1140V、660V、380V和220V。《煤礦安全規(guī)程》要求井下供電網絡采用雙回路供電方式，兩回路互為備用，即一回路電源或線路出現故障以后，通過調整高壓開關，可以將另一路正常電源接過來，保證了負荷的持續(xù)供電。
2監(jiān)測系統(tǒng)的設計
2.1系統(tǒng)架構設計
在回顧了過去和現有的煤礦電力供應技術之后，開發(fā)并提出了一個簡單的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以監(jiān)控單元為主，如圖1所示。這兩個單元都由作為核心微控制器的LPC2148組成，屬于ARM控制器類型。通過以太網收發(fā)器相互通信，采礦裝置和監(jiān)控裝置中使用的收發(fā)器屬于同一類型。
圖1煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)架構示意
ARM控制器作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心單位，它采用STM32F103RAM32位處理器作為系統(tǒng)的主芯片，配有24位模數轉換器和640×480真彩色液晶顯示屏以及相應的軟件。該裝置以OMAP平臺為核心作為保護，較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數字信號處理能力和高ARM926芯片的外圍集成，組網突出的特點為煤礦配電系統(tǒng)網絡保護裝置提供了一種新的研究結構。
在電力監(jiān)控系統(tǒng)中集成C8051F410的光纖激光甲烷傳感器。但是光纖傳感器在煤礦的推廣使用也出現了一些弊端，如顯示值暴漲、激光功率變弱等。但是該傳感器的加速度最小，為1mm／s2，可用于微地震信號的測量和電力環(huán)境中的泄漏測量。
2.2硬件設計
2.2.1ARM微控制器選型
系統(tǒng)選用ARM7TDMI系列的微控制器，具有極低的功耗和價格并提供高性能的技術特點。ARM架構基于精簡指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關解碼機制比微編程復雜指令集計算機(CISC)簡單得多。這種簡單性帶來了高指令吞吐量和實時中斷響應。
ARM7TDMI處理器采用了D特的架構策略(THUMB)，這使得它非常適合內存受限的大容量應用，或者代碼密度存在問題的應用。ARM面對用戶串口如圖2所示。
圖2ARM面對用戶串口示意
筆者使用LPC2148，具有如下特征：①16／32位ARM7TDMI-S微控制器，采用小型LQFP64封裝；②40KB片內靜態(tài)RAM和512KB片內閃存程序存儲器；③通過片內引導加載軟件進行系統(tǒng)內或應用程序內編程；④兩個10位模數轉換器總共提供14個模擬輸入，每個通道的轉換時間低至2．44s；⑤單個10位數模轉換器提供可變模擬輸出；⑥多個串行接口，包括兩個UART(16c550)、兩個快速I2C總線(400Kb／s)、具有緩沖和可變數據長度功能的SPI和SSP；⑦具有可配置優(yōu)先級和向量地址的向量中斷控制器；⑧在一個小型LQFP64封裝中，最多可容納45個5V快速通用輸入／輸出引腳。
2.2.2元器件設計
電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要對電力運行情況進行監(jiān)控，還需要對周圍環(huán)境的變化進行感應，以便隨時做出針對于電力調節(jié)方面的變化，因此，設計了氣敏、溫濕度傳感的元器件。為了檢測煤礦井下主要有毒氣體甲烷和一氧化碳，使用了MQ-7氣體傳感器，如圖3所示。
傳感器由微型AL2O3陶瓷管、二氧化錫敏感層、測量電極和加熱器組成，固定在由塑料和不銹鋼網制成的外殼中。加熱器為敏感部件的工作提供必要的工作條件。封裝的MQ-7有6個引腳，其中4個用于獲取信號，另外2個用于提供電流。MQ-7傳感器與ARM7TDMI的P0
圖3MQ-7氣體傳感器
接口進行連接F。
在所提出的系統(tǒng)中，熱敏電阻用作溫度傳感器，被用來檢測非常小的溫度變化。溫度的變化通過器件電阻的明顯變化來反映。這里需要注意的是，NTC熱敏電阻在－50~150℃時的電阻分別為10、100kΩ。這意味著200°C的溫度變化導致了100∶1的電阻變化。該傳感器連接到P1至LPC2148接口。濕度傳感器是電阻式的，隨著濕度的變化，傳感器電阻將發(fā)生變化，該傳感器連接至LPC2148。
2.3以太網的適配
以太網是由IEEE802.15.4個人區(qū)域網標準指
導的一種新的無線技術。它主要為廣泛的自動化應用而設計。它目前以20000B／s的數據速率工作，占據在868MHz頻段，在全球發(fā)達工業(yè)國家可以以250000B／s的最大數據速率工作，最高可達2400MHz，有效減小了外部信號干擾。
以太網規(guī)范是射頻Lite和802．15．4規(guī)范的結合。該規(guī)范工作在2400MHz無線電頻段，與802.11b標準、藍牙、微波和一些其他設備相同。因礦井工作環(huán)境惡劣，選用以太網作為通信網絡較合適。以太網絡可以連接255臺電力設備[9]。收發(fā)模塊的范圍在井下可達300~700m，在室外可達1.0~1.5km。收發(fā)器具有片內有線天線，工作頻率為2400MHz。從微控制器接收的數據根據以太網協(xié)議標準進行組織，然后進行調制。該規(guī)范支持300m范圍內高達250KB／s的數據傳輸速率。
雖然以太網的技術比802．11b(11MB／s)和藍牙(1MB／s)慢，但功耗明顯更低[10]。系統(tǒng)使用一對以太網模塊，一個用于傳輸地下部分的數據，另一個用于接收地面或監(jiān)控部分的數據，并且設置主站系統(tǒng)，如圖4所示。
圖4主站系統(tǒng)組成結構示意
每當監(jiān)控系統(tǒng)授權人員想要知道參數的狀態(tài)，或者每當參數值增加到閾值以上時，就會通過調制解調器發(fā)送消息。該故障通過液晶屏上的顯示來指示。該電力監(jiān)測將有助于技術人員。
2.4軟件設計
WinCC是一個基于窗口的軟件開發(fā)平臺，它將強大的現代編輯器與軟件多個拓展工具相結合。它集成了開發(fā)嵌入式應用程序所需的所有工具，包括C／C＋＋編譯器、宏匯編器、鏈接器／定位器和十六進制文件生成器。WinCC通過提供集成開發(fā)環(huán)境，幫助加快嵌入式應用的開發(fā)過程。其中生成的KEIL可以用來創(chuàng)建源文件；采用易于使用的用戶界面設置的選項，完成自動編譯、鏈接和轉換，最后在可以訪問數據變量過程中和內存硬件上模擬或執(zhí)行調試。WinCC大大簡化了創(chuàng)建和測試嵌入式應用程序的過程。
為了將應用程序下載到閃存中，這個WinCC實用工具平臺是必要的。用C語言生成的程序代碼經過處理后生成十六進制形式的目標代碼。它被稱為十六進制文件。為了將這個十六進制代碼轉儲到控制器的閃存中，該工具提供了Keil編譯版本。對于舊版本的編程，同樣的任務是在名為FlashMagic的軟件的幫助下完成的，在程序內部通過RS-485總線技術進行數據的傳遞，主要針對于自檢模塊、故障模塊功能進行加強，如圖5所示。
3系統(tǒng)安全性設計
3.1接地故障保護
電力監(jiān)控系統(tǒng)在離線模式下，當電力負載關閉時，該系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控電機繞組和電機啟動器互連電纜的絕緣水平。該裝置具有可調范圍平衡電平，并具有輸出計量驅動器(0~1mA)來驅動遠程儀表或與ARM控制器接口。如果檢測到低絕緣水平或離線接地故障，該裝
圖5系統(tǒng)主程序流程示意
置將鎖定電機電路。該系統(tǒng)還可以顯示以歐姆為單位的絕緣水平，這有助于預測性維護。
高壓線路利用電路需要后備接地故障保護的功能，如果中性接地電阻開路時發(fā)生接地故障，后備接地故障保護將使電源電路斷電，這種保護在低壓和中壓系統(tǒng)中越來越常見。這種類型的保護是通過潛在的繼電保護來實現的。
高壓線路也利用電路需要中性接地電阻的過溫檢測。如果持續(xù)故障導致接地電阻發(fā)熱，該保護的目的是打開輸入配電電纜的接地檢查先導電路。系統(tǒng)應在接地電阻最大溫升的50％范圍內或150℃下運行，以較小者為準。由于與附近的電力變壓器相比，故障接地電阻產生的熱量相對較低，因而很難設計出確保這種保護可靠運行的系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)已經接受了替代方法，如過載電流互感器，只要替代方法不需要控制電源運行，保障了監(jiān)控系統(tǒng)在電力線路發(fā)生故障的條件下也能保持工作性能。
3.2功率因數校正和電壓調節(jié)
大多數煤礦企業(yè)認識到電網功率因數校正的經濟效益。通過將平均月電網功率因數保持在1.0附近，可以顯著節(jié)省電力成本。由于大多數煤礦電網的功率因數校正發(fā)生在井外，這當然是放置電容器的方便位置，但它距離井下電機負載較遠。因此，通過將電容器定位在盡可能靠近負載的位置來改善電壓調節(jié)控制系統(tǒng)并沒有充分發(fā)揮出性能。然而，在大容量長壁開采之前，這種功率因數校正優(yōu)勢并不那么重要。在一些大容量系統(tǒng)中，需要在電機負載附近放置功率因數校正的電容，以提供足夠的電壓調節(jié)并減輕電機啟動期間電網電壓下降的嚴重程度。
目前，煤礦企業(yè)現在正在以電網電力控制中心為連續(xù)采礦區(qū)安裝電容器組。如果有足夠的空間，電容器通常安裝在電力中心集中控制平臺上。采用這種布置，為每個電容器電路提供接地故障保護。電氣切換通常由技術人員執(zhí)行真空接觸器和電流或無功檢測用于控制開關點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應與開關電容器串聯，電容器應具有工廠接線的保險絲、熔斷指示器和泄放電阻器。另一種降低電壓降和改善電壓調節(jié)的方法是使用更高的分配電壓。過去，7.2kV是煤礦井下常見的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經無法滿足對于今天的大容量長壁工作面開采。因此，在運用電力監(jiān)控系統(tǒng)時，應當安裝一個單獨的13．8kV配電系統(tǒng)，專用于長壁開采系統(tǒng)及其相關的井上電氣設備。礦井的其余部分仍由7.2kV配電系統(tǒng)供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為14.4kV的配電系統(tǒng)，目的是在不超過15kV絕緣等級的情況下獲得最高的配電電壓。只有搭載適應的電網電壓并進行功率因數校正，才能確保電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮較好的性能。
4電力監(jiān)控試驗測試分析
4.1試驗系統(tǒng)組成設計
試驗系統(tǒng)構成如圖6所示。在10kV開閉所接一面KYN28A-12(Z)高壓開關K2，模擬10kV變電所Ⅱ段任一饋出高壓開關K2，在該開關柜安裝DMP5101終端1臺；再接4臺BGP9L(Y)高壓防爆開關K3、K4、K5、K6，模擬井下兩級變電所的供電線路，每臺高壓防爆開關內安裝1臺礦用保護器。五臺開關之間一次側采用高壓橡套電纜連接，末端高壓防爆開關負荷側接1根高壓橡套電纜。在K2與K3之間設置短路點D1、在K4與K5之間設置短路點D2、在K6負荷側電纜終端設置短路點D3。
4.2電力監(jiān)控系統(tǒng)試驗運行
點擊系統(tǒng)圖標進入煤礦電力監(jiān)控軟件，可以選擇查看地面或井下配電室監(jiān)控畫面，同時點擊井下配電室系統(tǒng)中的變電所界面，查看井下1號變電所監(jiān)控畫面。監(jiān)控畫面中矩形
圖6試驗系統(tǒng)組成
形狀圖標代表斷路器，上下各配一刀閘表示斷路器小車狀態(tài)，綜合顯示高爆柜當前的運行情況，紅色代表合閘位置，綠色代表分閘位置。系統(tǒng)另一個重要功能是對歷史數據的查詢，歷史數據曲線主要功能是將電流、電壓等數據以曲線的方式顯示，提供直觀的數據顯示、對比功能。
歷史報警模塊對各類報警信息以時間為次序，詳細羅列了報警的時間、編號、類型、報警內容及持續(xù)時間，方便操作人員查詢及處理相關信息。
5.安科瑞電力監(jiān)控解決方案
5.1概述
針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。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電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(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)是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站Q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、經濟運行提供了堅實的保障。
5.2應用場所
適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。
5.3系統(tǒng)架構
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環(huán)網網絡結構，根據用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。
5.4系統(tǒng)功能
（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。
（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。
（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。
（4）運行報表：查詢各回路或設備Z定時間的運行參數。
（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
（7）電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。
（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。
（9）網絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構。
（10）電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。
（11）遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。
（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
（13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。
（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監(jiān)測點位數量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。
（15）APP訪問：設備數據頁面顯示各設備的電參量數據以及曲線。
5.5系統(tǒng)硬件配置
6結語
本文針對目前礦井電力系統(tǒng)發(fā)生的系列變化，設計了井下電力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點：對存在塑殼斷路器的替代產品進行了監(jiān)控設計；改進了接地故障保護；測試模式、障礙和內置測試電路的接地保護有變化；改善電壓調節(jié)的負載附近功率因數校正；增加可編程控制器在控制、監(jiān)控和診斷應用中的使用。ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)提供低功耗平臺，證明了像ARM7這樣的控制器的更高級版本可以有更快的執(zhí)行速度和極低的功耗。通過使用遠程操作，該系統(tǒng)可以更實時對電力系統(tǒng)運行情況進行觀察，并且在工程現場驗證了該系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。
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更新時間：2023-08-15 
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