電力監控系統在煤礦井下配電管理中的設計與應用

摘要：目前煤礦井下電力系統發(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(kāi)關(guān)設備，通常使用可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行控制、監控和診斷應用，使用內置測試電路改進(jìn)繼電保護，在負載附近進(jìn)行功率因數校正，以改進(jìn)電壓調節以及修改電力系統部件布置。電力監控系統是由于工作面設備(尤其是長(cháng)壁設備)的功率需求顯著(zhù)增加所需要的。監測系統主要目的是改善動(dòng)力系統的運行特性，提高了礦井生產(chǎn)安全性。介紹了利用ARM和以太網(wǎng)技術(shù)為核心的煤礦井下監控系統，并對系統進(jìn)行測試分析，表明了系統穩定可靠且安全性較高。

 

關(guān)鍵詞：煤礦；供電系統；監控系統；ARM技術(shù)；測試應用

 

 

       在過(guò)去幾十年里，煤炭生產(chǎn)成本繼續下降，這些收益是技術(shù)改良的直接結果，同時(shí)也是在很大程度上歸根于電氣系統技術(shù)進(jìn)步的結果。通過(guò)企業(yè)開(kāi)發(fā)和應用更強大、更復雜的設備，并通過(guò)設計向該設備供電的系統，實(shí)現了生產(chǎn)收益。近年來(lái)，煤礦井下電氣系統的電力需求急劇增加。以前，1500kVA的電力網(wǎng)絡(luò )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(chǎn)長(cháng)壁工作面的電力中心容量超過(guò)5000kVA。隨著(zhù)長(cháng)壁工作面長(cháng)度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣系統的技術(shù)限制在2個(gè)方面：自動(dòng)化和電力輸送。隨著(zhù)生產(chǎn)率的提高，工人們越來(lái)越難跟上機器的步伐，因而為電力監控系統開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化技術(shù)。盡管取得了重要進(jìn)展，但還需要進(jìn)行更多研究，本文針對煤礦電力監控系統繼續開(kāi)展技術(shù)討論。解決的電力監控問(wèn)題是：如何在沒(méi)有嚴重電壓調節問(wèn)題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經(jīng)濟地中斷較大的電力波動(dòng)，特別是在故障條件下的安全監控。本文中討論的許多創(chuàng )新成果為礦井電力監控系統研究提供了依據。

 

 

1.1設計目標

       煤礦綜合電力監控系統是在充分利用礦井外電力綜合自動(dòng)化技術(shù)的基礎上，專(zhuān)門(mén)對井下供電系統、電力保護裝置、調度自動(dòng)化等一體化進(jìn)行監測監控的電力自動(dòng)化平臺。該平臺可以集高低壓開(kāi)關(guān)在地、離地的保護、測量和控制于一體，實(shí)現地下變電站無(wú)人值守運行、整個(gè)礦山電力系統運行狀態(tài)的監控、運行參數超限報警、礦山調度系統的實(shí)施，實(shí)現

視頻圖像監控系統實(shí)現互聯(lián)。

 

1.2礦井電力供應簡(jiǎn)介

       我國大多數煤礦屬于井工開(kāi)采，煤礦供電系統從上到下依次為地面變電所、井下中央變電所、采區變電所以及移動(dòng)變電站。供電系統普遍采用的是多級短電纜組成的干線(xiàn)式電網(wǎng)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?！睹旱V安全規程》要求井下供電網(wǎng)絡(luò )采用雙回路供電方式，兩回路互為備用，即一回路電源或線(xiàn)路出現故障以后，通過(guò)調整高壓開(kāi)關(guān)，可以將另一路正常電源接過(guò)來(lái)，保證了負荷的持續供電。

 

 

2.1系統架構設計

       在回顧了過(guò)去和現有的煤礦電力供應技術(shù)之后，開(kāi)發(fā)并提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的監控系統。該系統以監控單元為主，如圖1所示。這兩個(gè)單元都由作為核心微控制器的LPC2148組成，屬于A(yíng)RM控制器類(lèi)型。通過(guò)以太網(wǎng)收發(fā)器相互通信，采礦裝置和監控裝置中使用的收發(fā)器屬于同一類(lèi)型。

圖1煤礦電力監控系統架構示意

 

       ARM控制器作為監控系統的核心單位，它采用STM32F103RAM32位處理器作為系統的主芯片，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(wǎng)突出的特點(diǎn)為煤礦配電系統網(wǎng)絡(luò )保護裝置提供了一種新的研究結構。

       在電力監控系統中集成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

       系統選用ARM7TDMI系列的微控制器，具有極低的功耗和價(jià)格并提供高性能的技術(shù)特點(diǎn)。ARM架構基于精簡(jiǎn)指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關(guān)解碼機制比微編程復雜指令集計算機(CISC)簡(jiǎn)單得多。這種簡(jiǎn)單性帶來(lái)了高指令吞吐量和實(shí)時(shí)中斷響應。

       ARM7TDMI處理器采用了架構策略(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(wèn)題的應用。ARM面對用戶(hù)串口如圖2所示。

 

 

圖2ARM面對用戶(hù)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(guò)片內引導加載軟件進(jìn)行系統內或應用程序內編程；④兩個(gè)10位模數轉換器總共提供14個(gè)模擬輸入，每個(gè)通道的轉換時(shí)間低至2．44s；⑤單個(gè)10位數模轉換器提供可變模擬輸出；⑥多個(gè)串行接口，包括兩個(gè)UART(16c550)、兩個(gè)快速I(mǎi)2C總線(xiàn)(400Kb／s)、具有緩沖和可變數據長(cháng)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(gè)小型LQFP64封裝中，最多可容納45個(gè)5V快速通用輸入／輸出引腳。

 

2.2.2元器件設計

       電力監控系統不僅需要對電力運行情況進(jìn)行監控，還需要對周?chē)h(huán)境的變化進(jìn)行感應，以便隨時(shí)做出針對于電力調節方面的變化，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(wǎng)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(gè)引腳，其中4個(gè)用于獲取信號，另外2個(gè)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(jìn)行連接F。

       在所提出的系統中，熱敏電阻用作溫度傳感器，被用來(lái)檢測非常小的溫度變化。溫度的變化通過(guò)器件電阻的明顯變化來(lái)反映。這里需要注意的是，NTC熱敏電阻在－50~150℃時(shí)的電阻分別為10、100kΩ。這意味著(zhù)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(zhù)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(wǎng)的適配

       以太網(wǎng)是由IEEE802.15.4個(gè)人區域網(wǎng)標準指

導的一種新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。它主要為廣泛的自動(dòng)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，在發(fā)達工業(yè)國家可以以250000B／s的數據速率工作，最高可達2400MHz，有效減小了外部信號干擾。

       以太網(wǎng)規范是射頻Lite和802．15．4規范的結合。該規范工作在2400MHz無(wú)線(xiàn)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(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò )較合適。以太網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)天線(xiàn)，工作頻率為2400MHz。從微控制器接收的數據根據以太網(wǎng)協(xié)議標準進(jìn)行組織，然后進(jìn)行調制。該規范支持300m范圍內高達250KB／s的數據傳輸速率。

       雖然以太網(wǎng)的技術(shù)比802．11b(11MB／s)和藍牙(1MB／s)慢，但功耗明顯更低[10]。系統使用一對以太網(wǎng)模塊，一個(gè)用于傳輸地下部分的數據，另一個(gè)用于接收地面或監控部分的數據，并且設置主站系統，如圖4所示。

 

 

圖4主站系統組成結構示意

 

       每當監控系統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(shí)，就會(huì )通過(guò)調制解調器發(fā)送消息。該故障通過(guò)液晶屏上的顯示來(lái)指示。該電力監測將有助于技術(shù)人員。

 

2.4軟件設計

       WinCC是一個(gè)基于窗口的軟件開(kāi)發(fā)平臺，它將強大的現代編輯器與軟件多個(gè)拓展工具相結合。它集成了開(kāi)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(jìn)制文件生成器。WinCC通過(guò)提供集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，幫助加快嵌入式應用的開(kāi)發(fā)過(guò)程。其中生成的KEIL可以用來(lái)創(chuàng )建源文件；采用易于使用的用戶(hù)界面設置的選項，完成自動(dòng)編譯、鏈接和轉換，最后在可以訪(fǎng)問(wèn)數據變量過(guò)程中和內存硬件上模擬或執行調試。WinCC大大簡(jiǎn)化了創(chuàng )建和測試嵌入式應用程序的過(guò)程。

        為了將應用程序下載到閃存中，這個(gè)WinCC實(shí)用工具平臺是必要的。用C語(yǔ)言生成的程序代碼經(jīng)過(guò)處理后生成十六進(jìn)制形式的目標代碼。它被稱(chēng)為十六進(jìn)制文件。為了將這個(gè)十六進(jìn)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(wù)是在名為FlashMagic的軟件的幫助下完成的，在程序內部通過(guò)RS-485總線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行數據的傳遞，主要針對于自檢模塊、故障模塊功能進(jìn)行加強，如圖5所示。

 

 

3.1接地故障保護

       電力監控系統在離線(xiàn)模式下，當電力負載關(guān)閉時(shí)，該系統持續監控電機繞組和電機啟動(dòng)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(dòng)器(0~1mA)來(lái)驅動(dòng)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(xiàn)接地故障，該裝

 

圖5系統主程序流程示意

 

置將鎖定電機電路。該系統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(xiàn)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(kāi)路時(shí)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中越來(lái)越常見(jiàn)。這種類(lèi)型的保護是通過(guò)潛在的繼電保護來(lái)實(shí)現的。

       高壓線(xiàn)路也利用電路需要中性接地電阻的過(guò)溫檢測。如果持續故障導致接地電阻發(fā)熱，該保護的目的是打開(kāi)輸入配電電纜的接地檢查先導電路。系統應在接地電阻溫升的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(chǎn)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。監控系統已經(jīng)接受了替代方法，如過(guò)載電流互感器，只要替代方法不需要控制電源運行，保障了監控系統在電力線(xiàn)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

       大多數煤礦企業(yè)認識到電網(wǎng)功率因數校正的經(jīng)濟效益。通過(guò)將平均月電網(wǎng)功率因數保持在1.0附近，可以顯著(zhù)節省電力成本。由于大多數煤礦電網(wǎng)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(guò)將電容器定位在盡可能靠近負載的位置來(lái)改善電壓調節控制系統并沒(méi)有充分發(fā)揮出性能。然而，在大容量長(cháng)壁開(kāi)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并減輕電機啟動(dòng)期間電網(wǎng)電壓下降的嚴重程度。

       目前，煤礦企業(yè)現在正在以電網(wǎng)電力控制中心為連續采礦區安裝電容器組。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(gè)電容器電路提供接地故障保護。電氣切換通常由技術(shù)人員執行真空接觸器和電流或無(wú)功檢測用于控制開(kāi)關(guān)點(diǎn)。通常提供足夠的時(shí)間延遲來(lái)防止過(guò)度切換。電抗器應與開(kāi)關(guān)電容器串聯(lián)，電容器應具有工廠(chǎng)接線(xiàn)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的方法是使用更高的分配電壓。過(guò)去，7.2kV是煤礦井下常見(jiàn)的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足對于今天的大容量長(cháng)壁工作面開(kāi)采。因此，在運用電力監控系統時(shí)，應當安裝一個(gè)單獨的13．8kV配電系統，專(zhuān)用于長(cháng)壁開(kāi)采系統及其相關(guān)的井上電氣設備。礦井的其余部分仍由7.2kV配電系統供電。另一種方案可以安裝標稱(chēng)電壓為14.4kV的配電系統，目的是在不超過(guò)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(wǎng)電壓并進(jìn)行功率因數校正，才能確保電力監控系統發(fā)揮較好的性能。

 

 

4.1試驗系統組成設計

       試驗系統構成如圖6所示。在10kV開(kāi)閉所接一面KYN28A-12(Z)高壓開(kāi)關(guān)K2，模擬10kV變電所Ⅱ段任一饋出高壓開(kāi)關(guān)K2，在該開(kāi)關(guān)柜安裝DMP5101終端1臺；再接4臺BGP9L(Y)高壓防爆開(kāi)關(guān)K3、K4、K5、K6，模擬井下兩級變電所的供電線(xiàn)路，每臺高壓防爆開(kāi)關(guān)內安裝1臺礦用保護器。五臺開(kāi)關(guān)之間一次側采用高壓橡套電纜連接，末端高壓防爆開(kāi)關(guān)負荷側接1根高壓橡套電纜。在K2與K3之間設置短路點(diǎn)D1、在K4與K5之間設置短路點(diǎn)D2、在K6負荷側電纜終端設置短路點(diǎn)D3。

4.2電力監控系統試驗運行

       點(diǎn)擊系統圖標進(jìn)入煤礦電力監控軟件，可以選擇查看地面或井下配電室監控畫(huà)面，同時(shí)點(diǎn)擊井下配電室系統中的變電所界面，查看井下1號變電所監控畫(huà)面。監控畫(huà)面中矩形

 

圖6試驗系統組成

 

形狀圖標代表斷路器，上下各配一刀閘表示斷路器小車(chē)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。系統另一個(gè)重要功能是對歷史數據的查詢(xún)，歷史數據曲線(xiàn)主要功能是將電流、電壓等數據以曲線(xiàn)的方式顯示，提供直觀(guān)的數據顯示、對比功能。

       歷史報警模塊對各類(lèi)報警信息以時(shí)間為次序，詳細羅列了報警的時(shí)間、編號、類(lèi)型、報警內容及持續時(shí)間，方便操作人員查詢(xún)及處理相關(guān)信息。

 

 

5.1概述

       針對用戶(hù)變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過(guò)微機保護裝置、開(kāi)關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、配電室環(huán)境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動(dòng)化的綜合監控系統，實(shí)現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶(hù)變電站、開(kāi)閉所、變電所及配電室等。

       Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動(dòng)化及無(wú)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控管理系統。該系統是應用電力自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò )化、單元化、組態(tài)化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶(hù)變電站，可實(shí)現對變電站的控制和管理，滿(mǎn)足變電站無(wú)人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經(jīng)濟運行提供了堅實(shí)的保障。

 

5.2應用場(chǎng)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(hù)端供配電自動(dòng)化系統工程設計、施工和運行維護。

 

5.3系統架構

       Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò )結構、光纖星型網(wǎng)絡(luò )結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構，根據用戶(hù)用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

 

5.4系統功能

       （1）實(shí)時(shí)監測：直觀(guān)顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

 

 

       （2）電參量查詢(xún)：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

 

       （3）曲線(xiàn)查詢(xún)：可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

 

       （4）運行報表：查詢(xún)各回路或設備時(shí)間的運行參數。

 

       （5）實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

 

       （6）歷史事件查詢(xún)：對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

 

       （7）電能統計報表：系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況。

 

       （8）用戶(hù)權限管理：設置了用戶(hù)權限管理功能，可以定義不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限。

 

       （9）網(wǎng)絡(luò )拓撲圖：支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

 

       （10）電能質(zhì)量監測：可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。

 

       （11）遙控功能：可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

 

       （12）故障錄波：可在系統發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準確地記錄故障前、后過(guò)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)穩態(tài)信息。

 

       （14）Web訪(fǎng)問(wèn)：展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)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(fǎng)問(wèn)：設備數據頁(yè)面顯示各設備的電參量數據以及曲線(xiàn)。

 

 

5.5系統硬件配置

 

       本文針對目前礦井電力系統發(fā)生的系列變化，設計了井下電力監測系統。該系統的主要特點(diǎn)：對存在塑殼斷路器的替代產(chǎn)品進(jìn)行了監控設計；改進(jìn)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；改善電壓調節的負載附近功率因數校正；增加可編程控制器在控制、監控和診斷應用中的使用。ARM和以太網(wǎng)技術(shù)為核心的煤礦井下監控系統提供低功耗平臺，證明了像ARM7這樣的控制器的更高級版本可以有更快的執行速度和極低的功耗。通過(guò)使用遠程操作，該系統可以更實(shí)時(shí)對電力系統運行情況進(jìn)行觀(guān)察，并且在工程現場(chǎng)驗證了該系統的安全性、可靠性、穩定性。

 

 

[1]王旭昭，侯磊，蘇龍．2011—2014年全國煤礦重特大事故統計分析與啟示[J]．中國公共安全(學(xué)術(shù)版)，2015(2)：26-29．

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[3]賈菲，李欣，馬春光．60kV變電站無(wú)人值班改造方案的探討[J]．企業(yè)科技與發(fā)展，2009(22)：137-139．

        [4]劉國林，苗滿(mǎn)文.煤礦井下供電過(guò)程電力監控系統應用研究.

        [5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2022.05版.