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(duì)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(duì)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)

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(duì)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(duì)獨(dú)立，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)對(duì)高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

3.1概述

針對(duì)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(duì)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(duì)變電站quan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。

3.2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)。

3.3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。

3.4系統(tǒng)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測；電參量查詢；曲線查詢；運(yùn)行報(bào)表；實(shí)時(shí)告警；歷史事件查詢；電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

用戶權(quán)限管理；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；電能質(zhì)量監(jiān)測；遙控功能；故障錄波；事故追憶；Web訪問；APP訪問

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為研究對(duì)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(duì)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(duì)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.