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淺談煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):595 更新時(shí)間:2023-08-22

韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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(cè)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)

0引言

電力是煤礦井下重要的動(dòng)力來(lái)源,由于井下工作環(huán)境惡劣,端線、擠壓短路、過(guò)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(guò)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(cè)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(wèn)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(cè)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(jiǎn)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(guò)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(chǎng)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(cè)溫電路設(shè)計(jì)

高壓配電開關(guān)的溫度測(cè)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(guò)對(duì)其DQ引腳讀、寫高低電平的時(shí)序來(lái)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(guò)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(guò)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(cè)溫電

3軟件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)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(guò)對(duì)溫度傳感器的信號(hào)線的讀、寫操作,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)溫程序設(shè)計(jì)

在DS1820測(cè)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(yǔ)言編程,并通過(guò)增加代碼的屬性來(lái)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(guò)井上監(jiān)控平臺(tái),對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)用戶變電站(一般為35kV及以下電壓等級(jí)),通過(guò)微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測(cè)控裝置、電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)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(wú)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(cè)、控制、通信、的控制和管理,滿足變電站無(wú)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(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(chǎng)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(cè):直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶對(duì)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(lái)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(cè):可以對(duì)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(cè)。


(11)遙控功能:可以對(duì)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(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(wěn)態(tài)信息。


(14)Web訪問(wèn):展示頁(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)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(wèn):設(shè)備數(shù)據(jù)頁(yè)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(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(cè)溫芯片的測(cè)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(cè)和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

參考文獻(xiàn)

[1]萬(wàn)長(zhǎng)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.

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[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(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

韓歡慶,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司


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