1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

       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(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，專(zhuān)門(mén)對(duì)井下供電系統(tǒng)、電力保護(hù)裝置、調(diào)度自動(dòng)化等一體化進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控的電力自動(dòng)化平臺(tái)。該平臺(tái)可以集高低壓開(kāi)關(guān)在地、離地的保護(hù)、測(cè)量和控制于一體，實(shí)現(xiàn)地下變電站無(wú)人值守運(yùn)行、整個(gè)礦山電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、運(yùn)行參數(shù)超限報(bào)警、礦山調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)

視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

 

1.2礦井電力供應(yīng)簡(jiǎn)介

       我國(guó)大多數(shù)煤礦屬于井工開(kāi)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(dòng)變電站。供電系統(tǒng)普遍采用的是多級(jí)短電纜組成的干線式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。煤礦高壓供電等級(jí)一般為6~10kV，低壓等級(jí)有3300V、1140V、660V、380V和220V。《煤礦安全規(guī)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，即一回路電源或線路出現(xiàn)故障以后，通過(guò)調(diào)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(fù)荷的持續(xù)供電。

 

 

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

       在回顧了過(guò)去和現(xiàn)有的煤礦電力供應(yīng)技術(shù)之后，開(kāi)發(fā)并提出了一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)單元都由作為核心微控制器的LPC2148組成，屬于ARM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(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)換器和640×480真彩色液晶顯示屏以及相應(yīng)的軟件。該裝置以O(shè)MAP平臺(tái)為核心作為保護(hù)，較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數(shù)字信號(hào)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置提供了一種新的研究結(jié)構(gòu)。

       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(xiàn)了一些弊端，如顯示值暴漲、激光功率變?nèi)醯?。但是該傳感器的加速度最小，?mm／s2，可用于微地震信號(hào)的測(cè)量和電力環(huán)境中的泄漏測(cè)量。

 

2.2硬件設(shè)計(jì)

 

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(jià)格并提供高性能的技術(shù)特點(diǎn)。ARM架構(gòu)基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理，指令集和相關(guān)解碼機(jī)制比微編程復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(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(yīng)。

       ARM7TDMI處理器采用了單獨(dú)的架構(gòu)策略(THUMB)，這使得它非常適合內(nèi)存受限的大容量應(yīng)用，或者代碼密度存在問(wèn)題的應(yīng)用。ARM面對(duì)用戶(hù)串口如圖2所示。

 

 

圖2ARM面對(duì)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(nèi)靜態(tài)RAM和512KB片內(nèi)閃存程序存儲(chǔ)器；③通過(guò)片內(nèi)引導(dǎo)加載軟件進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)或應(yīng)用程序內(nèi)編程；④兩個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器總共提供14個(gè)模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2．44s；⑤單個(gè)10位數(shù)模轉(zhuǎn)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(400Kb／s)、具有緩沖和可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度功能的SPI和SSP；⑦具有可配置優(yōu)先級(jí)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(shè)計(jì)

       電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要對(duì)電力運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，還需要對(duì)周?chē)h(huán)境的變化進(jìn)行感應(yīng)，以便隨時(shí)做出針對(duì)于電力調(diào)節(jié)方面的變化，因此，設(shè)計(jì)了氣敏、溫濕度傳感的元器件。為了檢測(cè)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。

 

 

 

圖3MQ-7氣體傳感器

       在所提出的系統(tǒng)中，熱敏電阻用作溫度傳感器，被用來(lái)檢測(cè)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200°C的溫度變化導(dǎo)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(wǎng)的適配

       以太網(wǎng)規(guī)范是射頻Lite和802．15．4規(guī)范的結(jié)合。該規(guī)范工作在2400MHz無(wú)線電頻段，與802.11b標(biāo)準(zhǔn)、藍(lán)牙、微波和一些其他設(shè)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(tái)電力設(shè)備[9]。收發(fā)模塊的范圍在井下可達(dá)300~700m，在室外可達(dá)1.0~1.5km。收發(fā)器具有片內(nèi)有線天線，工作頻率為2400MHz。從微控制器接收的數(shù)據(jù)根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組織，然后進(jìn)行調(diào)制。該規(guī)范支持300m范圍內(nèi)高達(dá)250KB／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

       雖然以太網(wǎng)的技術(shù)比802．11b(11MB／s)和藍(lán)牙(1MB／s)慢，但功耗明顯更低[10]。系統(tǒng)使用一對(duì)以太網(wǎng)模塊，一個(gè)用于傳輸?shù)叵虏糠值臄?shù)據(jù)，另一個(gè)用于接收地面或監(jiān)控部分的數(shù)據(jù)，并且設(shè)置主站系統(tǒng)，如圖4所示。

 

 

圖4主站系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意

 

       每當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)授權(quán)人員想要知道參數(shù)的狀態(tài)，或者每當(dāng)參數(shù)值增加到閾值以上時(shí)，就會(huì)通過(guò)調(diào)制解調(diào)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(jiān)測(cè)將有助于技術(shù)人員。

 

2.4軟件設(shè)計(jì)

       WinCC是一個(gè)基于窗口的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它將強(qiáng)大的現(xiàn)代編輯器與軟件多個(gè)拓展工具相結(jié)合。它集成了開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)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(yīng)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(shè)置的選項(xiàng)，完成自動(dòng)編譯、鏈接和轉(zhuǎn)換，最后在可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)變量過(guò)程中和內(nèi)存硬件上模擬或執(zhí)行調(diào)試。WinCC大大簡(jiǎn)化了創(chuàng)建和測(cè)試嵌入式應(yīng)用程序的過(guò)程。

        為了將應(yīng)用程序下載到閃存中，這個(gè)WinCC實(shí)用工具平臺(tái)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(biāo)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(zhuǎn)儲(chǔ)到控制器的閃存中，該工具提供了Keil編譯版本。對(duì)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(nèi)部通過(guò)RS-485總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，主要針對(duì)于自檢模塊、故障模塊功能進(jìn)行加強(qiáng)，如圖5所示。

 

 

3.1接地故障保護(hù)

       電力監(jiān)控系統(tǒng)在離線模式下，當(dāng)電力負(fù)載關(guān)閉時(shí)，該系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控電機(jī)繞組和電機(jī)啟動(dòng)器互連電纜的絕緣水平。該裝置具有可調(diào)范圍平衡電平，并具有輸出計(jì)量驅(qū)動(dòng)器(0~1mA)來(lái)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程儀表或與ARM控制器接口。如果檢測(cè)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(jī)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(yù)測(cè)性維護(hù)。

       高壓線路利用電路需要后備接地故障保護(hù)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(hù)將使電源電路斷電，這種保護(hù)在低壓和中壓系統(tǒng)中越來(lái)越常見(jiàn)。這種類(lèi)型的保護(hù)是通過(guò)潛在的繼電保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

 

3.2功率因數(shù)校正和電壓調(diào)節(jié)

       大多數(shù)煤礦企業(yè)認(rèn)識(shí)到電網(wǎng)功率因數(shù)校正的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)將平均月電網(wǎng)功率因數(shù)保持在1.0附近，可以顯著節(jié)省電力成本。由于大多數(shù)煤礦電網(wǎng)的功率因數(shù)校正發(fā)生在井外，這當(dāng)然是放置電容器的方便位置，但它距離井下電機(jī)負(fù)載較遠(yuǎn)。因此，通過(guò)將電容器定位在盡可能靠近負(fù)載的位置來(lái)改善電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)并沒(méi)有充分發(fā)揮出性能。然而，在大容量長(zhǎng)壁開(kāi)采之前，這種功率因數(shù)校正優(yōu)勢(shì)并不那么重要。

       目前，煤礦企業(yè)現(xiàn)在正在以電網(wǎng)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(tái)上。采用這種布置，為每個(gè)電容器電路提供接地故障保護(hù)。電氣切換通常由技術(shù)人員執(zhí)行真空接觸器和電流或無(wú)功檢測(cè)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(yīng)與開(kāi)關(guān)電容器串聯(lián)，電容器應(yīng)具有工廠接線的保險(xiǎn)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(diào)節(jié)的方法是使用更高的分配電壓。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(biāo)稱(chēng)電壓為14.4kV的配電系統(tǒng)，目的是在不超過(guò)15kV絕緣等級(jí)的情況下獲得最高的配電電壓。只有搭載適應(yīng)的電網(wǎng)電壓并進(jìn)行功率因數(shù)校正，才能確保電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮較好的性能。

 

 

4.1試驗(yàn)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

       試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)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(tái)；再接4臺(tái)BGP9L(Y)高壓防爆開(kāi)關(guān)K3、K4、K5、K6，模擬井下兩級(jí)變電所的供電線路，每臺(tái)高壓防爆開(kāi)關(guān)內(nèi)安裝1臺(tái)礦用保護(hù)器。五臺(tái)開(kāi)關(guān)之間一次側(cè)采用高壓橡套電纜連接，末端高壓防爆開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)接1根高壓橡套電纜。在K2與K3之間設(shè)置短路點(diǎn)D1、在K4與K5之間設(shè)置短路點(diǎn)D2、在K6負(fù)荷側(cè)電纜終端設(shè)置短路點(diǎn)D3。

4.2電力監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行

       點(diǎn)擊系統(tǒng)圖標(biāo)進(jìn)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(huà)面，同時(shí)點(diǎn)擊井下配電室系統(tǒng)中的變電所界面，查看井下1號(hào)變電所監(jiān)控畫(huà)面。監(jiān)控畫(huà)面中矩形

 

圖6試驗(yàn)系統(tǒng)組成

 

形狀圖標(biāo)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(dāng)前的運(yùn)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(gè)重要功能是對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)，歷史數(shù)據(jù)曲線主要功能是將電流、電壓等數(shù)據(jù)以曲線的方式顯示，提供直觀的數(shù)據(jù)顯示、對(duì)比功能。

       歷史報(bào)警模塊對(duì)各類(lèi)報(bào)警信息以時(shí)間為次序，詳細(xì)羅列了報(bào)警的時(shí)間、編號(hào)、類(lèi)型、報(bào)警內(nèi)容及持續(xù)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(duì)用戶(hù)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(kāi)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(hù)變電站、開(kāi)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(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(hù)變電站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

 

5.2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(hù)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)。

 

5.3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(hù)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。

 

5.4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(xún)：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(xún)：可以直接查看各電參量曲線。

 

       （4）運(yùn)行報(bào)表：查詢(xún)各回路或設(shè)備特定時(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(xún)：對(duì)事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)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(hù)可以自由查詢(xún)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(hù)權(quán)限管理：設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能，可以定義不同級(jí)別用戶(hù)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。

 

 

5.5系統(tǒng)硬件配置

 

       本文針對(duì)目前礦井電力系統(tǒng)發(fā)生的系列變化，設(shè)計(jì)了井下電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：對(duì)存在塑殼斷路器的替代產(chǎn)品進(jìn)行了監(jiān)控設(shè)計(jì)；改進(jìn)了接地故障保護(hù)；測(cè)試模式、障礙和內(nèi)置測(cè)試電路的接地保護(hù)有變化；改善電壓調(diào)節(jié)的負(fù)載附近功率因數(shù)校正；增加可編程控制器在控制、監(jiān)控和診斷應(yīng)用中的使用。ARM和以太網(wǎng)技術(shù)為核心的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)提供低功耗平臺(tái)，證明了像ARM7這樣的控制器的更高級(jí)版本可以有更快的執(zhí)行速度和極低的功耗。通過(guò)使用遠(yuǎn)程操作，該系統(tǒng)可以更實(shí)時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，并且在工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。