淺談煤礦井下變電所高壓供電監控系統設計與應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:結合煤礦井下供電系統的特點，以6kV供電回路作為監控對象，設計了煤礦井下變電所高壓供電監測系統，可實現對高壓配電開關的電壓、電流、溫度的實時監控。

關鍵詞:供電系統；數據采集；監控系統

0引言

電力是煤礦井下重要的動力來源，由于井下工作環境惡劣，端線、擠壓短路、過負荷、漏電等故障時有發生，在這些故障發生之前，在高壓配電開關處往往會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。

本文設計的高壓供電監控系統可以將這些特征量實時上傳至井上監控中心，減少故障發生的概率，當故障發生時可快速定位，提高排除故障的工作效率，進而減少因電力系統的故障造成的財產損失。通過地面計算機的控制，可以實現對開關的分、合閘操作，提高供電系統管理的水平。供電監控系統和供電系統相對獨立，當監控系統出現故障時，不會對高壓供電系統產生影響，但可以實現對高壓供電系統的實時監測和控制。

1高壓供電監控系統結構設計

1.1結構設計

煤礦井下供電監控系統的結構圖如圖1所示，整個系統結構為DCS型(集散型)分布式計算機監控，分為地面監控站和井下監控站，兩者之間采用RS-485通信方式，各個井下變電站負責對本變電站監控信息的采集，采集的數據存放在井下變電站的控制器緩存區中，當地面變電站向井下變電站發出訪問指令時，各個井下變

圖1煤礦井下供電監控系統結構

電站發送自己緩沖區的所有數據，地面變電站可以將井下監測數據實時顯示在軟件監控界面，并可以根據情況向井下變電站發出分、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組網等方式，為了簡化供電監控系統的結構在地面計算機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，通過光電隔離技術增強信號的抗干擾性。數據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系統硬件設計

2.1主控芯片選型

系統選用MSP430F5438單片機，它是TI公司推出的一款具有256KiB存儲容量的嵌入式微控制器。它的特點是具有極低的功耗，只需2.2~3.6V的直流供電。在低功耗基礎上集成更加豐富的外設，即有3個16位定時器、1個高速12位模/數轉換器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看門狗定時器、Pl￣P10端口等，該芯片可以應用于模擬和數字傳感器系統,系統主要利用MSP430F5438，可以實現采煤機電氣控制器的主要功能，并可降低系統功耗。

2.2隔離型RS-485電路設計

在井下變電站和井上監控平臺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、浪涌電壓等對通信的干擾，在總線處采

圖2隔離型RS-485電路

取的保護措施如下:在VA、VB管腳上串接RT電阻。該電阻的阻值范圍是4~10Ω，VA、VB管腳對地接TVS管，也可以采取電阻和穩壓二極管串聯的方式進行連接。

2.3RS-232通信電路設計

在井下變電站和數據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，可以實現雙工異步通信，在接線中保留TXD、RXD、GND3條線。

在井下變電所的高壓供電監控系統中，利用MAX3232ESE實現TTL和RS-232之間的電平轉換，設計電路如圖3所示，其中RX1、TX1接單片機的串口，RX232￣1、TX232￣1分別數據采集器的RS-232專用串口，進行數據傳輸。同時，為了增加系統的擴展性，預留一路串口，方便以后硬件結構的升級。

圖3RS-232通信電路原理

2.4測溫電路設計

高壓配電開關的溫度測量傳感器選型為DS18b20芯片，實時采集開關低壓腔體內部的溫度，并將溫度信息實時上傳給井上監控中心。

DS18B20的溫度讀取主要通過對其DQ引腳讀、寫高低電平的時序來實現，為了增加DS18B20的驅動能力，在DS18B20的DQ引腳上增加一個上拉電阻，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，主要由初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備，而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數據接收。

圖4測溫電

3軟件設計

3.1測溫程序設計

3.1.1DS18B20暫存寄存器分布

DS18B20溫度傳感器采用單總線結構，通過對溫度傳感器的信號線的讀、寫操作，可以實現對溫度數據的讀取，DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節組成，其分配如表1所示。當溫度轉換命令發布后，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0個和第1個字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后，數據格式如表1所示。對應的溫度計算:當符號位S＝0時，直接將二進制位轉換為十進制;當S＝1時，先將補碼變為原碼，再計算十進制值。表1是對應的一部分溫度值。第九個字節是冗余檢驗字節。

表1DS18B20暫存寄存器分布

3.1.2測溫程序設計

在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發出溫度轉換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個DS1820接觸不良或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，msp430單片機的P6.2引腳與DS18B20的DQ引腳連接。

3.2上位機界面設計

煤礦井下高壓供電監控系統的上位機軟件采用VB程序進行編程，主要是基于可視化窗口的編碼器，利用C語言編程，并通過增加代碼的屬性來調用不同的組件，減少程序編寫的難度，*終可以生成.exe文件，方便軟件的安裝。

上位機軟件的主要作用是通過井上監控平臺，對煤礦井下高壓供電系統的配電開關狀態進行實時的顯示并存儲狀態信息，當系統出現故障時，方便歷史數據查詢、調用。對于井下高壓配電開關的操作功能主要包括:分閘、合閘、復位，在進行配電開關操作時，需要先輸入操作密碼，避免隨意操作造成事故。

井下高壓供電系統的監控界面如圖5所示，主要信息量包括井下各個變電所的不同位置的高壓配電開關的電壓、電流、溫度數據。具有歷史數據查詢的功能，在查詢功能中，可以選擇不同日期、不同時間、不同變電所、不同位置的配電開關，對某一時刻的信息進行查詢。

圖5井下高壓供電系統的監控界面

4安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

4.1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、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、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化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發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化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，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、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3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、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

4.4系統功能

（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監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：查詢各回路或設備某一時間的運行參數。

（5）實時告警：具有實時告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。

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

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

（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：支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

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

（11）遙控功能：可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統發生故障時，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態信息。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，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。

4.5系統硬件配置

5結論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為研究對象，設計煤礦井下變電所高壓供電監控系統。設計隔離性RS-485通信電路，實現井上PC到井下變電所的雙向通信，在數據采集器中，選擇主控芯片為超低功耗的MSP430單片機，進行電壓、電流、溫度數據的采集，在軟件設計中，詳細介紹了DS19B20測溫芯片的測溫流程、并利用VB軟件，對井上監控平臺的監控系統軟件進行設計，實現對煤礦井下高壓供電系統的實時監測和歷史數據查詢等功能。

參考文獻

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[2]劉洪.煤礦安全測試技術〔上冊〕[M].北京:煤炭工業出版社，1993:19￣25.

[3]李建偉.煤礦井下變電所高壓供電監控系統設計

[4]企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。