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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)計與應(yīng)用

更新時間：2023-08-28

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吳柯霓

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，以6kV供電回路作為監(jiān)控對象，設(shè)計了煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對高壓配電開關(guān)的電壓、電流、溫度的實時監(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)計的高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)可以將這些特征量實時上傳至井上監(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)的故障造成的財產(chǎn)損失。通過地面計算機(jī)的控制，可以實現(xiàn)對開關(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)相對獨(dú)立，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不會對高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但可以實現(xiàn)對高壓供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制。

1 高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為DCS型(集散型)分布式計算機(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，各個井下變電站負(fù)責(zé)對本變電站監(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，各個井下變

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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)實時顯示在軟件監(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

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(chǔ)上集成更加豐富的外設(shè)，即有3個16位定時器、1個高速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

在井下變電站和井上監(jiān)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(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、浪涌電壓等對通信的干擾，在總線處采

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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。

2.3 RS-232通信電路設(shè)計

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實現(xiàn)TTL和RS-232之間的電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計電路如圖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，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。

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圖3 RS-232通信電路原理

2.4 測溫電路設(shè)計

高壓配電開關(guān)的溫度測量傳感器選型為DS18b20芯片，實時采集開關(guān)低壓腔體內(nèi)部的溫度，并將溫度信息實時上傳給井上監(jiān)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(xiàn)，為了增加DS18B20的驅(qū)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(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)主動啟動寫時序開始，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)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。

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圖4 測溫電

3 軟件設(shè)計

3.1 測溫程序設(shè)計

3.1.1 DS18B20暫存寄存器分布

DS18B20溫度傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，通過對溫度傳感器的信號線的讀、寫操作，可以實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的讀取，DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節(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器的第0個和第1個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計算:當(dāng)符號位S＝0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)S＝1時，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。表1是對應(yīng)的一部分溫度值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。

表1 DS18B20暫存寄存器分布

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3.1.2 測溫程序設(shè)計

在DS1820測溫程序設(shè)計中，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，一旦某個DS1820接觸不良或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，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

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語言編程，并通過增加代碼的屬性來調(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井上監(jiān)控平臺，對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的配電開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實時的顯示并存儲狀態(tài)信息，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，方便歷史數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用。對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，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、不同時間、不同變電所、不同位置的配電開關(guān)，對某一時刻的信息進(jìn)行查詢。

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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

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(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)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(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)自動化及無人值守的要求，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(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動化技術(shù)、計算機(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及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)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(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅實的保障。

4.2 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化系統(tǒng)工程設(shè)計、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，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。

4.4 系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

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（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。

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（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

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（4）運(yùn)行報表：查詢各回路或設(shè)備對應(yīng)時間的運(yùn)行參數(shù)。

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（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

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

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

（8）用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

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（9）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：支持實時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

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（10）電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個配電系統(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。

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（11）遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

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（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

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（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(wěn)態(tài)信息。

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（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

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（15）APP訪問：設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

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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象，設(shè)計煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計隔離性RS-485通信電路，實現(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)計中，詳細(xì)介紹了DS19B20測溫芯片的測溫流程、并利用VB軟件，對井上監(jiān)控平臺的監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

參考文獻(xiàn)

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[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介

吳柯霓，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司