簡婷

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：目前煤礦井下電力系統(tǒng)發(fā)生了各種各樣的創(chuàng)新和變化。部分礦井使用更高的功率和配電電壓較高的電氣開關(guān)設(shè)備，通常使用可編程邏輯控制器(PLC)進行控制、監(jiān)控和診斷應用，使用內(nèi)置測試電路改進繼電保護，在負載附近進行功率因數(shù)校正，以改進電壓調(diào)節(jié)以及修改電力系統(tǒng)部件布置。電力監(jiān)控系統(tǒng)是由于工作面設(shè)備(尤其是長壁設(shè)備)的功率需求顯著增加所需要的。監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是改善動力系統(tǒng)的運行特性，提高了礦井生產(chǎn)安全性。介紹了利用ARM和以太網(wǎng)技術(shù)為核心的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行測試分析，表明了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且安全性較高。

關(guān)鍵詞：煤礦；供電系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；ARM技術(shù)；測試應用

0 引言

       在過去幾十年里，煤炭生產(chǎn)成本繼續(xù)下降，這些收益是技術(shù)改良的直接結(jié)果，同時也是在很大程度上歸根于電氣系統(tǒng)技術(shù)進步的結(jié)果。通過企業(yè)開發(fā)和應用更強大、更復雜的設(shè)備，并通過設(shè)計向該設(shè)備供電的系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)收益。近年來，煤礦井下電氣系統(tǒng)的電力需求急劇增加。以前，1500kVA的電力網(wǎng)絡通常被認為是井下應用的大型電力中心，主變電站大約由5000kVA的變壓器供電。如今，高產(chǎn)長壁工作面的電力中心容量超過5000kVA。隨著長壁工作面長度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣系統(tǒng)的技術(shù)限制在2個方面：自動化和電力輸送。隨著生產(chǎn)率的提高，工人們越來越難跟上機器的步伐，因而為電力監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了自動化技術(shù)。盡管取得了重要進展，但還需要進行更多研究，本文針對煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)繼續(xù)開展技術(shù)討論。解決的電力監(jiān)控問題是：如何在沒有嚴重電壓調(diào)節(jié)問題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經(jīng)濟地中斷較大的電力波動，特別是在故障條件下的安全監(jiān)控。本文中討論的許多創(chuàng)新成果為礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)研究提供了依據(jù)。

1礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)應用目標

1.1設(shè)計目標

       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化技術(shù)的基礎(chǔ)上，專門對井下供電系統(tǒng)、電力保護裝置、調(diào)度自動化等一體化進行監(jiān)測監(jiān)控的電力自動化平臺。該平臺可以集高低壓開關(guān)在地、離地的保護、測量和控制于一體，實現(xiàn)地下變電站無人值守運行、整個礦山電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、運行參數(shù)超限報警、礦山調(diào)度系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)

視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。

1.2礦井電力供應簡介

       我國大多數(shù)煤礦屬于井工開采，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)變電所以及移動變電站。供電系統(tǒng)普遍采用的是多級短電纜組成的干線式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。煤礦高壓供電等級一般為6~10kV，低壓等級有3300V、1140V、660V、380V和220V?！睹旱V安全規(guī)程》要求井下供電網(wǎng)絡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，通過調(diào)整高壓開關(guān)，可以將另一路正常電源接過來，保證了負荷的持續(xù)供電。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

       在回顧了過去和現(xiàn)有的煤礦電力供應技術(shù)之后，開發(fā)并提出了一個簡單的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以監(jiān)控單元為主，如圖1所示。這兩個單元都由作為核心微控制器的LPC2148組成，屬于ARM控制器類型。通過以太網(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)器屬于同一類型。

       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的軟件。該裝置以O(shè)MAP平臺為核心作為保護，較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數(shù)字信號處理能力和高ARM926芯片的外圍集成，組網(wǎng)突出的特點為煤礦配電系統(tǒng)網(wǎng)絡保護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小，?mm／s2，可用于微地震信號的測量和電力環(huán)境中的泄漏測量。

2.2硬件設(shè)計

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格并提供高性能的技術(shù)特點。ARM架構(gòu)基于精簡指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關(guān)解碼機制比微編程復雜指令集計算機(CISC)簡單得多。這種簡單性帶來了高指令吞吐量和實時中斷響應。

       ARM7TDMI處理器采用了的架構(gòu)策略(THUMB)，這使得它非常適合內(nèi)存受限的大容量應用，或者代碼密度存在問題的應用。ARM面對用戶串口如圖2所示。

2.3以太網(wǎng)的適配

       以太網(wǎng)是由IEEE802.15.4個人區(qū)域網(wǎng)標準指

導的一種新的無線技術(shù)。它主要為廣泛的自動化應用而設(shè)計。它目前以20000B／s的數(shù)據(jù)速率工作，占據(jù)在868MHz頻段，在全球發(fā)達工業(yè)國家可以以250000B／s的大數(shù)據(jù)速率工作，高可達2400MHz，有效減小了外部信號干擾。

       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無線電頻段，與802.11b標準、藍牙、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)絡較合適。以太網(wǎng)絡可以連接255臺電力設(shè)備[9]。收發(fā)模塊的范圍在井下可達300~700m，在室外可達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)議標準進行組織，然后進行調(diào)制。該規(guī)范支持300m范圍內(nèi)高達250KB／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

    制系統(tǒng)并沒有充分發(fā)揮出性能。然而，在大容量長壁開采之前，這種功率因數(shù)校正優(yōu)勢并不那么重要。在一些大容量系統(tǒng)中，需要在電機負載附近放置功率因數(shù)校正的電容，以提供足夠的電壓調(diào)節(jié)并減輕電機啟動期間電網(wǎng)電壓下降的嚴重程度。

       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上。采用這種布置，為每個電容器電路提供接地故障保護。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功檢測用于控制開關(guān)點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應與開關(guān)電容器串聯(lián)，電容器應具有工廠接線的保險絲、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。過去，7.2kV是煤礦井下常見的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經(jīng)無法滿足對于今天的大容量長壁工作面開采。因此，在運用電力監(jiān)控系統(tǒng)時，應當安裝一個單獨的13．8kV配電系統(tǒng)，于長壁開采系統(tǒng)及其相關(guān)的井上電氣設(shè)備。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稱電壓為14.4kV的配電系統(tǒng)，目的是在不超過15kV絕緣等級的情況下獲得高的配電電壓。只有搭載適應的電網(wǎng)電壓并進行功率因數(shù)校正，才能確保電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮較好的性能。

4.安科瑞電力監(jiān)控解決方案

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(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)是應用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、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(yè)，建筑，學校，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、施工和運行維護。

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)絡通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結(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。

       （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(shè)備時間的運行參數(shù)。

       （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，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

       （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。

       （9）網(wǎng)絡拓撲圖：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)絡結(jié)構(gòu)。

       （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行持續(xù)性的監(jiān)測。

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

       （12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)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(wěn)態(tài)信息。

       （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。

       （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。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5 結(jié)語

       本文針對目前礦井電力系統(tǒng)發(fā)生的系列變化，設(shè)計了井下電力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點：對存在塑殼斷路器的替代產(chǎn)品進行了監(jiān)控設(shè)計；改進了接地故障保護；測試模式、障礙和內(nèi)置測試電路的接地保護有變化；改善電壓調(diào)節(jié)的負載附近功率因數(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，證明了像ARM7這樣的控制器的更高級版本可以有更快的執(zhí)行速度和極低的功耗。通過使用遠程操作，該系統(tǒng)可以更實時對電力系統(tǒng)運行情況進行觀察，并且在工程現(xiàn)場驗證了該系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

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作者簡介：簡婷，女，本科，現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向電力監(jiān)控系統(tǒng)。