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(jìn)行控制、監(jiān)控和診斷應(yīng)用，使用內(nèi)置測(cè)試電路改進(jìn)繼電保護(hù)，在負(fù)載附近進(jìn)行功率因數(shù)校正，以改進(jìn)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(cè)系統(tǒng)主要目的是改善動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(cè)試應(yīng)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(shí)也是在很大程度上歸根于電氣系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。通過企業(yè)開發(fā)和應(yīng)用更強(qiáng)大、更復(fù)雜的設(shè)備，并通過設(shè)計(jì)向該設(shè)備供電的系統(tǒng)，實(shí)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(luò)通常被認(rèn)為是井下應(yīng)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(gè)方面：自動(dòng)化和電力輸送。隨著生產(chǎn)率的提高，工人們?cè)絹碓诫y跟上機(jī)器的步伐，因而為電力監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了自動(dòng)化技術(shù)。盡管取得了重要進(jìn)展，但還需要進(jìn)行更多研究，本文針對(duì)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(yán)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(jì)地中斷較大的電力波動(dòng)，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(yīng)用目標(biāo)

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，專門對(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(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(fù)荷的持續(xù)供電。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

       在回顧了過去和現(xiàn)有的煤礦電力供應(yīng)技術(shù)之后，開發(fā)并提出了一個(gè)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(gè)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(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)醯取５窃搨鞲衅鞯募铀俣刃。瑸?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)簡單得多。這種簡單性帶來了高指令吞吐量和實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)。

       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(yīng)用，或者代碼密度存在問題的應(yīng)用。ARM面對(duì)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(gè)人區(qū)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)指

導(dǎo)的一種新的無線技術(shù)。它主要為廣泛的自動(dòng)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(dá)工業(yè)國家可以以250000B／s的大數(shù)據(jù)速率工作，高可達(dá)2400MHz，有效減小了外部信號(hào)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(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。

    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(shì)并不那么重要。在一些大容量系統(tǒng)中，需要在電機(jī)負(fù)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(jī)啟動(dòng)期間電網(wǎng)電壓下降的嚴(yán)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(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功檢測(cè)用于控制開關(guān)點(diǎn)。通常提供足夠的時(shí)間延遲來防止過度切換。電抗器應(yīng)與開關(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。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(duì)于今天的大容量長壁工作面開采。因此，在運(yùn)用電力監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)安裝一個(gè)單獨(dú)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(biāo)稱電壓為14.4kV的配電系統(tǒng)，目的是在不超過15kV絕緣等級(jí)的情況下獲得高的配電電壓。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.安科瑞電力監(jiān)控解決方案

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)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(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：展示頁面顯示變電站數(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：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(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。

參考文獻(xiàn)

[1]王旭昭，侯磊，蘇龍．2011—2014年全國煤礦重特大事故統(tǒng)計(jì)分析與啟示[J]．中國公共安全(學(xué)術(shù)版)，2015(2)：26-29．

[2]黃振球．淺談變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用中若干問題及處理辦法[J]．廣東技術(shù)，2008(18)：167-168．

[3]賈菲，李欣，馬春光．60kV變電站無人值班改造方案的探討[J]．企業(yè)科技與發(fā)展，2009(22)：137-139．

[4]劉國林，苗滿文.煤礦井下供電過程電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究.

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2022.05版.

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)。