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發生了各種各樣的創新和變化。部分礦井使用更高的功率和配電電壓較高的電氣開關設備，通常使用可編程邏輯控制器(PLC)進行控制、監控和診斷應用，使用內置測試電路改進繼電保護，在負載附近進行功率因數校正，以改進電壓調節以及修改電力系統部件布置。電力監控系統是由于工作面設備(尤其是長壁設備)的功率需求顯著增加所需要的。監測系統主要目的是改善動力系統的運行特性，提高了礦井生產安全性。介紹了利用ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監控系統，并對系統進行測試分析，表明了系統穩定可靠且安全性較高。

關鍵詞：煤礦；供電系統；監控系統；ARM技術；測試應用

0 引言

       在過去幾十年里，煤炭生產成本繼續下降，這些收益是技術改良的直接結果，同時也是在很大程度上歸根于電氣系統技術進步的結果。通過企業開發和應用更強大、更復雜的設備，并通過設計向該設備供電的系統，實現了生產收益。近年來，煤礦井下電氣系統的電力需求急劇增加。以前，1500kVA的電力網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。目前電氣系統的技術限制在2個方面：自動化和電力輸送。隨著生產率的提高，工人們越來越難跟上機器的步伐，因而為電力監控系統開發了自動化技術。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控系統繼續開展技術討論。解決的電力監控問題是：如何在沒有嚴重電壓調節問題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經濟地中斷較大的電力波動，特別是在故障條件下的安全監控。本文中討論的許多創新成果為礦井電力監控系統研究提供了依據。

1礦井電力監控系統應用目標

1.1設計目標

       煤礦綜合電力監控系統是在充分利用礦井外電力綜合自動化技術的基礎上，專門對井下供電系統、電力保護裝置、調度自動化等一體化進行監測監控的電力自動化平臺。該平臺可以集高低壓開關在地、離地的保護、測量和控制于一體，實現地下變電站無人值守運行、整個礦山電力系統運行狀態的監控、運行參數超限報警、礦山調度系統的實施，實現

視頻圖像監控系統實現互聯。

1.2礦井電力供應簡介

       我國大多數煤礦屬于井工開采，煤礦供電系統從上到下依次為地面變電所、井下中央變電所、采區變電所以及移動變電站。供電系統普遍采用的是多級短電纜組成的干線式電網結構。煤礦高壓供電等級一般為6~10kV，低壓等級有3300V、1140V、660V、380V和220V。《煤礦安全規程》要求井下供電網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故障以后，通過調整高壓開關，可以將另一路正常電源接過來，保證了負荷的持續供電。

2 監測系統的設計

2.1系統架構設計

       在回顧了過去和現有的煤礦電力供應技術之后，開發并提出了一個簡單的監控系統。該系統以監控單元為主，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。通過以太網收發器相互通信，采礦裝置和監控裝置中使用的收發器屬于同一類型。

       ARM控制器作為監控系統的核心單位，它采用STM32F103RAM32位處理器作為系統的主芯片，配有24位模數轉換器和640×480真彩色液晶顯示屏以及相應的軟件。該裝置以OMAP平臺為核心作為保護，較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數字信號處理能力和高ARM926芯片的外圍集成，組網突出的特點為煤礦配電系統網絡保護裝置提供了一種新的研究結構。

       在電力監控系統中集成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了一些弊端，如顯示值暴漲、激光功率變弱等。但是該傳感器的加速度小，為1mm／s2，可用于微地震信號的測量和電力環境中的泄漏測量。

2.2硬件設計

2.2.1ARM微控制器選型

       系統選用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特點。ARM架構基于精簡指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關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策略(THUMB)，這使得它非常適合內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以太網的適配

       以太網是由IEEE802.15.4個人區域網標準指

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

       以太網規范是射頻Lite和802．15．4規范的結合。該規范工作在2400MHz無線電頻段，與802.11b標準、藍牙、微波和一些其他設備相同。因礦井工作環境惡劣，選用以太網作為通信網絡較合適。以太網絡可以連接255臺電力設備[9]。收發模塊的范圍在井下可達300~700m，在室外可達1.0~1.5km。收發器具有片內有線天線，工作頻率為2400MHz。從微控制器接收的數據根據以太網協議標準進行組織，然后進行調制。該規范支持300m范圍內高達250KB／s的數據傳輸速率。

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

       目前，煤礦企業現在正在以電網電力控制中心為連續采礦區安裝電容器組。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人員執行真空接觸器和電流或無功檢測用于控制開關點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應與開關電容器串聯，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節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，在運用電力監控系統時，應當安裝一個單獨的13．8kV配電系統，于長壁開采系統及其相關的井上電氣設備。礦井的其余部分仍由7.2kV配電系統供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為14.4kV的配電系統，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電壓并進行功率因數校正，才能確保電力監控系統發揮較好的性能。

4.安科瑞電力監控解決方案

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 結語

       本文針對目前礦井電力系統發生的系列變化，設計了井下電力監測系統。該系統的主要特點：對存在塑殼斷路器的替代產品進行了監控設計；改進了接地故障保護；測試模式、障礙和內置測試電路的接地保護有變化；改善電壓調節的負載附近功率因數校正；增加可編程控制器在控制、監控和診斷應用中的使用。ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監控系統提供低功耗平臺，證明了像ARM7這樣的控制器的更高級版本可以有更快的執行速度和極低的功耗。通過使用遠程操作，該系統可以更實時對電力系統運行情況進行觀察，并且在工程現場驗證了該系統的安全性、可靠性、穩定性。

參考文獻

[1]王旭昭，侯磊，蘇龍．2011—2014年全國煤礦重特大事故統計分析與啟示[J]．中國公共安全(學術版)，2015(2)：26-29．

[2]黃振球．淺談變電站自動化系統應用中若干問題及處理辦法[J]．廣東技術，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]．企業科技與發展，2009(22)：137-139．

[4]劉國林，苗滿文.煤礦井下供電過程電力監控系統應用研究.

[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2022.05版.

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