礦井單相漏電保護(hù)系統(tǒng)研制

閆志強(qiáng)

(西山煤電集團(tuán)有限公司，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)水平的不斷提高，各式各樣的新技術(shù)、新型機(jī)電設(shè)備不斷應(yīng)用到煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中，礦井機(jī)械化程度得到了大幅提高。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)涉及到大量的大型機(jī)電設(shè)備，這些機(jī)電設(shè)備大部分處于煤礦井下工作面生產(chǎn)應(yīng)用中，所處環(huán)境較為惡劣，受到大量粉塵影響以及采煤引起的沖擊地壓載荷等等影響，極易造成重大損失，因此，煤礦大型機(jī)電設(shè)備的安全可靠性是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的必要條件[1-2]。目前，各大礦井逐漸向“智慧礦山”轉(zhuǎn)型，煤礦通過(guò)無(wú)線電傳播技術(shù)與井下設(shè)備及工人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保井下工人及用電設(shè)備的安全生產(chǎn)[3]。

若井下帶單相接地設(shè)備發(fā)生故障，且較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致井下大面積停電，地面監(jiān)控中心與井下工人及設(shè)備失聯(lián)，甚至毀壞用電設(shè)備，給礦井帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。針對(duì)諸多煤企易發(fā)生的單相漏電及井上、井下通信問(wèn)題[6]，采用最小二乘法，設(shè)計(jì)了一種礦井單相漏電保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主控CPU為DSP系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)單相漏電后信息的采集和處理。然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊向云端平臺(tái)上傳故障信息，用作數(shù)據(jù)的處理及備份。最后，通過(guò)檢修工人對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定漏電檢修方案。

1 漏電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

此次礦井單相漏電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由問(wèn)題設(shè)備漏電終端選線、OneNet數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)和井上監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控三部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1。

圖1 礦井單相漏電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

由圖1可知，本系統(tǒng)主控CPU處理器為TMS320C6748DSP型號(hào)，基于最小二乘法進(jìn)行井下采集數(shù)據(jù)的處理，依據(jù)此算法得出的參數(shù)判別故障位置，并立即終斷漏電線路，解除故障。然后將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)代碼為ESP8266的無(wú)線WIFI網(wǎng)絡(luò)上傳至OneNet云平臺(tái)。云平臺(tái)可儲(chǔ)存處理后的數(shù)據(jù)，井上主控中心可通過(guò)電子設(shè)備登錄云平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。最后反饋給修理人員，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行檢修，確保可及時(shí)有效的恢復(fù)井下供電，并排除供電設(shè)備隱患。

1.2 漏電選線算法

基于最小二乘法算法設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)將采集到的零序電壓、電流離散化，以單相漏電數(shù)學(xué)模型進(jìn)行算法求解，確定對(duì)地絕緣電阻及對(duì)地分布電容序列，并求解其平均值。設(shè)定識(shí)別的對(duì)地參數(shù)為正時(shí)，代表支路正常；識(shí)別的對(duì)地參數(shù)為負(fù)時(shí)，代表支路漏電，以此來(lái)判定支路漏電與否。該選線算法適合于連續(xù)性選線，且電流信號(hào)為穩(wěn)態(tài)信號(hào)的情況，可靠性較高。

2 漏電保護(hù)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 漏電保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1) 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖2所示為零序電壓信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，電壓互感器選用 ZM-PT120/1V，通過(guò)濾除高次諧波，避免其對(duì)信號(hào)的擾亂。R10～R12與TL082的作用為保持電壓和隔離信號(hào)的作用，D1和D2作用為限幅，以保護(hù)DSP運(yùn)行正常。

圖2 零序電壓信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖3所示為零序電流信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，采用HS10-10A-P電流互感器采集三相電流，相比零序電流互感器具有更高測(cè)量精度。 R1～R3的作用為轉(zhuǎn)變?nèi)嚯娏餍盘?hào)為電壓信號(hào)，TL082的作用為將所得的電壓信號(hào)進(jìn)行疊加計(jì)算后得出零序電流信號(hào)。

(2) 無(wú)線WiFi 網(wǎng)絡(luò)模塊外圍電路設(shè)計(jì)

圖4為WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊外圍電路設(shè)計(jì)圖，其主芯片使用被廣泛應(yīng)用的ESP8266芯片，主要通過(guò)UART 口與 DSP相連，不僅可以建立獨(dú)立服務(wù)器，還可以兼容外部設(shè)備的訪問(wèn)。TXD 與 RXD的作用是與 DSP 接收、發(fā)送端連接，實(shí)現(xiàn)ESP8266 模塊與 DSP 的互通。

圖3 零序電流信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖4 WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊外圍電路設(shè)計(jì)圖

2.2 漏電保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1) 井下漏電保護(hù)軟件設(shè)計(jì)。圖5為漏電終端選線程序流程圖，井下漏電保護(hù)軟件設(shè)計(jì)主要解決的問(wèn)題是如何判斷供電設(shè)備發(fā)生單相漏電故障并選出漏電線路的主程序，該設(shè)計(jì)通過(guò)上述漏電保護(hù)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)最小二乘法的算法計(jì)算可實(shí)現(xiàn)。

圖5 漏電終端選線程序流程圖

采集井下電氣設(shè)備的電壓、電流信號(hào)通過(guò)零序電壓信號(hào)調(diào)理電路和零序電流信號(hào)調(diào)理電路的處理后，轉(zhuǎn)換為0～3 V程序可識(shí)別的模擬量，再通過(guò)式(1)A/D 轉(zhuǎn)碼運(yùn)算后，得出修理工人可以識(shí)別的數(shù)字量：

(1)

(2) 無(wú)線WiFi 網(wǎng)絡(luò)模塊與云平臺(tái)OneNet通信設(shè)計(jì)。無(wú)線WiFi 網(wǎng)絡(luò)模塊與云平臺(tái)OneNet之間的通信交流主要通過(guò) HTTP 協(xié)議和EDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。EDP 協(xié)議是一種支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳的長(zhǎng)鏈接協(xié)議，HTTP 協(xié)議可以組成API通信，實(shí)現(xiàn)雙向通信的通信方式，不僅可以將采集的信息上傳，而且可以下達(dá)下一步的命令。 ESP8266 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)AT 指令作為其程序指令，編寫代碼時(shí)需在命令代碼尾部加上“ ”，才能有效執(zhí)行該命令。

(3) 井上監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)。OneNet云平臺(tái)是中國(guó)移動(dòng)建立的一種具有開放性的物聯(lián)網(wǎng)自主開發(fā)性平臺(tái)，可在不同行業(yè)中運(yùn)用。當(dāng)今我國(guó)煤炭發(fā)展趨勢(shì)，是在全礦井建立物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高精度、低勞動(dòng)密度的網(wǎng)絡(luò)化管理，將物聯(lián)網(wǎng)引入煤炭行業(yè)，可實(shí)現(xiàn)本次礦井單向漏電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通訊設(shè)備可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)將井下采集接收及處理的數(shù)據(jù)上傳至OneNet云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及利用。OneNet云平臺(tái)支持三種通信手段，分別為：WiFi 無(wú)線通信方式、以特網(wǎng)通信方式和2.5G無(wú)線服務(wù)技術(shù)。井上監(jiān)控中心可以使用平板、電腦和手機(jī)注冊(cè)并登陸OneNet云平臺(tái)，讀取已被存儲(chǔ)的有用數(shù)據(jù)，及時(shí)切斷問(wèn)題電路，并尋找專業(yè)檢修人員對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行檢修等工作。同時(shí)，可以設(shè)計(jì)監(jiān)控程序，對(duì)井下用電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)井上監(jiān)控中心對(duì)井下用電線路使用狀況的掌握。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦中的推廣，利用無(wú)線WIFI網(wǎng)絡(luò)模塊與OneNet開放云平臺(tái)相結(jié)合的技術(shù)，應(yīng)用于井下漏電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)中，將是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

3 實(shí)踐效果

將本次研發(fā)的礦井單相漏電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于西山煤電下屬礦井，得到了良好的應(yīng)用效果。不僅實(shí)現(xiàn)了井下電路的實(shí)時(shí)監(jiān)管，將監(jiān)控得到的電路信息，分類匯總到云平臺(tái)，供工作人員的參考、查詢，而且若井下電路發(fā)生異常時(shí)，礦方可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程切斷電路，及時(shí)解決井下電路問(wèn)題。礦井自使用該系統(tǒng)以來(lái)，未發(fā)生單相漏電事故，極大的保障了井下電路的安全作業(yè)，給礦方間接帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦企業(yè)易發(fā)生的單相漏電等問(wèn)題，采用最小二乘法，設(shè)計(jì)了一種礦井單相漏電保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)井下用電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)井上監(jiān)控中心對(duì)井下用電線路使用狀況的掌握。并且，井上監(jiān)控中心的工作人員可以通過(guò)OneNet云平臺(tái)，讀取已被存儲(chǔ)的電路數(shù)據(jù)，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。自西山煤電下屬礦井應(yīng)用該系統(tǒng)以來(lái)，未發(fā)生單相漏電事故，極大的保障了井下電路的安全作業(yè)。