煤礦地面35 kV 變電所故障監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

譚建梅

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)臨汾有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤礦開采過程中，需要用到大量的電力能源，如礦井的提升系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、采掘系統(tǒng)與排水系統(tǒng)等所需的動力都來自煤礦供電網(wǎng)絡(luò)[1]。其中地面變電所為一級供電設(shè)施，向礦井主提升機(jī)與主通風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵性機(jī)電設(shè)備直接供電，并向井下移動變電站、采掘設(shè)備等間接供電，所以地面變電所供電的安全性與可靠性將直接影響整個煤礦的供電網(wǎng)絡(luò)[2-3]。目前仍有很多煤礦對地面變電所采用人工巡檢或其他低效的監(jiān)控方案，無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測功能，對煤礦的生產(chǎn)安全有著巨大隱患[4]。本文針對煤礦35 kV 地面變電所設(shè)計了一種故障監(jiān)控系統(tǒng)，為變電所的安全運(yùn)行與及時維修提供了數(shù)據(jù)保障與理論支持。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的方案分析與設(shè)計

1.1 變電所工作環(huán)境與設(shè)備分析

煤礦地面變電所一般設(shè)置于距離礦井1～3 km處，變電所中安裝有各種一次電氣設(shè)備，負(fù)責(zé)輸電與配電任務(wù)，如變壓器、隔離開關(guān)、電纜設(shè)備與斷路器等，這些設(shè)備之間相互連接所構(gòu)成回路稱為一次回路[5]。二次電氣設(shè)備負(fù)責(zé)對一次電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與保護(hù)，向維修調(diào)度人員提供信號數(shù)據(jù)，二次電氣設(shè)備所構(gòu)成的回路稱為二次回路。監(jiān)控系統(tǒng)主要對變電所附近的環(huán)境與設(shè)備工況進(jìn)行監(jiān)測，其中監(jiān)測的環(huán)境主要為站內(nèi)的溫濕度、有害氣體濃度等，系統(tǒng)還需對變電所內(nèi)的變壓器、無功補(bǔ)償裝置與低壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)國家發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《變壓器》中規(guī)定，變壓器運(yùn)行溫度最高不超過40 ℃，平均溫度不超過30 ℃，當(dāng)超過闕值時，應(yīng)及時派遣人員維修。無功補(bǔ)償裝置與低壓開關(guān)柜的工作溫度范圍為-5～+40 ℃，濕度范圍≤80%，當(dāng)超過闕值時，控制排風(fēng)設(shè)備通風(fēng)完成溫濕度的調(diào)節(jié)[6-7]。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計與分析

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖1 所示，系統(tǒng)由上位機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)控單元與變電所信號采集模塊組成。監(jiān)控單元由處理器及其外圍電路、電源模塊、存儲模塊、人機(jī)交互模塊等組成，主要負(fù)責(zé)采集信號的處理分析與故障診斷。信號采集模塊分為變電所站內(nèi)環(huán)境參數(shù)測量與各電氣設(shè)備內(nèi)運(yùn)行參數(shù)測量，其中站內(nèi)環(huán)境測量參數(shù)主要為溫度與濕度參數(shù)。無功補(bǔ)償裝置與低壓開關(guān)柜的測量參數(shù)都為溫濕度與風(fēng)速，變壓器測量參數(shù)除溫濕度外，還需對其工作的電壓與電流信號進(jìn)行檢測。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：信號采集處理功能、故障診斷與預(yù)警功能、通訊功能、數(shù)據(jù)存儲功能、用戶登陸管理功能與顯示打印功能。信號采集處理功能，實(shí)時對變電所的環(huán)境與設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行采集，通過核心處理器對數(shù)據(jù)分析與計算。故障診斷與預(yù)警功能，當(dāng)檢測到有故障發(fā)生時，報警器音響發(fā)出響動，同時上位機(jī)監(jiān)控界面顯示紅色報警內(nèi)容；當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常，并與設(shè)定參數(shù)差值在一定范圍時，系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示黃色預(yù)警內(nèi)容，為設(shè)備調(diào)修工作提供參考數(shù)據(jù)。通訊功能、監(jiān)控單元與上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，變電所采集單元與監(jiān)控單元之間采用RS485 串口通信。數(shù)據(jù)存儲功能，系統(tǒng)可存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、趨勢、故障類型與時間等。用戶登錄管理功能，系統(tǒng)通過用戶口令設(shè)置不同管理權(quán)限，工作人員在其授權(quán)范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行操作。顯示與打印功能，可將數(shù)據(jù)以簡易的圖形表示出來，如動畫、趨勢圖與曲線圖等，并支持打印。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備選型設(shè)計

2.1 核心處理器

對比市面上常見的處理器，綜合考慮監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求與計算能力，本文選用ARM 系列S3C2440AL 芯片作為系統(tǒng)核心處理器。S3C2440AL處理器是一款高性能的32 位處理器，主頻范圍為400～533 MHz，片內(nèi)閃存2 MB，片外閃存64 MB，具有4 通道PWM 定時器與1 通道看門狗定時器，基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信號傳輸，具有較好的擴(kuò)展性，滿足系統(tǒng)監(jiān)控需求[8]。

2.2 傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器選型

根據(jù)上文介紹，本系統(tǒng)所需監(jiān)測參數(shù)類型主要分為四種，溫度、濕度、風(fēng)速與電參數(shù)。溫度傳感器選用pt100 鉑電阻傳感器，傳感器采用熱敏電阻材料，在0 ℃時電阻值為100 Ω，在100 ℃時電阻值為138.5 Ω，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，測量材料的電阻值即可得到環(huán)境溫度，測溫范圍為-200～800 ℃，精確度達(dá)±0.03 ℃。濕度傳感器采用SHT85 傳感器，可測濕度范圍為0～100%，精度為±1.5%。風(fēng)速傳感器選用FRWS 傳感器，由三杯風(fēng)感應(yīng)元件組成，可測量0～70 m/s 范圍內(nèi)的風(fēng)速，測量分辨率＜0.1 m/s。電參數(shù)傳感器選用霍爾傳感器，可精確采集變壓器內(nèi)的電流信號與電壓信號，霍爾傳感器具有尺寸小、線性度高、動態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，可測試的頻率范圍高，測量精度達(dá)1%。

模數(shù)傳感器可將模擬信號處理為數(shù)字信號，方便計算機(jī)分析計算。本文選用SAR 型A/D 轉(zhuǎn)換器，由寄存器、比較器與控制電路組成，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1 Mb/s，功耗較低，不會占用很多系統(tǒng)資源，滿足系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換需求。

3 系統(tǒng)通信模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的監(jiān)控單元與上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，變電所采集單元與監(jiān)控單元之間采用RS485 串口通信，其中系統(tǒng)RS485 串口通信電路如圖2 所示。RS485 串口通信誕生于RS232 之后，針對RS232 傳輸距離與傳輸速率有限，電源電壓值過高，無法多機(jī)聯(lián)機(jī)等缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，最大傳輸距離可達(dá)1 200 m，傳輸速率達(dá)10 Mb/s。本文選用的轉(zhuǎn)換芯片為MAX485，電源引腳接入5V 電壓，RO 與DI 引腳接入ARM處理器RXD 與TXD，A 與B 引腳直接并聯(lián)一個R1 電阻，阻值范圍為100～1 000 Ω，以提高電路的抗干擾性。

圖2 系統(tǒng)串口通信電路

在對CAN 總線、以太網(wǎng)技術(shù)與Profibus 網(wǎng)絡(luò)對比分析后，本文選用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的信息交換。以太網(wǎng)采用媒體訪問機(jī)制，工作站可隨時對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，傳輸速率達(dá)10 Mb/s，具有實(shí)時性好、可靠性高與兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)。ARM處理器內(nèi)部嵌入有以太網(wǎng)控制器，本系統(tǒng)利用RTL8019AS 提供物理接口與媒體訪問服務(wù)。芯片在接收到主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)上添加以太網(wǎng)幀頭，生成校驗(yàn)碼后傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)中，當(dāng)從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)時，先對數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)幀頭進(jìn)行解碼、校驗(yàn)后存儲于片內(nèi)閃存。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的一種變電所故障監(jiān)控系統(tǒng)，利用串口通信技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變電所的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，方便技術(shù)人員與專家的遠(yuǎn)程針對與操作。系統(tǒng)為變電所的故障監(jiān)測與預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支持，可及時發(fā)現(xiàn)并維修損壞的電氣設(shè)備，保護(hù)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與安全。