井下高壓開關(guān)柜運行監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：針對煤礦井下高壓開關(guān)柜人工巡檢存在間隔時間長、不能及時發(fā)現(xiàn)運行故障等問題，提出一種自動監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)采用無線射頻溫度傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)克服了高壓開關(guān)柜內(nèi)高電壓、強電磁環(huán)境中信號傳輸問題，并詳細(xì)對監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及現(xiàn)場應(yīng)用情況進行闡述。結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可對高壓開關(guān)柜24h不間斷監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果精度高，可在一定程度上提升高壓開關(guān)柜運行可靠性。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;無線監(jiān)測;溫度傳感器;ZigBee技術(shù)

高壓開關(guān)柜在使用過程中由于受到振動、溫度以及濕度等因素影響，在金屬表面、接觸面等位置經(jīng)常出現(xiàn)氧化、磨損等問題，從而增加高壓開關(guān)內(nèi)各接觸位置電阻值，引起設(shè)備運行溫度過高甚至出現(xiàn)電氣故障[1-3]。為了確保高壓開關(guān)柜運行可靠性，礦井一般安排專人值守或者定期巡檢，但高壓開關(guān)柜由于是封閉結(jié)構(gòu)、柜內(nèi)存在高壓電流，值守或巡檢人員難以及時發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)運行故障，為此亟需一種用以監(jiān)測高壓開關(guān)柜運行的監(jiān)控系統(tǒng)[6]。文中就基于ZigBee技術(shù)提出一種無線監(jiān)控系統(tǒng)，可有效監(jiān)測開關(guān)內(nèi)設(shè)備運行情況，從而提升高壓開關(guān)柜運行可靠性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具體提出的高壓開關(guān)柜運行監(jiān)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成包括有上位機、處理器單元、通信模塊以及傳感器模塊（溫度傳感器）等。監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時，傳感器模塊監(jiān)測獲取到高壓開關(guān)柜運行時的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)通信模塊（ZigBee網(wǎng)絡(luò)）將電信號傳輸至處理器單元;處理器單元將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過上位機現(xiàn)實監(jiān)控結(jié)果;同時上位機將數(shù)字信號存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過專業(yè)軟件監(jiān)控高壓開關(guān)柜運行情況，當(dāng)監(jiān)測值超過預(yù)先設(shè)定閾值后，上位機會發(fā)出預(yù)警信息，提醒作業(yè)人員及時處理[4-5]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)涉及到的硬件結(jié)構(gòu)包括有通信單元、存儲模塊、上位機、傳感器模塊、處理單元等。其中處理單元采用技術(shù)成熟、煤礦應(yīng)用較為廣泛的DSP微處理器、無線通信傳輸（ZigBee網(wǎng)絡(luò)）選用CC2530單元、傳感器模塊選用溫度監(jiān)測可靠、精度高的無線溫度傳感器。在監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中，DSP微處理器及電源技術(shù)均較為成熟，可直接應(yīng)用，制約監(jiān)控系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵在于無線通信傳輸以及傳感器模塊，下文就重點對上述兩部分進行設(shè)計。

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括有溫度傳感器以及無線射頻模塊。

2.1.1 溫度傳感器

高壓開關(guān)柜由于有高壓電流，因而會在密閉的狹小空間內(nèi)產(chǎn)生強電磁，并需要布置多個傳感器同時對A、B、C三相、刀閘開關(guān)、斷路器接頭以及母線等接觸點進行監(jiān)測，高壓開關(guān)柜內(nèi)布置的傳感器數(shù)量眾多、分散。單個高壓開關(guān)柜監(jiān)測結(jié)構(gòu)單元包括有多個溫度傳感器以及一個無線通信傳輸。經(jīng)過綜合分析并結(jié)合現(xiàn)有的溫度傳感器運行特點，最終選用DS18B20溫度傳感器對開關(guān)柜各接觸點進行監(jiān)測，具體該傳感器技術(shù)參數(shù)見表1。

2.1.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊選擇時需要充分考慮高壓開關(guān)柜內(nèi)空間狹小、高電壓、強電磁環(huán)境，同時應(yīng)滿足實現(xiàn)低能耗、小型化以及低成本要求。由德州儀器生產(chǎn)的基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的CC2530控制芯片具有成本低、可靠性強以及能耗低等優(yōu)點，可滿足復(fù)雜工業(yè)環(huán)境使用需要。為此，DS18B20溫度傳感器配合采用的無線射頻模塊為CC2530控制芯片。

2.2 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點主要用以接收高壓開關(guān)柜內(nèi)的各個無線溫度傳感器監(jiān)測溫度，并對監(jiān)測結(jié)果進行分析、處理，后經(jīng)RS485通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至DSP微處理器中的ARM處理芯片進行處理。芯片對信息進行處理后在顯示屏上顯示溫度監(jiān)測結(jié)果同時將處理結(jié)果經(jīng)過井下已有工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)線傳輸至地面監(jiān)控中心。當(dāng)DSP微處理器發(fā)現(xiàn)傳感器獲取到的溫度超過設(shè)定閾值后，會及時發(fā)出預(yù)警信息。

3 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)功能，需要對軟件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，具體設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)主程序運行流程見圖1。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)啟動運行后，首先進行初始化處理，隨后進行信道能量檢測。具體信道能量檢測流程為：系統(tǒng)向被檢測信道發(fā)出BEACON-REQ幀，若該信道發(fā)出有反饋信息則可判定該信號被占用，則系統(tǒng)會繼續(xù)掃描下一通道，直至搜索到一空通道。隨后控制系統(tǒng)主程序開始構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)并查找傳感器模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

主程序以N為周期（N為高壓開關(guān)柜內(nèi)布置的傳感器數(shù)量）并通過不斷掃描與不同傳感器構(gòu)建傳輸通道，接收傳感器監(jiān)測信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳感器監(jiān)測結(jié)果超過預(yù)先設(shè)定閾值后，便發(fā)出預(yù)警信息。為了確保高壓開關(guān)柜運行安全，監(jiān)控系統(tǒng)需要24h不間斷運行，當(dāng)需要檢修時可手動關(guān)閉。

4 系統(tǒng)運行效果分析

高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)無線傳輸采用兩級傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中在高壓開關(guān)柜內(nèi)布置的溫度傳感器、無線節(jié)點傳輸采用頻段2.4GHz的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可適應(yīng)高壓開關(guān)柜內(nèi)強電磁、高壓環(huán)境，確保溫度監(jiān)測結(jié)果可精準(zhǔn)傳輸;高壓開關(guān)柜外信息傳輸采用RS485總線，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。在井下高壓開關(guān)柜內(nèi)布置相應(yīng)監(jiān)控設(shè)備后，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試后監(jiān)控系統(tǒng)可平穩(wěn)運行。具體在系統(tǒng)運行6個月內(nèi)隨機獲取到的溫度監(jiān)測結(jié)果見表2所示。

從表中可看出，高壓開關(guān)柜監(jiān)控系統(tǒng)獲取到的各個接觸位置溫度信息與采用人工巡檢方式獲取到的溫度信息誤差在-1.15～1.28℃間，監(jiān)測結(jié)果接近，監(jiān)測精度滿足井下高壓開關(guān)柜。

5 總結(jié)

①文中提出一種煤礦井下高壓開關(guān)柜運行監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)通過采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效解決了高電壓、強電磁環(huán)境中信號傳輸問題，為井下高壓開關(guān)柜巡查提供一種切實可行技術(shù)方法。同時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可在一定程度上提升煤礦井下供電可靠性;②在礦井現(xiàn)場應(yīng)用后，監(jiān)控系統(tǒng)自動獲取到的監(jiān)測點溫度與人工巡檢方式獲取到的溫度信息誤差在-1.15～1.28℃間，監(jiān)測精度較高，可滿足現(xiàn)場使用需要。

參考文獻：

[1]丁惠忠.基于ZigBee的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報，2020，23（02）：1-5.

[2]馮亦佳，張治忠.10kV高壓開關(guān)柜電氣設(shè)備在線測溫系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（15）：179-180+182.

[3]陳路易.高壓開關(guān)柜故障檢測與預(yù)警系統(tǒng)研究[D].合肥：安徽理工大學(xué)，2019.

[4]王江偉.高壓開關(guān)柜運行環(huán)境及其局部放電綜合在線監(jiān)控系統(tǒng)的研制[D].北京：華北電力大學(xué)，2019.

[5]陳潤先.高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)控的運用[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報，2015，28（03）：190-191+194.

[6]馬文靜.封閉式高壓開關(guān)柜運行環(huán)境模糊監(jiān)控系統(tǒng)的探討[J].可編程控制器與工廠自動化，2006（10）：101-103.

作者簡介：

牛澤敏（1990- ），男，山西省靈石縣人，2011年7月畢業(yè)于大連交通大學(xué)，本科，助理工程師。