煤礦井下供電過(guò)程電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉國(guó)林，苗滿文

(河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670)

在過(guò)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(guò)企業(yè)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更強(qiáng)大、更復(fù)雜的設(shè)備，并通過(guò)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(lái)，煤礦井下電氣系統(tǒng)的電力需求急劇增加。以前，1 500 kVA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5 000 kVA的變壓器供電[1]。如今，高產(chǎn)長(zhǎng)壁工作面的電力中心容量超過(guò)5 000 kVA。隨著長(zhǎng)壁工作面長(zhǎng)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?lái)越難跟上機(jī)器的步伐，因而為電力監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)展技術(shù)討論。解決的電力監(jiān)控問(wèn)題是:如何在沒(méi)有嚴(yán)重電壓調(diào)節(jié)問(wèn)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(kāi)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(wú)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)真正的視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

1.2 礦井電力供應(yīng)簡(jiǎn)介

我國(guó)大多數(shù)煤礦屬于井工開(kāi)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 6～10 kV，低壓等級(jí)有 3 300 V、1 140 V、660 V、380 V 和 220 V?！睹旱V安全規(guī)程》要求井下供電網(wǎng)絡(luò)必須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(guò)調(diào)整高壓開(kāi)關(guān)，可以將另一路正常電源接過(guò)來(lái)，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(guò)去和現(xiàn)有的煤礦電力供應(yīng)技術(shù)之后，開(kāi)發(fā)并提出了一個(gè)簡(jiǎn)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[2]。通過(guò)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。

圖1 煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine power monitoring system architecture

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)[3]，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?。但是該傳感器的加速度最小，? mm/s2[4]，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)

2.2.1 ARM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(jiǎn)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(jiǎn)單得多。這種簡(jiǎn)單性帶來(lái)了高指令吞吐量和實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)。

ARM7TDMI處理器采用了獨(dú)特的架構(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(wèn)題的應(yīng)用。ARM面對(duì)用戶串口如圖2所示。

圖2 ARM面對(duì)用戶串口示意Fig.2 Schematic diagram of ARM facing user serial port

筆者使用LPC2148，具有如下特征[5]：①16/32位ARM7TDMI-S微控制器，采用小型LQFP64封裝；②40 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和512 KB片內(nèi)閃存程序存儲(chǔ)器；③通過(guò)片內(nèi)引導(dǎo)加載軟件進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)或應(yīng)用程序內(nèi)編程；④兩個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器總共提供14個(gè)模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44 s；⑤單個(gè)10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供可變模擬輸出；⑥多個(gè)串行接口，包括兩個(gè)UART(16c 550)、兩個(gè)快速I2C總線(400 Kb/s)、具有緩沖和可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度功能的SPI和SSP；⑦具有可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址的向量中斷控制器；⑧在一個(gè)小型LQFP64封裝中，最多可容納45個(gè)5 V快速通用輸入/輸出引腳。

2.2.2 元器件設(shè)計(jì)

電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要對(duì)電力運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，還需要對(duì)周圍環(huán)境的變化進(jìn)行感應(yīng)，以便隨時(shí)做出針對(duì)于電力調(diào)節(jié)方面的變化，因此，設(shè)計(jì)了氣敏、溫濕度傳感的元器件。為了檢測(cè)煤礦井下主要有毒氣體甲烷和一氧化碳，使用了MQ-7氣體傳感器[6]，如圖3所示。

圖3 MQ-7氣體傳感器Fig.3 MQ-7 gas sensor

傳感器由微型AL2O3陶瓷管、二氧化錫敏感層、測(cè)量電極和加熱器組成，固定在由塑料和不銹鋼網(wǎng)制成的外殼中。加熱器為敏感部件的工作提供必要的工作條件。封裝的MQ-7有6個(gè)引腳，其中4個(gè)用于獲取信號(hào)，另外2個(gè)用于提供電流。MQ-7傳感器與ARM7TDMI的P0接口進(jìn)行連接[7]。

在所提出的系統(tǒng)中，熱敏電阻用作溫度傳感器，被用來(lái)檢測(cè)非常小的溫度變化。溫度的變化通過(guò)器件電阻的明顯變化來(lái)反映。這里需要注意的是，NTC熱敏電阻在-50～150 ℃時(shí)的電阻分別為10、100 kΩ。這意味著200°C的溫度變化導(dǎo)致了100∶1的電阻變化。該傳感器連接到P1至LPC2148接口[8]。濕度傳感器是電阻式的，隨著濕度的變化，傳感器電阻將發(fā)生變化，該傳感器連接至LPC2148。

2.3 以太網(wǎng)的適配

以太網(wǎng)是由IEEE 802.15.4個(gè)人區(qū)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)的一種新的無(wú)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20 000 B/s的數(shù)據(jù)速率工作，占據(jù)在868 MHz頻段，在全球發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家可以以250 000 B/s的最大數(shù)據(jù)速率工作，最高可達(dá)2 400 MHz，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2 400 MHz無(wú)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)最為合適。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)300～700 m，在室外可達(dá)1.0～1.5 km。收發(fā)器具有片內(nèi)有線天線，工作頻率為2 400 MHz。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300 m范圍內(nèi)高達(dá)250 KB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

雖然以太網(wǎng)的技術(shù)比802.11b (11 MB/s)和藍(lán)牙(1 MB/s)慢，但功耗明顯更低[10]。系統(tǒng)使用一對(duì)以太網(wǎng)模塊，一個(gè)用于傳輸?shù)叵虏糠值臄?shù)據(jù)，另一個(gè)用于接收地面或監(jiān)控部分的數(shù)據(jù)，并且設(shè)置主站系統(tǒng)，如圖4所示。

每當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)授權(quán)人員想要知道參數(shù)的狀態(tài)，或者每當(dāng)參數(shù)值增加到閾值以上時(shí)，就會(huì)通過(guò)調(diào)制解調(diào)器發(fā)送消息。該故障通過(guò)液晶屏上的顯示來(lái)指示。該電力監(jiān)測(cè)將有助于技術(shù)人員同時(shí)監(jiān)控不同的參數(shù)，從而提高準(zhǔn)確性和速度。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

WinCC是一個(gè)基于窗口的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它將強(qiáng)大的現(xiàn)代編輯器與軟件多個(gè)拓展工具相結(jié)合。它集成了開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序所需的所有工具，包括C/C++編譯器、宏匯編器、鏈接器/定位器和十六進(jìn)制文件生成器。WinCC通過(guò)提供集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，幫助加快嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)過(guò)程。其中生成的KEIL可以用來(lái)創(chuàng)建源文件；采用易于使用的用戶界面設(shè)置的選項(xiàng)，完成自動(dòng)編譯、鏈接和轉(zhuǎn)換，最后在可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)變量過(guò)程中和內(nèi)存硬件上模擬或執(zhí)行調(diào)試。WinCC大大簡(jiǎn)化了創(chuàng)建和測(cè)試嵌入式應(yīng)用程序的過(guò)程。

為了將應(yīng)用程序下載到閃存中，這個(gè)WinCC實(shí)用工具平臺(tái)是必要的。用C語(yǔ)言生成的程序代碼經(jīng)過(guò)處理后生成十六進(jìn)制形式的目標(biāo)代碼。它被稱為十六進(jìn)制文件。為了將這個(gè)十六進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)儲(chǔ)到控制器的閃存中，該工具提供了Keil編譯版本。對(duì)于舊版本的編程，同樣的任務(wù)是在名為Flash Magic的軟件的幫助下完成的，在程序內(nèi)部通過(guò)RS-485總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞[11]，主要針對(duì)于自檢模塊、故障模塊功能進(jìn)行加強(qiáng)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程示意Fig.5 System main program flow diagram

3 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

3.1 接地故障保護(hù)

電力監(jiān)控系統(tǒng)在離線模式下，當(dāng)電力負(fù)載關(guān)閉時(shí)，該系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控電機(jī)繞組和電機(jī)啟動(dòng)器互連電纜的絕緣水平。該裝置具有可調(diào)范圍平衡電平，并具有輸出計(jì)量驅(qū)動(dòng)器(0～1mA)來(lái)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程儀表或與ARM控制器接口。如果檢測(cè)到低絕緣水平或離線接地故障，該裝置將鎖定電機(jī)電路。該系統(tǒng)還可以顯示以歐姆為單位的絕緣水平，這有助于預(yù)測(cè)性維護(hù)。

高壓線路利用電路需要后備接地故障保護(hù)的功能，如果中性接地電阻開(kāi)路時(shí)發(fā)生接地故障，后備接地故障保護(hù)將使電源電路斷電，這種保護(hù)在低壓和中壓系統(tǒng)中越來(lái)越常見(jiàn)。這種類型的保護(hù)是通過(guò)潛在的繼電保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

高壓線路也利用電路需要中性接地電阻的過(guò)溫檢測(cè)。如果持續(xù)故障導(dǎo)致接地電阻發(fā)熱，該保護(hù)的目的是打開(kāi)輸入配電電纜的接地檢查先導(dǎo)電路。系統(tǒng)應(yīng)在接地電阻最大溫升的50%范圍內(nèi)或150 ℃下運(yùn)行，以較小者為準(zhǔn)。由于與附近的電力變壓器相比，故障接地電阻產(chǎn)生的熱量相對(duì)較低，因而很難設(shè)計(jì)出確保這種保護(hù)可靠運(yùn)行的系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)接受了替代方法，如過(guò)載電流互感器，只要替代方法不需要控制電源運(yùn)行，保障了監(jiān)控系統(tǒng)在電力線路發(fā)生故障的條件下也能保持工作性能。

3.2 功率因數(shù)校正和電壓調(diào)節(jié)

大多數(shù)煤礦企業(yè)認(rèn)識(shí)到電網(wǎng)功率因數(shù)校正的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)將平均月電網(wǎng)功率因數(shù)保持在1.0附近，可以顯著節(jié)省電力成本。由于大多數(shù)煤礦電網(wǎng)的功率因數(shù)校正發(fā)生在井外，這當(dāng)然是放置電容器的方便位置，但它距離井下電機(jī)負(fù)載較遠(yuǎn)。因此，通過(guò)將電容器定位在盡可能靠近負(fù)載的位置來(lái)改善電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)并沒(méi)有充分發(fā)揮出性能。然而，在大容量長(zhǎng)壁開(kāi)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，必須為每個(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(wú)功檢測(cè)用于控制開(kāi)關(guān)點(diǎn)。通常提供足夠的時(shí)間延遲來(lái)防止過(guò)度切換。電抗器應(yīng)與開(kāi)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(guò)去，7.2 kV是煤礦井下最常見(jiàn)的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)于今天的大容量長(zhǎng)壁工作面開(kāi)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13.8 kV配電系統(tǒng)，專用于長(zhǎng)壁開(kāi)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7.2 kV配電系統(tǒng)供電。另一種方案可以安裝標(biāo)稱電壓為14.4 kV的配電系統(tǒng)，目的是在不超過(guò)15 kV絕緣等級(jí)的情況下獲得最高的配電電壓。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)揮最佳的性能。

4 電力監(jiān)控試驗(yàn)測(cè)試分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。在 10 kV 開(kāi)閉所接一面 KYN28A-12(Z)高壓開(kāi)關(guān) K2，模擬 10 kV 變電所Ⅱ段任一饋出高壓開(kāi)關(guān) K2，在該開(kāi)關(guān)柜安裝 DMP5101終端1臺(tái)；再接 4 臺(tái) BGP9L(Y)高壓防爆開(kāi)關(guān) K3、K4、K5、K6，模擬井下兩級(jí)變電所的供電線路，每臺(tái)高壓防爆開(kāi)關(guān)內(nèi)安裝1臺(tái)礦用保護(hù)器。五臺(tái)開(kāi)關(guān)之間一次側(cè)采用高壓橡套電纜連接，末端高壓防爆開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)接1根高壓橡套電纜。在 K2 與K3 之間設(shè)置短路點(diǎn) D1、在 K4 與 K5 之間設(shè)置短路點(diǎn) D2、在 K6 負(fù)荷側(cè)電纜終端設(shè)置短路點(diǎn)D3。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.6 Test system composition

4.2 電力監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行

點(diǎn)擊系統(tǒng)圖標(biāo)進(jìn)入煤礦電力監(jiān)控軟件，可以選擇查看地面或井下配電室監(jiān)控畫面，同時(shí)點(diǎn)擊井下配電室系統(tǒng)中的變電所界面，查看井下1號(hào)變電所監(jiān)控畫面。監(jiān)控畫面中矩形形狀圖標(biāo)代表斷路器，上下各配一刀閘表示斷路器小車狀態(tài)，綜合顯示高爆柜當(dāng)前的運(yùn)行情況，紅色代表合閘位置，綠色代表分閘位置。系統(tǒng)另一個(gè)重要功能是對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢，歷史數(shù)據(jù)曲線主要功能是將電流、電壓等數(shù)據(jù)以曲線的方式顯示，提供直觀的數(shù)據(jù)顯示、對(duì)比功能。

歷史報(bào)警模塊對(duì)各類報(bào)警信息以時(shí)間為次序，詳細(xì)羅列了報(bào)警的時(shí)間、編號(hào)、類型、報(bào)警內(nèi)容及持續(xù)時(shí)間，方便操作人員查詢及處理相關(guān)信息。

5 結(jié)語(yǔ)

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(guò)使用遠(yuǎn)程操作，該系統(tǒng)可以更精確地實(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。