礦井高壓開關(guān)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張小平

（潞安化工集團(tuán)電力事業(yè)部， 山西 長(zhǎng)治 046200）

引言

供電系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υ?，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接決定煤礦生產(chǎn)的效率和安全性。高壓開關(guān)是對(duì)煤礦變電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息采集、傳輸、處理和數(shù)字化輸出的關(guān)鍵設(shè)備。在當(dāng)前綜采設(shè)備自動(dòng)化水平和采煤工藝不斷提升的背景下對(duì)礦井高壓開關(guān)的性能提出了更高要求，以保證其能夠?yàn)樽冸娝峁┓€(wěn)定的電源，并能夠根據(jù)實(shí)際工況完成自我監(jiān)測(cè)、自我診斷以及自我控制功能的實(shí)現(xiàn)[1]。為滿足上述要求，本文將重點(diǎn)對(duì)礦井高壓開關(guān)的控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 礦井高壓開關(guān)控制器的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 高壓開關(guān)功能

礦井高壓開關(guān)為煤礦供電系統(tǒng)中輸變電的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站相關(guān)信息的采集、處理和傳輸?shù)裙δ?。?jiǎn)單地說，高壓開關(guān)柜是一個(gè)自動(dòng)化、智能化的組合，其具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的顯示、實(shí)時(shí)故障的顯示、相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢等功能。礦井高壓開關(guān)柜的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 礦井高壓開關(guān)柜總體結(jié)果示意圖

一般情況下，高壓開關(guān)柜能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護(hù)功能，包括對(duì)過流、超壓、欠壓以及接地故障等情況；能夠?qū)崿F(xiàn)自我診斷功能，即根據(jù)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)特別的故障進(jìn)行預(yù)判，對(duì)系統(tǒng)使用壽命進(jìn)行評(píng)估等。

1.2 高壓開關(guān)控制器的總體設(shè)計(jì)原則

高壓開關(guān)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)需參照IEC61850 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)范和條例進(jìn)行。從整體上講，優(yōu)化后的高壓開關(guān)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息通信和傳輸?shù)闹悄芑刂?，并?shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和相關(guān)故障的自我診斷功能[2]。

2 高壓開關(guān)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)將重點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)層面完成高壓開關(guān)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

SCM 模塊為高壓開關(guān)控制器的核心，該模塊基于高壓開關(guān)控制柜所發(fā)出的相關(guān)指令對(duì)高壓隔離開關(guān)進(jìn)行開啟、閉合和停止等控制[3]。SCM 模塊所獲取的指令主要為角度傳感器所發(fā)送的關(guān)于角度的電壓信號(hào)。SCM 模塊的硬件結(jié)果如圖2 所示。

圖2 高壓開關(guān)控制器SCM 模塊的硬件總體設(shè)計(jì)

如圖 2 所示，SCM 模塊中除了其核心的STM32F103 核心控制芯片和型號(hào)為EPM240 的輔助控制芯片外，還包括有電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)電路、濕度檢測(cè)電路、角度測(cè)量裝置等。本節(jié)將重點(diǎn)對(duì)上述的硬件電路及關(guān)鍵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.1 電機(jī)控制電路

實(shí)現(xiàn)對(duì)SCM 模塊中電機(jī)的控制的主要器件為電力開關(guān)器件。可選的電力開關(guān)器件包括有固態(tài)繼電器和電磁繼電器。鑒于固態(tài)繼電器為無觸點(diǎn)開關(guān)器件，與電磁繼電器相比具有較高的穩(wěn)定性和可靠性[4]。因此，本文項(xiàng)目采用固態(tài)繼電器為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)SCM 模塊中電機(jī)的控制功能。固態(tài)繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1.2 溫濕度檢測(cè)器件的選型

結(jié)合一般工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的溫濕度檢測(cè)器件，本項(xiàng)目采用DS18B20 型數(shù)字式溫度傳感器和AM2301 的數(shù)字式濕度傳感模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)。其中，DS18B20 的溫度測(cè)量范圍為-55～+125 ℃之間，溫度測(cè)量精度為0.5 ℃。在實(shí)際應(yīng)用中該溫度傳感器可通過PVC 電纜直接與控制器相連，使用相對(duì)方便。AM2301 濕度檢測(cè)模塊內(nèi)部不僅集成了濕感元件，而且還集成了測(cè)溫元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的同時(shí)檢測(cè)；且該模塊具有較強(qiáng)的抗干擾性能，能夠適用于煤礦相對(duì)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。

2.1.3 角度測(cè)量裝置的選型

結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)變壓器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行且測(cè)量精度不受影響。因此，本項(xiàng)目采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為測(cè)角裝置。旋轉(zhuǎn)變壓器的主要功能是對(duì)隔離開關(guān)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量所得電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過AD2S90 數(shù)字變化器進(jìn)行處理后傳送至SCM 模塊[5]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)控制器的軟件包括有主程序和各數(shù)據(jù)采集模塊的程序設(shè)計(jì)。

2.2.1 控制器主程序的設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井高壓開關(guān)的實(shí)際工作情況，完成控制器主程序的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的主程序流程如圖4 所示。

由圖4 可知，系統(tǒng)進(jìn)入主控制程序且完成初始化狀態(tài)后，對(duì)電源、溫濕度、開關(guān)量檢測(cè)功能是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行判定；判定正常后對(duì)遠(yuǎn)方還是就地控制的模式進(jìn)行判定，并按照預(yù)定的程序開始下一階段的流程；而后根據(jù)隔離開關(guān)主軸的旋轉(zhuǎn)角度、電流范圍門限等綜合因素判定階段的工作流程，直至電路斷開后整個(gè)控制流程結(jié)束。

圖4 高壓開關(guān)控制器主程序流程

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的程序設(shè)計(jì)

以AM2301 溫濕度檢測(cè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)為例，對(duì)該模塊的實(shí)施軟件流程設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 AM2301 濕度檢測(cè)模塊的軟件流程

如圖5 所示，在系統(tǒng)初始化功能實(shí)現(xiàn)后，對(duì)濕度檢測(cè)模塊所讀取的數(shù)據(jù)在釋放總線響應(yīng)完成后正式傳輸，期間還需對(duì)所傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行判定；判定正確后對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的采集。

3 結(jié)語

供電系統(tǒng)為保證煤礦高效、安全生產(chǎn)的動(dòng)力基礎(chǔ)，煤礦供電系統(tǒng)包括有變電所、變壓器以及高壓開關(guān)等從系統(tǒng)級(jí)到設(shè)備的元器件。本文以高壓開關(guān)控制器為例開展研究，重點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)高壓開關(guān)控制器響應(yīng)速度慢、控制精度不高且自動(dòng)化水平偏低的問題，基于SCM 模塊并以 STM32F103RBT6 主控制芯片和EPM240 輔助控制芯片為關(guān)鍵元器件進(jìn)行智能化高壓開關(guān)控制器的設(shè)計(jì)。為今后進(jìn)一步提升礦井供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。