勝利露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)設(shè)計與測試

摘 要：該文主要探究露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的設(shè)計要點，并對其故障檢測與定位功能的實現(xiàn)情況進(jìn)行測試。該系統(tǒng)由用于收集數(shù)據(jù)的檢測監(jiān)控裝置和用于分析數(shù)據(jù)的主監(jiān)控裝置組成。系統(tǒng)采用PIC18F6620單片機作為主控芯片，當(dāng)識別到地線連接狀態(tài)異?；蛘呤情_關(guān)柜閉鎖故障等特殊情況時，會進(jìn)行聲光報警并在液晶顯示屏上提供故障相關(guān)信息，實現(xiàn)故障定位進(jìn)而指導(dǎo)工作人員展開故障維修。從實驗效果來看，該系統(tǒng)對常見的電阻超限、斷路和短路等故障誤報率控制在5%以內(nèi)，并且故障定位精度可以達(dá)到99%，為露天礦高壓供電系統(tǒng)的可靠與安全運行提供幫助。

關(guān)鍵詞：地線連接;實時監(jiān)測;故障定位;聲光報警;單片機

中圖分類號：TD613 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0104-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of the system for real-time monitoring and fault location of ground wire connection status in open-pit mines， and tests the realization of its fault detection and location functions. The system consists of a detection and monitoring device for collecting data and a main monitoring device for analyzing data. The system uses PIC18F6620 MCU as the main control chip. When special circumstances such as abnormal ground connection status or switch cabinet locking failure are identified， it will provide sound and light alarm and provide fault-related information on the LCD screen to realize fault location. Then guide staff to carry out fault maintenance. Judging from the experimental results， the system controls the false alarm rate of common faults such as excessive resistance， open circuit and short circuit within 5%， and the fault location accuracy can reach 99%， providing the reliable and safe operation of the open-pit mine high-voltage power supply system.

Keywords： ground wire connection; real-time monitoring; fault location; sound and light alarm; MCU

勝利露天礦在開采過程中通過移動變電站向采煤機、輸送機等提供高壓電，部分大型設(shè)備的外殼無法就近與地面連接，必須要利用電纜中的地線將設(shè)備外殼與移動變電站的地線連接，實現(xiàn)大型設(shè)備的間接接地。由于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，加上設(shè)備需要頻繁移動，經(jīng)常會出現(xiàn)地線連接不良的情況，這種情況下觀察電纜外表難以發(fā)現(xiàn)故障，不利于故障的及時維修。基于此，設(shè)計一種可以對露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測，并且能夠在故障發(fā)生后進(jìn)行故障定位的系統(tǒng)就顯得十分必要。

1 露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文設(shè)計的露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)包含客戶端、主監(jiān)控裝置、檢測控制裝置3部分。將移動開關(guān)柜作為檢測點并獲取線路電壓、箱體編號、柜門閉鎖狀態(tài)等信息，以設(shè)定好的頻率（默認(rèn)為10 ms/次）將數(shù)據(jù)發(fā)送至主監(jiān)控裝置。在主監(jiān)控裝置完成數(shù)據(jù)分析后判斷地線連接狀態(tài)、柜門閉鎖狀態(tài)，如果識別到異常信息則啟動故障定位功能，追溯故障所在位置并通過聲光報警提醒工作人員。工作人員從液晶顯示屏上查看詳細(xì)信息，了解故障信息后進(jìn)行精準(zhǔn)處理[1]。該系統(tǒng)不僅做到了對線路連接狀態(tài)、柜門閉鎖狀態(tài)的實時監(jiān)測，而且還具有聲光報警、液晶顯示、故障定位和即時通信等功能，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機的選型

單片機是本系統(tǒng)的核心器件，選用了PIC系列的PIC18F6620單片機作為主控芯片，具有運行速度快、抗干擾能力強、易于程序編寫和支持直連外接設(shè)備等優(yōu)點。內(nèi)置128 K的程序存儲空間和2 KB的ROM，自帶40個I/O端口和4個16 bit的定時器，支持RS485和RS232 兩種通信模式。

2.2 主監(jiān)控裝置設(shè)計

系統(tǒng)主監(jiān)控裝置除了PIC18F6620芯片外，還包含了恒流電源、聲光報警器、電力載波通信模塊等，硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在主監(jiān)控裝置中，單片機的工作電壓是3.3～5.5 V，電力載波通信模塊的工作電壓是12 V，需要分別提供5 V和12 V的直流電壓。因此在設(shè)計電源電路時，選擇220 V交流電作為外部供電電源，經(jīng)過變壓器后將其降低為12 V的交流電。利用濾波器對交流電進(jìn)行整流濾波處理后輸出12 V直流電壓直接為電力載波通信模塊供電;再通過MC33063開關(guān)電源芯片將12 V直流電壓降低為5 V直流電壓，為單片機供電。利用單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能完成電壓檢測，檢測范圍0～50 V，安裝了30 kΩ和50 kΩ 2個金屬膜精密電阻作為分壓電阻，保證采樣電壓能夠降低到單片機可接受范圍，提高采樣結(jié)果的精確性。

聲光報警器設(shè)計有綠、黃、紅3種顏色的發(fā)光二極管，各自并聯(lián)一個9 014放大器。在運行邏輯上設(shè)計為“非”邏輯，即3個二極管有且只有1個處于發(fā)光狀態(tài)，綠燈亮起表示“正?！保S燈亮起表示“警示”，紅燈亮起表示“報警”。如果檢測到高壓供電線路處于“警示”或“報警”狀態(tài)時，單片機輸出高電平，此時蜂鳴器工作，實現(xiàn)聲光報警[2]。電力載波通信模塊選用KQ-130F模塊，具有體積小巧、抗干擾能力強、支持遠(yuǎn)距離通信等特點，可以與PIC18F6620芯片直連。

2.3 檢測控制裝置設(shè)計

檢測控制裝置也包含了PIC18F6620芯片、電源電路、聲光報警器等硬件設(shè)備，除此之外還增加了門閉鎖檢測控制電路、開關(guān)柜箱體編號檢測電路，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

門閉鎖檢測控制電路是利用PIC18F6620芯片檢測引腳的電平狀態(tài)進(jìn)而識別出柜門閉鎖狀態(tài)。在該電路中加入了一個48 Ω的上拉電阻，當(dāng)引腳輸出低電平時表示柜門為閉鎖狀態(tài)，當(dāng)引腳輸出高電平時表示柜門為打開狀態(tài)。同時，在開關(guān)柜內(nèi)側(cè)上方通過螺絲固定的方式安裝一塊電磁鐵，并設(shè)計了兩級放大電路驅(qū)動電磁鐵工作。當(dāng)引腳輸出高電平、檢測到柜門呈打開狀態(tài)時，單片機發(fā)送控制指令使電磁鐵上電工作吸合柜門，讓柜門閉鎖[3]。

開關(guān)柜箱體編碼檢測電路的核心元件是9位撥碼開關(guān)，可表示1～999的任意箱體編號。從撥碼開關(guān)的2個接線柱引出線纜，一條線纜直接接地，另一條線纜接入PIC18F6620芯片的12#引腳?？紤]到單片機12#引腳沒有提供內(nèi)部上拉電阻，為了確保單片機可以準(zhǔn)確識別箱體編號，在該檢測電路中并聯(lián)1個48 kΩ的電阻作為上拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

綜合考慮運行條件、安裝環(huán)境等因素，該系統(tǒng)采用了嵌入式軟件。采用C語言作為編程語言，使用HI-TECH PICC10.2編譯器，基于MPLAB IDE v.11.6工具進(jìn)行軟件開發(fā)。為了配合系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)，分別進(jìn)行了主監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計和檢測控制裝QKt956fwuzmBv26A+dE1PYmH0fvEn1GxhBKqeHmvScg=置的軟件設(shè)計。系統(tǒng)啟動運行后，主監(jiān)控裝置獲取檢測控制裝置采集的各項數(shù)據(jù)并作出分析，經(jīng)分析確認(rèn)無故障后投入生產(chǎn)。在露天礦開采過程中主監(jiān)控裝置實時監(jiān)控恒流源的輸出電壓，一旦電壓波動變化超出閾值范圍立即報警并進(jìn)行故障定位。

3.1 主監(jiān)控裝置軟件設(shè)計

系統(tǒng)運行后，主監(jiān)控裝置軟件首先進(jìn)行I/O端口初始化、顯示屏初始化、串口初始化，然后執(zhí)行一個判斷程序“是否接收到檢測數(shù)據(jù)”。如果未接收到來自檢測控制裝置提供的數(shù)據(jù)，則進(jìn)一步判斷“是否處于故障狀態(tài)”。如果不存在故障，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗待機狀態(tài)，周期性地（默認(rèn)為1 s）執(zhí)行上述循環(huán)程序，直到檢測到有新的數(shù)據(jù)傳入。此時主監(jiān)控裝置軟件開始對接收的檢測數(shù)據(jù)展開分析。根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行判斷程序“線路連接是否正?！?，如果判斷為“否”，在液晶顯示屏上呈現(xiàn)故障的詳細(xì)信息（如故障類型、故障位置等）并進(jìn)行聲光報警;如果判斷為“是”，正常顯示系統(tǒng)的功能界面。在投入生產(chǎn)后，主監(jiān)控裝置軟件實時獲取恒流源的輸出電壓，如果實際電壓穩(wěn)定在安全閾值范圍（工作電壓±3 V）以內(nèi)，則線路地線連接正常;反之，如果實際電壓最大波動在3～30 V則判斷為電阻故障，如果實際電壓最大波動超過30 V則判斷為短路故障[4]。此時發(fā)送一個鎖死柜門的命令，讓開關(guān)柜鎖死，然后等待接收下一次數(shù)據(jù)。主監(jiān)控裝置軟件工作流程如圖4所示。

3.2 檢測控制裝置軟件設(shè)計

系統(tǒng)檢測控制裝置運行后也需要進(jìn)行一系列的初始化，考慮到前端分布有若干個檢測控制裝置，為了防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的情況，本文在軟件設(shè)計中添加了“自適應(yīng)排序程序”。檢測控制裝置提供自己的編號，系統(tǒng)判斷該裝置是否為最后一個，如果是則排序結(jié)束，如果不是則繼續(xù)排序。同時定義多個存儲數(shù)組，如檢測到的線路電壓存入數(shù)組Save[0]，檢測到的箱體編號存入數(shù)組Save[1]，檢測到的開關(guān)柜閉鎖狀態(tài)存入數(shù)組Save[2]等，將這些數(shù)組傳送至主監(jiān)控裝置[5]。然后循環(huán)執(zhí)行若干個判斷語句，如“是否收到柜門鎖死命令”“是否收到主監(jiān)控監(jiān)測命令”“是否收到重啟命令”等。如果判斷結(jié)果為“否”，則按照順序依次執(zhí)行下一條程序;如果判斷結(jié)果為“是”，則執(zhí)行該條命令，同時系統(tǒng)初始化。在檢測到柜門存在閉鎖故障后，進(jìn)行聲光報警。檢測控制裝置軟件工作流程如圖5所示。

4 露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的測試

露天礦高壓供電系統(tǒng)在日常運行中比較常見的故障有電阻警示故障、電阻超限故障、短路故障、斷路故障和閉鎖故障5種類型，本文使用露天礦地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)對這些故障進(jìn)行了測試。在實驗中人為設(shè)置故障，為了消除誤差采取了重復(fù)性測試，對每一類故障重復(fù)模擬100次，記錄準(zhǔn)確判斷故障的次數(shù)，并計算誤報率，結(jié)果見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)對5類常見故障均保持較高的檢出率，誤報率基本上控制在5%以內(nèi)。同時，選取了“電阻超限”故障，判斷該系統(tǒng)對故障定位的準(zhǔn)確性。在線路中放置了10個檢測控制裝置，并在相鄰的裝置之間模擬電阻超限故障。在同一個故障點模擬10次，測試故障定位的準(zhǔn)確率。結(jié)果表明，系統(tǒng)對電阻超限故障的定位準(zhǔn)確率達(dá)到了99%，故障定位精度達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

勝利露天礦開采過程中頻繁出現(xiàn)地線接觸不良的情況，不僅影響了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，而且一旦出現(xiàn)高壓漏電還會對現(xiàn)場工作人員的生命安全構(gòu)成威脅。因此，無論是基于生產(chǎn)效益還是人員安全方面的考慮，必須要做到地線連接狀態(tài)的實時監(jiān)測。本文設(shè)計的地線連接狀態(tài)實時監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)在實時監(jiān)測地線連接狀態(tài)的基礎(chǔ)上，還能準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生位置，進(jìn)而為工作人員鎖定故障區(qū)域、展開故障搶修提供了參考，提高了排查效率，保證了露天礦生產(chǎn)作業(yè)的高效率和安全化開展。

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作者簡介：邢拴龍（1984-），男，工程師。研究方向為供配電系統(tǒng)。