韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:結合煤礦井下供電系統的特點(diǎn)，以6kV供電回路作為監控對象，設計了煤礦井下變電所高壓供電監測系統，可實(shí)現對高壓配電開(kāi)關(guān)的電壓、電流、溫度的實(shí)時(shí)監控。

關(guān)鍵詞:供電系統；數據采集；監控系統

0引言

電力是煤礦井下重要的動(dòng)力來(lái)源，由于井下工作環(huán)境惡劣，端線(xiàn)、擠壓短路、過(guò)負荷、漏電等故障時(shí)有發(fā)生，在這些故障發(fā)生之前，在高壓配電開(kāi)關(guān)處往往會(huì )伴隨著(zhù)一系列的征兆，包括電壓電流的急劇變化、溫度的上升等。

本文設計的高壓供電監控系統可以將這些特征量實(shí)時(shí)上傳至井上監控中心，減少故障發(fā)生的概率，當故障發(fā)生時(shí)可快速定位，提高排除故障的工作效率，進(jìn)而減少因電力系統的故障造成的財產(chǎn)損失。通過(guò)地面計算機的控制，可以實(shí)現對開(kāi)關(guān)的分、合閘操作，提高供電系統管理的水平。供電監控系統和供電系統相對獨立，當監控系統出現故障時(shí)，不會(huì )對高壓供電系統產(chǎn)生影響，但可以實(shí)現對高壓供電系統的實(shí)時(shí)監測和控制。

1高壓供電監控系統結構設計

1.1結構設計

煤礦井下供電監控系統的結構圖如圖1所示，整個(gè)系統結構為DCS型(集散型)分布式計算機監控，分為地面監控站和井下監控站，兩者之間采用RS-485通信方式，各個(gè)井下變電站負責對本變電站監控信息的采集，采集的數據存放在井下變電站的控制器緩存區中，當地面變電站向井下變電站發(fā)出訪(fǎng)問(wèn)指令時(shí)，各個(gè)井下變

圖1煤礦井下供電監控系統結構

電站發(fā)送自己緩沖區的所有數據，地面變電站可以將井下監測數據實(shí)時(shí)顯示在軟件監控界面，并可以根據情況向井下變電站發(fā)出分、合閘操作指令。

1.2通信方式選擇

煤礦井下的常用的通信方式有:RS-485、CAN總線(xiàn)、RS-232、光纖通信、Zigbee組網(wǎng)等方式，為了簡(jiǎn)化供電監控系統的結構在地面計算機和井下變電站之間的通信方式，選擇為帶光電隔離的RS-485，其接線(xiàn)方式為2線(xiàn)制，可傳輸距離為1500m，可以滿(mǎn)足井上PC到井下變電站的距離要求，通過(guò)光電隔離技術(shù)增強信號的抗干擾性。數據采集器到變電站的距離較近，可以采用RS-232通信方式，其接線(xiàn)方式為3線(xiàn)制，可傳輸距離為15m。

2系統硬件設計

2.1主控芯片選型

系統選用MSP430F5438單片機，它是TI公司推出的一款具有256KiB存儲容量的嵌入式微控制器。它的特點(diǎn)是具有極低的功耗，只需2.2~3.6V的直流供電。在低功耗基礎上集成更加豐富的外設，即有3個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)高速12位模/數轉換器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看門(mén)狗定時(shí)器、Pl￣P10端口等，該芯片可以應用于模擬和數字傳感器系統,系統主要利用MSP430F5438，可以實(shí)現采煤機電氣控制器的主要功能，并可降低系統功耗。

2.2隔離型RS-485電路設計

在井下變電站和井上監控平臺之間的通信方式選擇為RS-485，芯片選行為ADM2587E，該芯片是ADI推出的單電源供電的隔離型芯片，SOW￣20封裝，傳輸速率為500Kibit/s，隔離電壓2.5kV，被廣泛應用在工控、電力等需要隔離RS-485的場(chǎng)合。

隔離型RS-485電路原理圖如圖2所示，為了降低線(xiàn)路中的共模電壓、雷擊、浪涌電壓等對通信的干擾，在總線(xiàn)處采

圖2隔離型RS-485電路

取的保護措施如下:在VA、VB管腳上串接RT電阻。該電阻的阻值范圍是4~10Ω，VA、VB管腳對地接TVS管，也可以采取電阻和穩壓二極管串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。

2.3RS-232通信電路設計

在井下變電站和數據采集器之間的通信方式選擇為RS-232，該種方式可以選擇的傳輸速率范圍是從50bit/s到38400bit/s，可以實(shí)現雙工異步通信，在接線(xiàn)中保留TXD、RXD、GND3條線(xiàn)。

在井下變電所的高壓供電監控系統中，利用MAX3232ESE實(shí)現TTL和RS-232之間的電平轉換，設計電路如圖3所示，其中RX1、TX1接單片機的串口，RX232￣1、TX232￣1分別數據采集器的RS-232專(zhuān)用串口，進(jìn)行數據傳輸。同時(shí)，為了增加系統的擴展性，預留一路串口，方便以后硬件結構的升級。

圖3RS-232通信電路原理

2.4測溫電路設計

高壓配電開(kāi)關(guān)的溫度測量傳感器選型為DS18b20芯片，實(shí)時(shí)采集開(kāi)關(guān)低壓腔體內部的溫度，并將溫度信息實(shí)時(shí)上傳給井上監控中心。

DS18B20的溫度讀取主要通過(guò)對其DQ引腳讀、寫(xiě)高低電平的時(shí)序來(lái)實(shí)現，為了增加DS18B20的驅動(dòng)能力，在DS18B20的DQ引腳上增加一個(gè)上拉電阻，保證在所有的讀、寫(xiě)過(guò)程中被可靠置高或者置低，電路原理如圖4所示。溫度讀取過(guò)程中，主要由初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機作為主設備，單總線(xiàn)器件作為從設備，而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線(xiàn)器件回送數據，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數據接收。

圖4測溫電

3軟件設計

3.1測溫程序設計

3.1.1DS18B20暫存寄存器分布

DS18B20溫度傳感器采用單總線(xiàn)結構，通過(guò)對溫度傳感器的信號線(xiàn)的讀、寫(xiě)操作，可以實(shí)現對溫度數據的讀取，DS18B20的高速暫存存儲器由9個(gè)字節組成，其分配如表1所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經(jīng)轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0個(gè)和第1個(gè)字節。單片機可通過(guò)單線(xiàn)接口讀到該數據，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數據格式如表1所示。對應的溫度計算:當符號位S＝0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉換為十進(jìn)制;當S＝1時(shí)，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。表1是對應的一部分溫度值。第九個(gè)字節是冗余檢驗字節。

表1DS18B20暫存寄存器分布

3.1.2測溫程序設計

在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個(gè)DS1820接觸不良或斷線(xiàn)，當程序讀該DS1820時(shí)，將沒(méi)有返回信號，msp430單片機的P6.2引腳與DS18B20的DQ引腳連接。

3.2上位機界面設計

煤礦井下高壓供電監控系統的上位機軟件采用VB程序進(jìn)行編程，主要是基于可視化窗口的編碼器，利用C語(yǔ)言編程，并通過(guò)增加代碼的屬性來(lái)調用不同的組件，減少程序編寫(xiě)的難度，*終可以生成.exe文件，方便軟件的安裝。

上位機軟件的主要作用是通過(guò)井上監控平臺，對煤礦井下高壓供電系統的配電開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示并存儲狀態(tài)信息，當系統出現故障時(shí)，方便歷史數據查詢(xún)、調用。對于井下高壓配電開(kāi)關(guān)的操作功能主要包括:分閘、合閘、復位，在進(jìn)行配電開(kāi)關(guān)操作時(shí)，需要先輸入操作密碼，避免隨意操作造成事故。

井下高壓供電系統的監控界面如圖5所示，主要信息量包括井下各個(gè)變電所的不同位置的高壓配電開(kāi)關(guān)的電壓、電流、溫度數據。具有歷史數據查詢(xún)的功能，在查詢(xún)功能中，可以選擇不同日期、不同時(shí)間、不同變電所、不同位置的配電開(kāi)關(guān)，對某一時(shí)刻的信息進(jìn)行查詢(xún)。

圖5井下高壓供電系統的監控界面

4安科瑞Acrel-2000Z電力監控系統解決方案

4.1概述

針對用戶(hù)變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過(guò)微機保護裝置、開(kāi)關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、配電室環(huán)境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動(dòng)化的綜合監控系統，實(shí)現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶(hù)變電站、開(kāi)閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動(dòng)化及無(wú)人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監測、控制、通信、的控制和管理，滿(mǎn)足變電站無(wú)人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經(jīng)濟運行提供了堅實(shí)的保障。

4.2應用場(chǎng)所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶(hù)端供配電自動(dòng)化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3系統架構

Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò )結構、光纖星型網(wǎng)絡(luò )結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構，根據用戶(hù)用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

4.4系統功能

（1）實(shí)時(shí)監測：直觀(guān)顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

（2）電參量查詢(xún)：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線(xiàn)查詢(xún)：可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

（4）運行報表：查詢(xún)各回路或設備時(shí)間的運行參數。

（5）實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢(xún)：對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

（7）電能統計報表：系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況。

（8）用戶(hù)權限管理：設置了用戶(hù)權限管理功能，可以定義不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限。

（9）網(wǎng)絡(luò )拓撲圖：支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

（10）電能質(zhì)量監測：可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。

（11）遙控功能：可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準確地記錄故障前、后過(guò)程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩態(tài)信息。

（14）Web訪(fǎng)問(wèn)：展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪(fǎng)問(wèn)：設備數據頁(yè)面顯示各設備的電參量數據以及曲線(xiàn)。

4.5系統硬件配置

5結論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為研究對象，設計煤礦井下變電所高壓供電監控系統。設計隔離性RS-485通信電路，實(shí)現井上PC到井下變電所的雙向通信，在數據采集器中，選擇主控芯片為超低功耗的MSP430單片機，進(jìn)行電壓、電流、溫度數據的采集，在軟件設計中，詳細介紹了DS19B20測溫芯片的測溫流程、并利用VB軟件，對井上監控平臺的監控系統軟件進(jìn)行設計，實(shí)現對煤礦井下高壓供電系統的實(shí)時(shí)監測和歷史數據查詢(xún)等功能。

參考文獻

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[4]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司