矿井变电所高压供电监控系统的设计分析

矿井变电所高压供电监控系统的设计分析

宋鹏飞, ,丁剑 

新疆龟兹矿业有限公司 新疆维吾尔自治区阿克苏市库车市  842000

摘要：在煤矿井下中，供电系统是设备的主要动力来源。由于当前井下工况环境相对恶劣，往往出现线路短路、过载以及漏电的现象。通常在发生上述故障之前，往往在高压配电开关位置出现相应的现象比如：电流电压急剧增加以及温度也升高。为此设计高压供电监控系统，从而能够将该特征随时传输给地面控制中心，这样能够有效地优化故障率。一旦出现了故障，那么通过该系统能够及时定位以及提高故障排除效率，这样能够极大的提高电力系统的损失。借助地面计算机进而更好地实现计算机的分合闸操作，因此能够优化供电系统的管理水平。

关键词：变电所；高压供电监控系统；设计  

在煤矿井下生产作业中，电力一直是生产所不可或缺的动力来源，确保井下供电系统运行的安全稳定，对于矿井生产的持续有效开展意义重大。但井下作业环境复杂多变且相对恶劣，使得井下生产中供电系统经常会发生过负荷、短路或漏电等事故，而在这些故障发生前井下高压配电开关通常会产生多种征兆，如电流急剧波动、温度增高等。有鉴于此，对性设计井下高压供电监控系统对高压配电开关进行有效监测，并将相关特征数据汇总上传至地面监控中心，通过分析汇总实现对故障隐患的提前定位排除，进而在确保生产作业持续有效开展的同时降低由电力故障引起的财产损失，为矿井综合效益的增加提供帮助。

一、井下高压供电监控系统存在的问题

1、设备层可靠性差。煤矿井下高压电网主要由井下中央变电所和采区变电所的高压供电设备构成。其中，井下中央变电所由于设备安装相对集中，一般使用矿用一般型高压开关柜和通用微机保护。因此，在部分矿井，采用了和地面变电所类似的技术方案对系统进行了自动化监控改造，并取得了较好的效果。而采区变电所，作为煤矿供电监控系统的一个重要组成部分，环境恶劣、设备布置分散，且存在瓦斯、煤尘爆炸的危险的环境，因而在井下建立涵盖供电系统的监测、监控，实现无人值班或少人值班有一定的难度。作为井下高压电网监控系统最为关键的设备层来说，安：装在开关设备内的智能测控保护单元的可靠性和通讯性能是系统稳定运行的关键，而目前使用的同类产品基本不能同时具备这两样特性。大部分以90年代技术水平为基础的产品，虽然经多年使用实践，保护性能基本能可靠运行，但由丁?受硬、软件平台性能限制，在通讯性能上没有大的突破。即使具备通讯功能的部分产品，也仅具有RS485通讯接口，引而不可避免带有很大的局限性，无法满足高压电网监控系统的通讯要求。造成了目前井下高压电网监控系统在采区变电所监控部分形成空白，或即使建设完成，也无法正常运行的状况。

2、在未结合实际情况，直接移植地面系统结构到井下工况中，适应性差。在目前已建的矿井电力监控系统中，涉及到井下供电监控系统的设计，往往采用照搬地面供电监控系统结构模式。但是，煤矿井下供电系统存在供电线路长、电网谐波复杂、设备分散、工况恶劣等特殊情况。在这种条件下，将地面系统结构直接移植到井下工况中，带来很多问题。特别是因此造成的系统故障率高、维护复杂，导致系统作为形象工程多，实际正常运行的少。

二、高压供电监控系统结构设计

1、电网监控系统结构设计。煤矿井下供电监控系统的结构为 DCS 型( 集散型) 分布式计算机监控，分为地面监控站和井下监控站，两者之间采用RS-485 通信方式，各个井下变电站负责对本变电站监控信息的采集，采集的数据存放在井下变电站的控制器缓存区中，当地面变电站向井下变电站发出访问指令时，各个井下变电站发送自己缓冲区的所有数据，地面变电站可以将井下监测数据实时显示在软件监控界面，并可以根据情况向井下变电站发出分、合闸操作指令。

2、通信方式选择。煤矿井下的常用的通信方式有: RS-485、CAN总线、ＲS-232、光纤通信、Zigbee 组网等方式，为了简化供电监控系统的结构在地面计算机和井下变电站之间的通信方式，选择为带光电隔离的 RS-485，其接线方式为 2 线制，最远传输距离为 1500 m，可以满足井上 PC 到井下变电站的距离要求，通过光电隔离技术增强信号的抗干扰性。数据采集器到变电站的距离较近，可以采用 RS-232 通信方式，其接线方式为 3 线制，最远传输距离为 15 m。

三、高压供电监控系统的设计

1、软件设计

(1)测温程序设计。①DS18B20暂存寄存器分布。对于DS18B20温度传感器而言，本设计选用单总线结构，其可以完成对信息的读写操作，进而可以完成温度数据的读取。DS18B20的高速暂存存储器由字节组成。假如发出了温度转换器后，那么相应的温度数字以二字节的形式存放在挂镀暂存器内部。而这时单片机可以借助单线接口对温度数值进行读取，而通常先读取低位，再读取高位数值。相应的温度计算如下所示：假如S取值为0，那么将二进制转化成为十进制。假如S取值为1，那么首先进行将补码转换成为原码，最后进行十进制转换。②测温程序设计。在DSl8B20测温程序时，通常DSl8B20接收到温度转换指令后，那么应用软件必须得到DSl8B20的返回信息才可以得到相应的信号，假如出现接触不良或者信息中断的情况，那么DSl8B20将不会接收到返回信号。通常情况下将MPS430单片机的P6.2引脚和DS18B20的DQ引脚进行连接。

(2)上位机界面设计。该系统的上位机软件选用VB程序进行编程，借助C语言进行编程，与此同时增加必要的代码，这样可以对组件进行调用，从而可以大大优化编写程序的难度，通过该程序可以生成.exe文件。此外，该软件便于安装。通常上位机软件可以借助井上监控平台对煤矿井下高压供电系统的配电情况进行实时监测，与此同时能够完成对信息的储存。

2、硬件设计

(1)主控芯片选型。对于主控制芯片而言，可以选择MSP430F5438单片机，其优点在于能耗极低，直流电源供电范围为2.2A到3.6A之间。同时设置了大量的外设如下所示：第一，3个16位定时器；第二，1个高速12位模/数转换器；第三，WDT看门狗定时器；第四，P1-10端口；第五，12C串行通信等等。借助该芯片可以对采煤机电器控制其进行控制，与此同时可以大大降低系统能耗。

(2)完全隔离型RS-485电路设计。井下与井上的监控平台的信息交互选用RS-485电路，选择的芯片为ADM2587E，该芯片选用SOW-20形式进行封装，其可以实现500Kibit/s传输速率，主要应用于工控、电力等场合。其中图2表示相应的完全隔离型RS-485电路原理图。为了能够有效地降低电压、雷击以及浪涌电压对信号的干扰，通常可以在总线位置设置如下保护操作比如：设置VA，VB管脚上串接RT电阻。通常情况下，电阻阻值在4Ω到10Ω之间，同时将VA，VB引脚接地TVS管。

变电站高压供电系统作为矿井生产动力的源头，其运行的安全有效对于提升矿井生产的稳定性和持续性意义重大，是实现矿井综合效益增加的关键举措。矿井管理者必须高度重视相关问题。该系统主要包括：完全隔离性RS-485通信电路，该电路能够进行井下与地面双向的信息交互；单片机选择MSP430，其具有超低能耗的特点，可以实现对电压、电流以及温度参数进行采集；主要介绍了DS18B20测温芯片测温步骤的软件，构建高压供电监控系统，实现对其运行状态的实时监测，进而及时发现和排除安全隐患，为矿井生产的安全开展提供坚实保障。

参考文献：

[1]曲德臣，李民中．矿井电力监控系统升级改造研究[J]．石化技术，2019，26(12)：20．