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關(guān)于電力監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下配電管理中的設(shè)計與應(yīng)用
更新時間:2023-03-16   點擊次數(shù):374次

目前煤礦井下電力系統(tǒng)發(fā)生了各種各樣的創(chuàng)新和變化。部分礦井使用更高的功率和配電電壓較高的電氣開關(guān)設(shè)備,通常使用可編程邏輯控制器(PLC)進行控制、監(jiān)控和診斷應(yīng)用,使用內(nèi)置測試電路改進繼電保護,在負載附近進行功率因數(shù)校正,以改進電壓調(diào)節(jié)以及修改電力系統(tǒng)部件布置。電力監(jiān)控系統(tǒng)是由于工作面設(shè)備(尤其是長壁設(shè)備)的功率需求顯著增加所需要的。監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是改善動力系統(tǒng)的運行特性,提高了礦井生產(chǎn)安全性。介紹了利用ARM和以太網(wǎng)技術(shù)為核心的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng),并對系統(tǒng)進行測試分析,表明了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且安全性較高。

1礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用目標
 
1.1設(shè)計目標
       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化技術(shù)的基礎(chǔ)上,專門對井下供電系統(tǒng)、電力保護裝置、調(diào)度自動化等一體化進行監(jiān)測監(jiān)控的電力自動化平臺。該平臺可以集高低壓開關(guān)在地、離地的保護、測量和控制于一體,實現(xiàn)地下變電站無人值守運行、整個礦山電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、運行參數(shù)超限報警、礦山調(diào)度系統(tǒng)的實施,實現(xiàn)
視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。
 
1.2礦井電力供應(yīng)簡介
       我國大多數(shù)煤礦屬于井工開采,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)變電所以及移動變電站。供電系統(tǒng)普遍采用的是多級短電纜組成的干線式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。煤礦高壓供電等級一般為6~10kV,低壓等級有3300V、1140V、660V、380V和220V。《煤礦安全規(guī)程》要求井下供電網(wǎng)絡(luò)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,通過調(diào)整高壓開關(guān),可以將另一路正常電源接過來,保證了負荷的持續(xù)供電。
 
2監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計
 
2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
       在回顧了過去和現(xiàn)有的煤礦電力供應(yīng)技術(shù)之后,開發(fā)并提出了一個簡單的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以監(jiān)控單元為主,如圖1所示。這兩個單元都由作為核心微控制器的LPC2148組成,屬于ARM控制器類型。通過以太網(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
 
       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平臺為核心作為保護,較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數(shù)字信號處理能力和高ARM926芯片的外圍集成,組網(wǎng)突出的特點為煤礦配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)保護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,可用于微地震信號的測量和電力環(huán)境中的泄漏測量。
 
2.2硬件設(shè)計
 
2.2.1ARM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格并提供高性能的技術(shù)特點。ARM架構(gòu)基于精簡指令集計算機(RISC)原理,指令集和相關(guān)解碼機制比微編程復雜指令集計算機(CISC)簡單得多。這種簡單性帶來了高指令吞吐量和實時中斷響應(yīng)。
       ARM7TDMI處理器采用了單獨的架構(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題的應(yīng)用。ARM面對用戶串口如圖2所示。
 
 
圖2ARM面對用戶串口示意
 
       筆者使用LPC2148,具有如下特征:①16/32位ARM7TDMI-S微控制器,采用小型LQFP64封裝;②40KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和512KB片內(nèi)閃存程序存儲器;③通過片內(nèi)引導加載軟件進行系統(tǒng)內(nèi)或應(yīng)用程序內(nèi)編程;④兩個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器總共提供14個模擬輸入,每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至2.44s;⑤單個10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供可變模擬輸出;⑥多個串行接口,包括兩個UART(16c550)、兩個快速I2C總線(400Kb/s)、具有緩沖和可變數(shù)據(jù)長度功能的SPI和SSP;⑦具有可配置優(yōu)先級和向量地址的向量中斷控制器;⑧在一個小型LQFP64封裝中,最多可容納45個5V快速通用輸入/輸出引腳。
 
2.2.2元器件設(shè)計
       電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要對電力運行情況進行監(jiān)控,還需要對周圍環(huán)境的變化進行感應(yīng),以便隨時做出針對于電力調(diào)節(jié)方面的變化,因此,設(shè)計了氣敏、溫濕度傳感的元器件。為了檢測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,如圖3所示。
 
 
 
圖3MQ-7氣體傳感器
       在所提出的系統(tǒng)中,熱敏電阻用作溫度傳感器,被用來檢測非常小的溫度變化。溫度的變化通過器件電阻的明顯變化來反映。這里需要注意的是,NTC熱敏電阻在-50~150℃時的電阻分別為10、100kΩ。這意味著200°C的溫度變化導致了100∶1的電阻變化。該傳感器連接到P1至LPC2148接口。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)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2400MHz無線電頻段,與802.11b標準、藍牙、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)較合適。以太網(wǎng)絡(luò)可以連接255臺電力設(shè)備[9]。收發(fā)模塊的范圍在井下可達300~700m,在室外可達1.0~1.5km。收發(fā)器具有片內(nèi)有線天線,工作頻率為2400MHz。從微控制器接收的數(shù)據(jù)根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議標準進行組織,然后進行調(diào)制。該規(guī)范支持300m范圍內(nèi)高達250KB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
       雖然以太網(wǎng)的技術(shù)比802.11b(11MB/s)和藍牙(1MB/s)慢,但功耗明顯更低[10]。系統(tǒng)使用一對以太網(wǎng)模塊,一個用于傳輸?shù)叵虏糠值臄?shù)據(jù),另一個用于接收地面或監(jiān)控部分的數(shù)據(jù),并且設(shè)置主站系統(tǒng),如圖4所示。
 
 
圖4主站系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意
 
       每當監(jiān)控系統(tǒng)授權(quán)人員想要知道參數(shù)的狀態(tài),或者每當參數(shù)值增加到閾值以上時,就會通過調(diào)制解調(diào)器發(fā)送消息。該故障通過液晶屏上的顯示來指示。該電力監(jiān)測將有助于技術(shù)人員。
 
2.4軟件設(shè)計
       WinCC是一個基于窗口的軟件開發(fā)平臺,它將強大的現(xiàn)代編輯器與軟件多個拓展工具相結(jié)合。它集成了開發(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/定位器和十六進制文件生成器。WinCC通過提供集成開發(fā)環(huán)境,幫助加快嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程。其中生成的KEIL可以用來創(chuàng)建源文件;采用易于使用的用戶界面設(shè)置的選項,完成自動編譯、鏈接和轉(zhuǎn)換,最后在可以訪問數(shù)據(jù)變量過程中和內(nèi)存硬件上模擬或執(zhí)行調(diào)試。WinCC大大簡化了創(chuàng)建和測試嵌入式應(yīng)用程序的過程。
        為了將應(yīng)用程序下載到閃存中,這個WinCC實用工具平臺是必要的。用C語言生成的程序代碼經(jīng)過處理后生成十六進制形式的目標代碼。它被稱為十六進制文件。為了將這個十六進制代碼轉(zhuǎn)儲到控制器的閃存中,該工具提供了Keil編譯版本。對于舊版本的編程,同樣的任務(wù)是在名為FlashMagic的軟件的幫助下完成的,在程序內(nèi)部通過RS-485總線技術(shù)進行數(shù)據(jù)的傳遞,主要針對于自檢模塊、故障模塊功能進行加強,如圖5所示。
 
3系統(tǒng)安全性設(shè)計
 
3.1接地故障保護
       電力監(jiān)控系統(tǒng)在離線模式下,當電力負載關(guān)閉時,該系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控電機繞組和電機啟動器互連電纜的絕緣水平。該裝置具有可調(diào)范圍平衡電平,并具有輸出計量驅(qū)動器(0~1mA)來驅(qū)動遠程儀表或與ARM控制器接口。如果檢測到低絕緣水平或離線接地故障,該裝
 
圖5系統(tǒng)主程序流程示意
 
置將鎖定電機電路。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)測性維護。
       高壓線路利用電路需要后備接地故障保護的功能,如果中性接地電阻開路時發(fā)生接地故障,后備接地故障保護將使電源電路斷電,這種保護在低壓和中壓系統(tǒng)中越來越常見。這種類型的保護是通過潛在的繼電保護來實現(xiàn)的。
 
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)認識到電網(wǎng)功率因數(shù)校正的經(jīng)濟效益。通過將平均月電網(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,這當然是放置電容器的方便位置,但它距離井下電機負載較遠。因此,通過將電容器定位在盡可能靠近負載的位置來改善電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)并沒有充分發(fā)揮出性能。然而,在大容量長壁開采之前,這種功率因數(shù)校正優(yōu)勢并不那么重要。
       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上。采用這種布置,為每個電容器電路提供接地故障保護。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功檢測用于控制開關(guān)點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應(yīng)與開關(guān)電容器串聯(lián),電容器應(yīng)具有工廠接線的保險絲、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。礦井的其余部分仍由7.2kV配電系統(tǒng)供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為14.4kV的配電系統(tǒng),目的是在不超過15kV絕緣等級的情況下獲得最高的配電電壓。只有搭載適應(yīng)的電網(wǎng)電壓并進行功率因數(shù)校正,才能確保電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮較好的性能。
 
4電力監(jiān)控試驗測試分析
 
4.1試驗系統(tǒng)組成設(shè)計
       試驗系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。在10kV開閉所接一面KYN28A-12(Z)高壓開關(guān)K2,模擬10kV變電所Ⅱ段任一饋出高壓開關(guān)K2,在該開關(guān)柜安裝DMP5101終端1臺;再接4臺BGP9L(Y)高壓防爆開關(guān)K3、K4、K5、K6,模擬井下兩級變電所的供電線路,每臺高壓防爆開關(guān)內(nèi)安裝1臺礦用保護器。五臺開關(guān)之間一次側(cè)采用高壓橡套電纜連接,末端高壓防爆開關(guān)負荷側(cè)接1根高壓橡套電纜。在K2與K3之間設(shè)置短路點D1、在K4與K5之間設(shè)置短路點D2、在K6負荷側(cè)電纜終端設(shè)置短路點D3。
4.2電力監(jiān)控系統(tǒng)試驗運行
       點擊系統(tǒng)圖標進入煤礦電力監(jiān)控軟件,可以選擇查看地面或井下配電室監(jiān)控畫面,同時點擊井下配電室系統(tǒng)中的變電所界面,查看井下1號變電所監(jiān)控畫面。監(jiān)控畫面中矩形
 
圖6試驗系統(tǒng)組成
 
形狀圖標代表斷路器,上下各配一刀閘表示斷路器小車狀態(tài),綜合顯示高爆柜當前的運行情況,紅色代表合閘位置,綠色代表分閘位置。系統(tǒng)另一個重要功能是對歷史數(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、對比功能。
       歷史報警模塊對各類報警信息以時間為次序,詳細羅列了報警的時間、編號、類型、報警內(nèi)容及持續(xù)時間,方便操作人員查詢及處理相關(guān)信息。
 
5.安科瑞電力監(jiān)控解決方案
 
5.1概述
       針對用戶變電站(一般為35kV及以下電壓等級),通過微機保護裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。
       Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求,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(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動化技術(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(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng),適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站,可實現(xiàn)對變電站的控制和管理,滿足變電站無人或少人值守的需求,為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了堅實的保障。
 
5.2應(yīng)用場所
       適用于軌道交通,工業(yè),建筑,學校,商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設(shè)計、施工和運行維護。
 
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
       Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計,可分為三層:站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層,組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。
 
5.4系統(tǒng)功能
       (1)實時監(jiān)測:直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài),實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。
 
 
       (2)電參量查詢:在配電一次圖中,可以直接查看該回路詳細電參量。
 
       (3)曲線查詢:可以直接查看各電參量曲線。
 
       (4)運行報表:查詢各回路或設(shè)備特定時間的運行參數(shù)。
 
       (5)實時告警:具有實時告警功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位,保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
 
       (6)歷史事件查詢:對事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。
 
       (7)電能統(tǒng)計報表:系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能,用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況。
 
       (8)用戶權(quán)限管理:設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能,可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。
 
       (9)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖:支持實時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
 
       (10)電能質(zhì)量監(jiān)測:可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。
 
       (11)遙控功能:可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠程遙控操作。
 
       (12)故障錄波:可在系統(tǒng)發(fā)生故障時,自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
 
       (13)事故追憶:可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。
 
       (14)Web訪問:展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息,設(shè)備通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。
 
       (15)APP訪問:設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。
 
 
5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)語
 
       本文針對目前礦井電力系統(tǒng)發(fā)生的系列變化,設(shè)計了井下電力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點:對存在塑殼斷路器的替代產(chǎn)品進行了監(jiān)控設(shè)計;改進了接地故障保護;測試模式、障礙和內(nèi)置測試電路的接地保護有變化;改善電壓調(diào)節(jié)的負載附近功率因數(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,證明了像ARM7這樣的控制器的更高級版本可以有更快的執(zhí)行速度和極低的功耗。通過使用遠程操作,該系統(tǒng)可以更實時對電力系統(tǒng)運行情況進行觀察,并且在工程現(xiàn)場驗證了該系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

 


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