劉國林，苗滿文

(河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670)

在過去幾十年里，煤炭生產(chǎn)成本繼續(xù)下降，這些收益是技術(shù)改良的直接結(jié)果，同時也是在很大程度上歸根于電氣系統(tǒng)技術(shù)進步的結(jié)果。通過企業(yè)開發(fā)和應(yīng)用更強大、更復雜的設(shè)備，并通過設(shè)計向該設(shè)備供電的系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)收益。近年來，煤礦井下電氣系統(tǒng)的電力需求急劇增加。以前，1 500 kVA的電力網(wǎng)絡(luò)通常被認為是井下應(yīng)用的大型電力中心，主變電站大約由5 000 kVA的變壓器供電[1]。如今，高產(chǎn)長壁工作面的電力中心容量超過5 000 kVA。隨著長壁工作面長度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣系統(tǒng)的技術(shù)限制在2個方面:自動化和電力輸送。隨著生產(chǎn)率的提高，工人們越來越難跟上機器的步伐，因而為電力監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了自動化技術(shù)。盡管取得了重要進展，但還需要進行更多研究，本文針對煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)繼續(xù)開展技術(shù)討論。解決的電力監(jiān)控問題是:如何在沒有嚴重電壓調(diào)節(jié)問題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經(jīng)濟地中斷較大的電力波動，特別是在故障條件下的安全監(jiān)控。本文中討論的許多創(chuàng)新成果為礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)研究提供了依據(jù)。

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)真正的視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)真正實現(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 6～10 kV，低壓等級有 3 300 V、1 140 V、660 V、380 V 和 220 V?！睹旱V安全規(guī)程》要求井下供電網(wǎng)絡(luò)必須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[2]。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Fig.1 Schematic diagram of coal mine power monitoring system architecture

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[3]，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[4]，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

2.2.1 ARM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處理器采用了獨特的架構(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2 ARM面對用戶串口示意Fig.2 Schematic diagram of ARM facing user serial port

筆者使用LPC2148，具有如下特征[5]：①16/32位ARM7TDMI-S微控制器，采用小型LQFP64封裝；②40 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和512 KB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2.44 s；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(16c 550)、兩個快速I2C總線(400 Kb/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5 V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[6]，如圖3所示。

圖3 MQ-7氣體傳感器Fig.3 MQ-7 gas sensor

傳感器由微型AL2O3陶瓷管、二氧化錫敏感層、測量電極和加熱器組成，固定在由塑料和不銹鋼網(wǎng)制成的外殼中。加熱器為敏感部件的工作提供必要的工作條件。封裝的MQ-7有6個引腳，其中4個用于獲取信號，另外2個用于提供電流。MQ-7傳感器與ARM7TDMI的P0接口進行連接[7]。

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、100 kΩ。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[8]。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)是由IEEE 802.15.4個人區(qū)域網(wǎng)標準指導的一種新的無線技術(shù)。它主要為廣泛的自動化應(yīng)用而設(shè)計。它目前以20 000 B/s的數(shù)據(jù)速率工作，占據(jù)在868 MHz頻段，在全球發(fā)達工業(yè)國家可以以250 000 B/s的最大數(shù)據(jù)速率工作，最高可達2 400 MHz，有效減小了外部信號干擾。

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2 400 MHz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)最為合適。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300～700 m，在室外可達1.0～1.5 km。收發(fā)器具有片內(nèi)有線天線，工作頻率為2 400 MHz。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300 m范圍內(nèi)高達250 KB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

雖然以太網(wǎng)的技術(shù)比802.11b (11 MB/s)和藍牙(1 MB/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。

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)人員同時監(jiān)控不同的參數(shù)，從而提高準確性和速度。

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Flash Magic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[11]，主要針對于自檢模塊、故障模塊功能進行加強，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程示意Fig.5 System main program flow diagram

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。

高壓線路也利用電路需要中性接地電阻的過溫檢測。如果持續(xù)故障導致接地電阻發(fā)熱，該保護的目的是打開輸入配電電纜的接地檢查先導電路。系統(tǒng)應(yīng)在接地電阻最大溫升的50%范圍內(nèi)或150 ℃下運行，以較小者為準。由于與附近的電力變壓器相比，故障接地電阻產(chǎn)生的熱量相對較低，因而很難設(shè)計出確保這種保護可靠運行的系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)接受了替代方法，如過載電流互感器，只要替代方法不需要控制電源運行，保障了監(jiān)控系統(tǒng)在電力線路發(fā)生故障的條件下也能保持工作性能。

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。在一些大容量系統(tǒng)中，需要在電機負載附近放置功率因數(shù)校正的電容，以提供足夠的電壓調(diào)節(jié)并減輕電機啟動期間電網(wǎng)電壓下降的嚴重程度。

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，必須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。過去，7.2 kV是煤礦井下最常見的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經(jīng)無法滿足對于今天的大容量長壁工作面開采。因此，在運用電力監(jiān)控系統(tǒng)時，應(yīng)當安裝一個單獨的13.8 kV配電系統(tǒng)，專用于長壁開采系統(tǒng)及其相關(guān)的井上電氣設(shè)備。礦井的其余部分仍由7.2 kV配電系統(tǒng)供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為14.4 kV的配電系統(tǒng)，目的是在不超過15 kV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)揮最佳的性能。

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 10 kV 開閉所接一面 KYN28A-12(Z)高壓開關(guān) K2，模擬 10 kV 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。

圖6 試驗系統(tǒng)組成Fig.6 Test system composition

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 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)可以更精確地實時對電力系統(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。