張碧瑩

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山鐵路分公司 山西省大同市 037003）

煤炭作為我國(guó)主要能源來(lái)源，保障其安全高效生產(chǎn)具有舉足輕重的作用，機(jī)械化和自動(dòng)化采掘裝備 的引入，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)力水平。而作為煤礦井下各類生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)哪芰縼?lái)源，電力如若不能及時(shí)恢復(fù)，輕則導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，重則導(dǎo)致人員傷亡，因此保障供電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行尤為重要。

近些年來(lái)，人們?cè)谕咚節(jié)舛缺O(jiān)測(cè)、采掘設(shè)備控制等領(lǐng)域的應(yīng)用研究較為深入，而對(duì)于煤礦井下供電系統(tǒng)的監(jiān)控研究則相對(duì)不足，煤炭設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行和各項(xiàng)傳感系統(tǒng)的正常工作，都離不開電能的可靠供應(yīng)，因此，設(shè)計(jì)一套礦井供電智能監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、合理配置相關(guān)參數(shù)十分必要。

1 礦井供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與分析

如圖1 所示，煤礦供電系統(tǒng)主要分井上、井下兩部分，由變電站、變電所和移動(dòng)變電站等多個(gè)部分組成，以綜采工作面供電系統(tǒng)為例，主要由變電所、移動(dòng)變電站、工作面工作設(shè)備等組成。由于煤礦井下空間狹小，伴隨著煤炭開采空氣中含有大量煤粉顆粒等細(xì)小物質(zhì)，影響著電力設(shè)備的壽命，同時(shí)也導(dǎo)致供電系統(tǒng)故障多發(fā)。

圖1： 綜采工作面供電系統(tǒng)說(shuō)明圖

煤礦供電系統(tǒng)的主要故障為短路故障，具體可以細(xì)分為相間（兩相、三相）故障和漏電故障，發(fā)生故障后在降低電能質(zhì)量的同時(shí)，短路能量還會(huì)造成電力設(shè)備絕緣損傷，影響使用壽命，嚴(yán)重的還可能引發(fā)瓦斯爆炸。根據(jù)常見的故障類型，目前供電監(jiān)控系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于多級(jí)逐段控制下的供電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，短路保護(hù)難以定位；同時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)采集精度較低，通信穩(wěn)定性較差，難以對(duì)故障作出判斷，影響決策。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖2 所示，全系統(tǒng)分為地面和井下兩部分，其中井下部分以TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)為核心，根據(jù)變電所位置分為中央變電所、采區(qū)變電所、移動(dòng)變電所三個(gè)監(jiān)控單元，各個(gè)監(jiān)控單元內(nèi)部均設(shè)立監(jiān)控分站，分站通過(guò)RS485 通信與對(duì)應(yīng)高爆開關(guān)或低壓?jiǎn)?dòng)器相連，實(shí)時(shí)獲取電壓、電流、功率、能耗等供電參數(shù)和系統(tǒng)定值、刀閘斷路器狀態(tài)、動(dòng)作限值等設(shè)備狀態(tài)。

圖2： 礦井供電智能監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

各變電所監(jiān)控單元通過(guò)底層的低壓?jiǎn)?dòng)器等監(jiān)控設(shè)備將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)通信總線傳遞給監(jiān)控分站，并經(jīng)過(guò)監(jiān)控分站存儲(chǔ)、打包為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，傳遞給以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與其他分站的通信。集成數(shù)據(jù)通過(guò)訪問(wèn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下參數(shù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)顯示、狀態(tài)預(yù)警分析和相關(guān)參數(shù)的遠(yuǎn)程配置。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 分站主控芯片選擇

CPU 選擇及以太網(wǎng)傳輸模塊選擇：

監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與監(jiān)控分站等核心部分的運(yùn)行性能密不可分，監(jiān)控分站主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入接口、輸出接口、以太網(wǎng)接口和RS485 通信接口組成，本系統(tǒng)采用STM32F407 作為核心處理器，它內(nèi)部含有靈活靜態(tài)存儲(chǔ)控制器FSMC，確保對(duì)視頻數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定處置，USART 通信端口則能實(shí)現(xiàn)對(duì)485 數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)串行同步通信端口的SPI 功能，能夠?qū)崿F(xiàn)與以太網(wǎng)接口的通信，而以太網(wǎng)處理芯片W5500 則可以通過(guò)RJ45 接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)所使用的W5500 芯片內(nèi)部集成TCP/IP 體系架構(gòu)的ICMP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠完成數(shù)據(jù)打包、硬件傳輸，通過(guò)SPI 通信接口與CPU 相連，并控制相應(yīng)寄存器，可以確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。當(dāng)需上傳數(shù)據(jù)時(shí)，主控CPU 控制芯片完成IP 配置和TCP 協(xié)議初始化之后，建立TCP 連接，并將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送給W5500，完成數(shù)據(jù)封裝置后，經(jīng)由主站設(shè)備傳遞給以太網(wǎng)。當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，W5500 在接收到地面?zhèn)鬏數(shù)目刂浦噶詈?，完成?shù)據(jù)的解包處理，并傳遞給主控CPU，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整或緊急狀態(tài)處置。如圖3 所示。

圖3： CPU 內(nèi)部組成及以太網(wǎng)傳輸模塊W5500

3.2 啟停信號(hào)采集及聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確感知各個(gè)信號(hào)、傳感器等關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸出的具體狀態(tài)，需要使用啟停信號(hào)采集電路，并如圖4 所示。電平信號(hào)由接入端IN1、IN2 引入之后，經(jīng)過(guò)光電耦合器和具有上拉電阻的反相觸發(fā)器，由OUT1、OUT2 輸出。通過(guò)該裝置，可以將原有信號(hào)進(jìn)行隔離，避免外界電磁信號(hào)的干擾，并直接接入監(jiān)控分站處理器，實(shí)現(xiàn)感知。

圖4： 啟停信號(hào)采集及聲光報(bào)警電路

同時(shí)為確?，F(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備健康運(yùn)行，在完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、信號(hào)參數(shù)采集之后，通過(guò)預(yù)先設(shè)定閾值的方式，完成報(bào)警，系統(tǒng)電路如圖4 所示，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)IO 引腳置低電平，光電耦合器處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而保證繼電器處于閉合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)小電流對(duì)大電流的控制，完成系統(tǒng)報(bào)警。

3.3 通信電路設(shè)計(jì)

為確保供電系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，需要使用一種抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)密度較大、通信穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式，基于以上考慮本系統(tǒng)選用硬件電路為RS485 差分通信，通信協(xié)議為Modbus 的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)底層傳感裝置與監(jiān)控分站之間電壓、電流、功率、環(huán)境溫度、刀閘狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)的傳輸。如圖5 所示。

圖5： RS485 電路模塊設(shè)計(jì)

相較于其他共模傳輸方法，RS485 通過(guò)采用差分電平和平衡驅(qū)動(dòng)器搭配的方式完成通信電平轉(zhuǎn)換，抗共模信號(hào)干擾能力強(qiáng)，其傳輸速率最高可達(dá)12Mbps 傳輸速率，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1200m，并支持中繼器的傳輸方式，本方案即采用此方法。除此之外還具有聯(lián)網(wǎng)多機(jī)通信功能，最多搭載128個(gè)終端。軟件協(xié)議方面，采用標(biāo)準(zhǔn)ModBus 協(xié)議，通信數(shù)據(jù)幀格式如圖5 所示，主要由初始幀結(jié)構(gòu)（大于4 字節(jié)）、地址碼（預(yù)先定義，1 字節(jié)）、功能碼（預(yù)先定義，1 字節(jié)）、數(shù)據(jù)區(qū)（隨機(jī)確定，N 字節(jié)）、校驗(yàn)碼（16 位數(shù)據(jù)）、結(jié)束結(jié)構(gòu)（大于4 字節(jié)）組成。

其中校驗(yàn)碼主要通過(guò)CRC16 循環(huán)冗余算法計(jì)算，數(shù)據(jù)接收方通過(guò)核對(duì)接收到的校驗(yàn)位數(shù)據(jù)與自己接收到的其他數(shù)據(jù)計(jì)算得到的校驗(yàn)位相比較，從而確定接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作流程

作為監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分，監(jiān)控分站的工作流程如圖6 所示，當(dāng)系統(tǒng)上電之后，首先完成軟件系統(tǒng)初始化，完成初始參數(shù)配置，隨后完成系統(tǒng)對(duì)應(yīng)硬件電路的初始化，確保刀閘、開關(guān)等位置正確。當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)關(guān)鍵設(shè)備都正確后，開始創(chuàng)建通信任務(wù)，主要分為下行的RS485 通信及其協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)，通過(guò)該任務(wù)可以完成對(duì)溫度傳感器、電壓電流互感器等電網(wǎng)關(guān)鍵參數(shù)的讀取，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；隨后根據(jù)以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)上行通信數(shù)據(jù)讀取，例如遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行定值參數(shù)配置、倒閘操作等等，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)將當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至地面部分。

圖6： 監(jiān)控分站工作流程圖

當(dāng)檢修人員需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行本地設(shè)施時(shí)，還可以通過(guò)按鍵進(jìn)行操作，通過(guò)相應(yīng)485 協(xié)議調(diào)試設(shè)備可以看到對(duì)應(yīng)按鍵操作是否得到響應(yīng)，以便進(jìn)行操作調(diào)整，并縮短系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。

4.2 軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

為確保供電系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)均清晰可見，并明確把握供電系統(tǒng)整體狀態(tài)，設(shè)計(jì)了如圖7 所示的礦井供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面，該界面由組態(tài)軟件編制，通過(guò)以太網(wǎng)與井下設(shè)備相連，在讀取井下設(shè)備狀態(tài)的同時(shí)，能夠遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行切換。

圖7： 監(jiān)控系統(tǒng)界面示意圖

該系統(tǒng)主要分為功能菜單、參數(shù)曲線和狀態(tài)列表三個(gè)部分，其中功能菜單能實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史曲線、數(shù)據(jù)的保存、查詢功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)?shù)卿浵到y(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)方刀閘的緊急操作。

通過(guò)設(shè)置當(dāng)前設(shè)備，可以調(diào)用參數(shù)曲線功能查看相應(yīng)變電所的環(huán)境溫度和歷史負(fù)荷曲線，可以幫助運(yùn)行人員對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)負(fù)荷情況有明確的認(rèn)識(shí)。通過(guò)狀態(tài)列表，則可以直觀看到不同變電所對(duì)應(yīng)的電壓、電流、負(fù)荷大小及刀閘狀態(tài)等等，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行方式，結(jié)合歷史傳感器參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的正常、告警、報(bào)警等多種狀態(tài)的判斷，以提示運(yùn)維人員及時(shí)采取相關(guān)措施。

同時(shí)根據(jù)當(dāng)前報(bào)警狀態(tài)，系統(tǒng)可以作出判斷，并明確相間短路、漏電短路等多種故障可能性，幫助作業(yè)人員快速實(shí)現(xiàn)故障判別，從而降低供電系統(tǒng)故障運(yùn)行時(shí)間，確保設(shè)備健康運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)故障診斷機(jī)理

礦井供電系統(tǒng)故障診斷方法通常有人工檢測(cè)和智能監(jiān)測(cè)兩大類，人工檢測(cè)以直觀檢測(cè)法、替換檢測(cè)法、短接檢測(cè)法和參照檢測(cè)法為主，智能監(jiān)測(cè)以供電系統(tǒng)自主化主站檢測(cè)、故障同步檢測(cè)和主站及終端協(xié)調(diào)檢測(cè)為主。其中自動(dòng)化主站和終端協(xié)調(diào)檢測(cè)可以模擬供電系統(tǒng)故障場(chǎng)景并將相關(guān)數(shù)據(jù)注入主站，由主站通過(guò)遠(yuǎn)程命令實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)，與此同時(shí)結(jié)合安裝在系統(tǒng)各個(gè)位置的故障發(fā)生器、分析注入的模擬短路電流波形，完成對(duì)主站相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井供電系統(tǒng)故障方式的分析。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在研究煤礦井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和變電所等關(guān)鍵裝置分布的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以STM32F4 為核心的監(jiān)控分站為關(guān)鍵點(diǎn)、RS485 為主要通信方式的智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)運(yùn)行電壓電流等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各變電所運(yùn)行狀態(tài)直觀反映，并實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。通過(guò)集成監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的故障分析功能，可以協(xié)助人員完成故障判斷，從而提高搶修速度，對(duì)拓展智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。