摘要：目前煤礦井下電力係統發生了各種各樣的創新和變化。部分礦井使用更高的功率和配電電壓較高的電氣開關設備，通常使用可編程邏輯控製器(PLC)進行控製、監控和診斷應用，使用內置測試電路改進繼電保護，在負載附近進行功率因數校正，以改進電壓調節以及修改電力係統部件布置。18luck新客户端係統是由於工作麵設備(尤其是長壁設備)的功率需求顯著增加所需要的。監測係統主要目的是改善動力係統的運行特性，提高了礦井生產安全性。介紹了利用ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監控係統，並對係統進行測試分析，表明了係統穩定可靠且安全性較高。
關鍵詞：煤礦；供電係統；監控係統；ARM技術；測試應用
0引言
在過去幾十年裏，煤炭生產成本繼續下降，這些收益是技術改良的直接結果，同時也是在很大程度上歸根於電氣係統技術進步的結果。通過企業開發和應用更強大、更複雜的設備，並通過設計向該設備供電的係統，實現了生產收益。近年來，煤礦井下電氣係統的電力需求急劇增加。以前，1500kVA的電力網絡通常被認為是井下應用的大型電力中心，主變電站大約由5000kVA的變壓器供電。如今，高產長壁工作麵的電力中心容量超過5000kVA。隨著長壁工作麵長度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣係統的技術限製在2個方麵：自動化和電力輸送。隨著生產率的提高，工人們越來越難跟上機器的步伐，因而為18luck新客户端係統開發了自動化技術。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18luck新客户端係統繼續開展技術討論。解決的18luck新客户端問題是：如何在沒有嚴重電壓調節問題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經濟地中斷較大的電力波動，特別是在故障條件下的安全監控。本文中討論的許多創新成果為礦井18luck新客户端係統研究提供了依據。
1礦井18luck新客户端係統應用目標
1.1設計目標
煤礦綜合18luck新客户端係統是在充分利用礦井外電力綜合自動化技術的基礎上，專門對井下供電係統、電力保護裝置、調度自動化等一體化進行監測監控的電力自動化平台。該平台可以集高低壓開關在地、離地的保護、測量和控製於一體，實現地下變電站無人值守運行、整個礦山電力係統運行狀態的監控、運行參數超限報警、礦山調度係統的實施，實現
視頻圖像監控係統實現互聯。
1.2礦井電力供應簡介
我國大多數煤礦屬於井工開采，煤礦供電係統從上到下依次為地麵變電所、井下中央變電所、采區變電所以及移動變電站。供電係統普遍采用的是多級短電纜組成的幹線式電網結構。煤礦高壓供電等級一般為6~10kV，低壓等級有3300V、1140V、660V、380V和220V。《煤礦安全規程》要求井下供電網絡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故障以後，通過調整高壓開關，可以將另一路正常電源接過來，保證了負荷的持續供電。
2監測係統的設計
2.1係統架構設計
在回顧了過去和現有的煤礦電力供應技術之後，開發並提出了一個簡單的監控係統。該係統以監控單元為主，如圖1所示。這兩個單元都由作為核心微控製器的LPC2148組成，屬於ARM控製器類型。通過以太網收發器相互通信，采礦裝置和監控裝置中使用的收發器屬於同一類型。
圖1煤礦18luck新客户端係統架構示意
ARM控製器作為監控係統的核心單位，它采用STM32F103RAM32位處理器作為係統的主芯片，配有24位模數轉換器和640×480真彩色液晶顯示屏以及相應的軟件。該裝置以OMAP平台為核心作為保護，較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數字信號處理能力和高ARM926芯片的外圍集成，組網突出的特點為煤礦配電係統網絡保護裝置提供了一種新的研究結構。
在18luck新客户端係統中集成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了一些弊端，如顯示值暴漲、激光功率變弱等。但是該傳感器的加速度最小，為1mm／s2，可用於微地震信號的測量和電力環境中的泄漏測量。
2.2硬件設計
2.2.1ARM微控製器選型
係統選用ARM7TDMI係列的微控製器，具有極低的功耗和價格並提供高性能的技術特點。ARM架構基於精簡指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關解碼機製比微編程複雜指令集計算機(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。
ARM7TDMI處理器采用了的架構策略(THUMB)，這使得它非常適合內存受限的大容量應用，或者代碼密度存在問題的應用。ARM麵對用戶串口如圖2所示。
圖2ARM麵對用戶串口示意
筆者使用LPC2148，具有如下特征：①16／32位ARM7TDMI-S微控製器，采用小型LQFP64封裝；②40KB片內靜態RAM和512KB片內閃存程序存儲器；③通過片內引導加載軟件進行係統內或應用程序內編程；④兩個10位模數轉換器總共提供14個模擬輸入，每個通道的轉換時間低至2．44s；⑤單個10位數模轉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)、具有緩衝和可變數據長度功能的SPI和SSP；⑦具有可配置優先級和向量地址的向量中斷控製器；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元器件設計
18luck新客户端係統不僅需要對電力運行情況進行監控，還需要對周圍環境的變化進行感應，以便隨時做出針對於電力調節方麵的變化，因此，設計了氣敏、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。
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，固定在由塑料和不鏽鋼網製成的外殼中。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個用於獲取信號，另外2個用於提供電流。MQ-7傳感器與ARM7TDMI的P0
圖3MQ-7氣體傳感器
接口進行連接F。
在所提出的係統中，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。這裏需要注意的是，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，傳感器電阻將發生變化，該傳感器連接至LPC2148。
2.3以太網的適配
以太網是由IEEE802.15.4個人區域網標準指
導的一種新的無線技術。它主要為廣泛的自動化應用而設計。它目前以20000B／s的數據速率工作，占據在868MHz頻段，在發達工業國家可以以250000B／s的最大數據速率工作，最高可達2400MHz，有效減小了外部信號幹擾。
以太網規範是射頻Lite和802．15．4規範的結合。該規範工作在2400MHz無線電頻段，與802.11b標準、藍牙、微波和一些其他設備相同。因礦井工作環境惡劣，選用以太網作為通信網絡較合適。以太網絡可以連接255台電力設備[9]。收發模塊的範圍在井下可達300~700m，在室外可達1.0~1.5km。收發器具有片內有線天線，工作頻率為2400MHz。從微控製器接收的數據根據以太網協議標準進行組織，然後進行調製。該規範支持300m範圍內高達250KB／s的數據傳輸速率。
雖然以太網的技術比802．11b(11MB／s)和藍牙(1MB／s)慢，但功耗明顯更低[10]。係統使用一對以太網模塊，一個用於傳輸地下部分的數據，另一個用於接收地麵或監控部分的數據，並且設置主站係統，如圖4所示。
圖4主站係統組成結構示意
每當監控係統授權人員想要知道參數的狀態，或者每當參數值增加到閾值以上時，就會通過調製解調器發送消息。該故障通過液晶屏上的顯示來指示。該電力監測將有助於技術人員。
2.4軟件設計
WinCC是一個基於窗口的軟件開發平台，它將強大的現代編輯器與軟件多個拓展工具相結合。它集成了開發嵌入式應用程序所需的所有工具，包括C／C＋＋編譯器、宏匯編器、鏈接器／定位器和十六進製文件生成器。WinCC通過提供集成開發環境，幫助加快嵌入式應用的開發過程。其中生成的KEIL可以用來創建源文件；采用易於使用的用戶界麵設置的選項，完成自動編譯、鏈接和轉換，最後在可以訪問數據變量過程中和內存硬件上模擬或執行調試。WinCC大大簡化了創建和測試嵌入式應用程序的過程。
為了將應用程序下載到閃存中，這個WinCC實用工具平台是必要的。用C語言生成的程序代碼經過處理後生成十六進製形式的目標代碼。它被稱為十六進製文件。為了將這個十六進製代碼轉儲到控製器的閃存中，該工具提供了Keil編譯版本。對於舊版本的編程，同樣的任務是在名為FlashMagic的軟件的幫助下完成的，在程序內部通過RS-485總線技術進行數據的傳遞，主要針對於自檢模塊、故障模塊功能進行加強，如圖5所示。
3係統安全性設計
3.1接地故障保護
18luck新客户端係統在離線模式下，當電力負載關閉時，該係統持續監控電機繞組和電機啟動器互連電纜的絕緣水平。該裝置具有可調範圍平衡電平，並具有輸出計量驅動器(0~1mA)來驅動遠程儀表或與ARM控製器接口。如果檢測到低絕緣水平或離線接地故障，該裝
圖5係統主程序流程示意
置將鎖定電機電路。該係統還可以顯示以歐姆為單位的絕緣水平，這有助於預測性維護。
高壓線路利用電路需要後備接地故障保護的功能，如果中性接地電阻開路時發生接地故障，後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係統中越來越常見。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。如果持續故障導致接地電阻發熱，該保護的目的是打開輸入配電電纜的接地檢查先導電路。係統應在接地電阻最大溫升的50％範圍內或150℃下運行，以較小者為準。由於與附近的電力變壓器相比，故障接地電阻產生的熱量相對較低，因而很難設計出確保這種保護可靠運行的係統。監控係統已經接受了替代方法，如過載電流互感器，隻要替代方法不需要控製電源運行，保障了監控係統在電力線路發生故障的條件下也能保持工作性能。
3.2功率因數校正和電壓調節
大多數煤礦企業認識到電網功率因數校正的經濟效益。通過將平均月電網功率因數保持在1.0附近，可以顯著節省電力成本。由於大多數煤礦電網的功率因數校正發生在井外，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節控製係統並沒有充分發揮出性能。然而，在大容量長壁開采之前，這種功率因數校正優勢並不那麽重要。在一些大容量係統中，需要在電機負載附近放置功率因數校正的電容，以提供足夠的電壓調節並減輕電機啟動期間電網電壓下降的嚴重程度。
目前，煤礦企業現在正在以電網電力控製中心為連續采礦區安裝電容器組。如果有足夠的空間，電容器通常安裝在電力中心集中控製平台上。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人員執行真空接觸器和電流或無功檢測用於控製開關點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應與開關電容器串聯，電容器應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節的方法是使用更高的分配電壓。過去，7.2kV是煤礦井下常見的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經無法滿足對於今天的大容量長壁工作麵開采。因此，在運用18luck新客户端係統時，應當安裝一個單獨的13．8kV配電係統，專用於長壁開采係統及其相關的井上電氣設備。礦井的其餘部分仍由7.2kV配電係統供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為14.4kV的配電係統，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。隻有搭載適應的電網電壓並進行功率因數校正，才能確保18luck新客户端係統發揮較好的性能。
418luck新客户端試驗測試分析
4.1試驗係統組成設計
試驗係統構成如圖6所示。在10kV開閉所接一麵KYN28A-12(Z)高壓開關K2，模擬10kV變電所Ⅱ段任一饋出高壓開關K2，在該開關櫃安裝DMP5101終端1台；再接4台BGP9L(Y)高壓防爆開關K3、K4、K5、K6，模擬井下兩級變電所的供電線路，每台高壓防爆開關內安裝1台礦用保護器。五台開關之間一次側采用高壓橡套電纜連接，末端高壓防爆開關負荷側接1根高壓橡套電纜。在K2與K3之間設置短路點D1、在K4與K5之間設置短路點D2、在K6負荷側電纜終端設置短路點D3。
4.218luck新客户端係統試驗運行
點擊係統圖標進入煤礦18luck新客户端軟件，可以選擇查看地麵或井下配電室監控畫麵，同時點擊井下配電室係統中的變電所界麵，查看井下1號變電所監控畫麵。監控畫麵中矩形
圖6試驗係統組成
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，綜合顯示高爆櫃當前的運行情況，紅色代表合閘位置，綠色代表分閘位置。係統另一個重要功能是對曆史數據的查詢，曆史數據曲線主要功能是將電流、電壓等數據以曲線的方式顯示，提供直觀的數據顯示、對比功能。
曆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、報警內容及持續時間，方便操作人員查詢及處理相關信息。
5.安科瑞18luck新客户端解決方案
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、開關櫃綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控係統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全麵管理。監控範圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。
Acrel-2000Z18luck新客户端係統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力係統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理係統。該係統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控製、通信等功能於一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的係統，適用於35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現對變電站的控製和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。
5.2應用場所
適用於軌道交通，工業，建築，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化係統工程設計、施工和運行維護。
5.3係統架構
Acrel-2000Z18luck新客户端係統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地麵積等多方麵的信息綜合考慮組網方式。
5.4係統功能
（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關故障、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：查詢各回路或設備時間的運行參數。
（5）實時告警：具有實時告警功能，係統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。
（6）曆史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。
（7）電能統計報表：係統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況。
（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。
（9）網絡拓撲圖：支持實時監視並診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個係統網絡結構。
（10）電能質量監測：可以對整個配電係統範圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。
（11）遙控功能：可以對整個配電係統範圍內的設備進行遠程遙控操作。
（12）故障錄波：可在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後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後一段時間的所有實時穩態信息。
（14）Web訪問：展示頁麵顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。
（15）APP訪問：設備數據頁麵顯示各設備的電參量數據以及曲線。
5.5係統硬件配置
6結語
本文針對目前礦井電力係統發生的係列變化，設計了井下電力監測係統。該係統的主要特點：對存在塑殼斷路器的替代產品進行了監控設計；改進了接地故障保護；測試模式、障礙和內置測試電路的接地保護有變化；改善電壓調節的負載附近功率因數校正；增加可編程控製器在控製、監控和診斷應用中的使用。ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監控係統提供低功耗平台，證明了像ARM7這樣的控製器的更高級版本可以有更快的執行速度和極低的功耗。通過使用遠程操作，該係統可以更實時對電力係統運行情況進行觀察，並且在工程現場驗證了該係統的安全性、可靠性、穩定性。
安科瑞侯文莉
