淺談煤礦井下變電所高壓供電監控係統設計與應用

摘要:結合煤礦井下供電係統的特點，以6kV供電回路作為(wei) 監控對象，設計了煤礦井下變電所高壓供電監測係統，可實現對高壓配電開關(guan) 的電壓、電流、溫度的實時監控。

關(guan) 鍵詞:供電係統；數據采集；監控係統

0引言

電力是煤礦井下重要的動力來源，由於(yu) 井下工作環境惡劣，端線、擠壓短路、過負荷、漏電等故障時有發生，在這些故障發生之前，在高壓配電開關(guan) 處往往會(hui) 伴隨著一係列的征兆，包括電壓電流的急劇變化、溫度的上升等。

本文設計的高壓供電監控係統可以將這些特征量實時上傳(chuan) 至井上監控中心，減少故障發生的概率，當故障發生時可快速定位，提高排除故障的工作效率，進而減少因電力係統的故障造成的財產(chan) 損失。通過地麵計算機的控製，可以實現對開關(guan) 的分、合閘操作，提高供電係統管理的水平。供電監控係統和供電係統相對獨立，當監控係統出現故障時，不會(hui) 對高壓供電係統產(chan) 生影響，但可以實現對高壓供電係統的實時監測和控製。

1高壓供電監控係統結構設計

1.1結構設計

煤礦井下供電監控係統的結構圖如圖1所示，整個(ge) 係統結構為(wei) DCS型(集散型)分布式計算機監控，分為(wei) 地麵監控站和井下監控站，兩(liang) 者之間采用RS-485通信方式，各個(ge) 井下變電站負責對本變電站監控信息的采集，采集的數據存放在井下變電站的控製器緩存區中，當地麵變電站向井下變電站發出訪問指令時，各個(ge) 井下變

圖1煤礦井下供電監控係統結構

電站發送自己緩衝(chong) 區的所有數據，地麵變電站可以將井下監測數據實時顯示在軟件監控界麵，並可以根據情況向井下變電站發出分、合閘操作指令。

1.2通信方式選擇

煤礦井下的常用的通信方式有:RS-485、CAN總線、RS-232、光纖通信、Zigbee組網等方式，為(wei) 了簡化供電監控係統的結構在地麵計算機和井下變電站之間的通信方式，選擇為(wei) 帶光電隔離的RS-485，其接線方式為(wei) 2線製，可傳(chuan) 輸距離為(wei) 1500m，可以滿足井上PC到井下變電站的距離要求，通過光電隔離技術增強信號的抗幹擾性。數據采集器到變電站的距離較近，可以采用RS-232通信方式，其接線方式為(wei) 3線製，可傳(chuan) 輸距離為(wei) 15m。

2係統硬件設計

2.1主控芯片選型

係統選用MSP430F5438單片機，它是TI公司推出的一款具有256KiB存儲(chu) 容量的嵌入式微控製器。它的特點是具有極低的功耗，隻需2.2~3.6V的直流供電。在低功耗基礎上集成更加豐(feng) 富的外設，即有3個(ge) 16位定時器、1個(ge) 高速12位模/數轉換器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看門狗定時器、Pl￣P10端口等，該芯片可以應用於(yu) 模擬和數字傳(chuan) 感器係統,係統主要利用MSP430F5438，可以實現采煤機電氣控製器的主要功能，並可降低係統功耗。

2.2隔離型RS-485電路設計

在井下變電站和井上監控平台之間的通信方式選擇為(wei) RS-485，芯片選行為(wei) ADM2587E，該芯片是ADI推出的單電源供電的隔離型芯片，SOW￣20封裝，傳(chuan) 輸速率為(wei) 500Kibit/s，隔離電壓2.5kV，被廣泛應用在工控、電力等需要隔離RS-485的場合。

隔離型RS-485電路原理圖如圖2所示，為(wei) 了降低線路中的共模電壓、雷擊、浪湧電壓等對通信的幹擾，在總線處采

圖2隔離型RS-485電路

取的保護措施如下:在VA、VB管腳上串接RT電阻。該電阻的阻值範圍是4~10Ω，VA、VB管腳對地接TVS管，也可以采取電阻和穩壓二極管串聯的方式進行連接。

2.3RS-232通信電路設計

在井下變電站和數據采集器之間的通信方式選擇為(wei) RS-232，該種方式可以選擇的傳(chuan) 輸速率範圍是從(cong) 50bit/s到38400bit/s，可以實現雙工異步通信，在接線中保留TXD、RXD、GND3條線。

在井下變電所的高壓供電監控係統中，利用MAX3232ESE實現TTL和RS-232之間的電平轉換，設計電路如圖3所示，其中RX1、TX1接單片機的串口，RX232￣1、TX232￣1分別數據采集器的RS-232專(zhuan) 用串口，進行數據傳(chuan) 輸。同時，為(wei) 了增加係統的擴展性，預留一路串口，方便以後硬件結構的升級。

圖3RS-232通信電路原理

2.4測溫電路設計

高壓配電開關(guan) 的溫度測量傳(chuan) 感器選型為(wei) DS18b20芯片，實時采集開關(guan) 低壓腔體(ti) 內(nei) 部的溫度，並將溫度信息實時上傳(chuan) 給井上監控中心。

DS18B20的溫度讀取主要通過對其DQ引腳讀、寫(xie) 高低電平的時序來實現，為(wei) 了增加DS18B20的驅動能力，在DS18B20的DQ引腳上增加一個(ge) 上拉電阻，保證在所有的讀、寫(xie) 過程中被可靠置高或者置低，電路原理如圖4所示。溫度讀取過程中，主要由初始化時序、讀時序、寫(xie) 時序。所有時序都是將主機作為(wei) 主設備，單總線器件作為(wei) 從(cong) 設備，而每一次命令和數據的傳(chuan) 輸都是從(cong) 主機主動啟動寫(xie) 時序開始，如果要求單總線器件回送數據，在進行寫(xie) 命令後，主機需啟動讀時序完成數據接收。

圖4測溫電

3軟件設計

3.1測溫程序設計

3.1.1DS18B20暫存寄存器分布

DS18B20溫度傳(chuan) 感器采用單總線結構，通過對溫度傳(chuan) 感器的信號線的讀、寫(xie) 操作，可以實現對溫度數據的讀取，DS18B20的高速暫存存儲(chu) 器由9個(ge) 字節組成，其分配如表1所示。當溫度轉換命令發布後，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲(chu) 器的第0個(ge) 和第1個(ge) 字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在後，數據格式如表1所示。對應的溫度計算:當符號位S＝0時，直接將二進製位轉換為(wei) 十進製;當S＝1時，先將補碼變為(wei) 原碼，再計算十進製值。表1是對應的一部分溫度值。第九個(ge) 字節是冗餘(yu) 檢驗字節。

表1DS18B20暫存寄存器分布

3.1.2測溫程序設計

在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發出溫度轉換命令後，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個(ge) DS1820接觸不良或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，msp430單片機的P6.2引腳與(yu) DS18B20的DQ引腳連接。

3.2上位機界麵設計

煤礦井下高壓供電監控係統的上位機軟件采用VB程序進行編程，主要是基於(yu) 可視化窗口的編碼器，利用C語言編程，並通過增加代碼的屬性來調用不同的組件，減少程序編寫(xie) 的難度，*終可以生成.exe文件，方便軟件的安裝。

上位機軟件的主要作用是通過井上監控平台，對煤礦井下高壓供電係統的配電開關(guan) 狀態進行實時的顯示並存儲(chu) 狀態信息，當係統出現故障時，方便曆史數據查詢、調用。對於(yu) 井下高壓配電開關(guan) 的操作功能主要包括:分閘、合閘、複位，在進行配電開關(guan) 操作時，需要先輸入操作密碼，避免隨意操作造成事故。

井下高壓供電係統的監控界麵如圖5所示，主要信息量包括井下各個(ge) 變電所的不同位置的高壓配電開關(guan) 的電壓、電流、溫度數據。具有曆史數據查詢的功能，在查詢功能中，可以選擇不同日期、不同時間、不同變電所、不同位置的配電開關(guan) ，對某一時刻的信息進行查詢。

圖5井下高壓供電係統的監控界麵

4安科瑞Acrel-2000Z18luck新客户端係統解決(jue) 方案

4.1概述

針對用戶變電站（一般為(wei) 35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關(guan) 櫃綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chan) 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(chuan) 輸技術，集保護、監測、控製、通信等功能於(yu) 一體(ti) 的開放式、網絡化、單元化、組態化的係統，適用於(yu) 35kV及以下電壓等級的城網、農(nong) 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(wei) 變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2應用場所

適用於(yu) 軌道交通，工業(ye) ，建築，學校，商業(ye) 綜合體(ti) 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。

4.3係統架構

Acrel-2000Z18luck新客户端係統采用分層分布式設計，可分為(wei) 三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為(wei) 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。

4.4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(guan) 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(chu) 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(nei) 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(yi) 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(ge) 係統網絡結構。

（10）電能質量監測：可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 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(ge) 配電係統範圍內(nei) 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。

4.5係統硬件配置

5結論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為(wei) 研究對象，設計煤礦井下變電所高壓供電監控係統。設計隔離性RS-485通信電路，實現井上PC到井下變電所的雙向通信，在數據采集器中，選擇主控芯片為(wei) 超低功耗的MSP430單片機，進行電壓、電流、溫度數據的采集，在軟件設計中，詳細介紹了DS19B20測溫芯片的測溫流程、並利用VB軟件，對井上監控平台的監控係統軟件進行設計，實現對煤礦井下高壓供電係統的實時監測和曆史數據查詢等功能。

安科瑞侯文莉