煤礦變電站監測監控系統的設計

崔斌

(西山煤電股份有限公司 西曲煤礦， 山西 古交 030200)

0 引言

煤礦地面變電所的主要功能是為整個礦區提供電能，主要包括煤礦井下、地面生活區、地面選煤廠等。某些對電能質量比較敏感的設備如立井提升機，對電能質量提出一定的要求。因為電能中存在高次諧波或其他不穩定因素，輕者導致設備無法啟動，重則導致設備在運行時出現突發事故，造成嚴重的經濟損失或人員傷亡。目前礦區中普遍使用的變電站檢測監控設備，存在成本高、安全性差、監控精確度不夠以及自動化程度比較低等問題，這給礦井的安全生產帶來了極大的隱患。為此，經分析研究，設計了一套基于ARM嵌入式的煤礦變電站電能監控系統。該系統將保護和現場的監控結合為一體，不僅能對電網中電能的質量進行實時檢測，很好地保障礦井的用電質量，而且具有極高的自動化程度，能自動判斷故障并做出相應的處理[1-3]。

1 系統整體架構

圖1所示為本系統的硬件架構圖。

從圖1中可以看出,該系統的硬件大體上分為以下幾部分。

1) 最小系統模塊。包括CPU、晶振電路、JTAG下載接口電路和電源模塊等。

2) 外部人機接口器件。包括LCD顯示屏、鍵盤等。

3) 通信接口以及各種信號的輸入輸出接口。包括USB接口、RS-232接口、以太網接口以及I/O接口等。

2 系統硬件設計

2.1 CPU處理器選型

系統采用的主控CPU是基于ARM架構的STM32系列處理器，型號為STM32F103ZET6。該芯片采用Cortex-M3內核的32位處理器，最高主頻為72 MHz。表1所示為該芯片的主要硬件資源[4]。

表1 STM32F103ZET6主要硬件資源

2.2 ALF低通濾波電路設計

圖2為系統設計的ALF低通濾波電路。電路中使用DC12V為運放提供差分電源，經過C42和C43兩個電容對電源進行濾波后輸入到運放中，能有效地減小電路中的工模干擾。為了防止信號輸出時電壓突變造成后級設備的損壞，在電路的出口端加入了鉗位電路，通過D1和D2兩個方向連接的二極管將電壓限制在0～3.3 V之間，這樣可以很好地保護后面連接的數模轉換電路。電路使用的運放芯片型號為LM324，它是一款比較經典的、高性價比、高電流增益的運放芯片。電源可單電源供電，也可雙電源供電。由于內部具有溫度補償功能，故免去了外接電流偏置補償器件的冗余設計。

圖2 ALF低通濾波電路

2.3 串口通信電路

RS-232串口通信的特點是低速、近距離異步通信。系統利用其實現設備之間點對點的通信，可以比較靈活地用于現場數據的監測。

圖3為系統設計的RS-232通信電路。該電路采用MAX232型芯片，該芯片具有低成本、低功耗、高集成度等優點。供電電壓為+3.3 V，電路中采用C79和C80兩個電容來對芯片內部發送信號進行濾波處理，以提高電路的抗干擾能力。在電源和地之間串接1個大電容，能有效地濾除電源內部的高次諧波，提高電源的質量。接口采用通用的DB9接口，連接線共有3條，分別是RX、TX和GND，分別連接DB9接口中的3、2、5號管腳。系統串口通信速率設置為115 200 bit/s，1個停止位和8個數據位。通過中斷的方式接受并處理數據，可有效地提高數據通信的效率[5]。

圖3 RS-232串口通信電路圖

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

圖4為系統的主程序流程圖。控制器上電后首先對系統進行初始化，初始化完成后對系統進行自檢，主要是監測各種外圍設備是否在線，各種傳感器是否工作正常等。如果系統自檢沒有通過,則返回初始化程序,繼續對系統進行初始化；如果自檢合格,則打開系統中斷，接受外部的中斷觸發；當有中斷源發生時,程序指針進入到相應的中斷子程序中進行相關數據的處理。處理完畢后，判斷變壓器的工作狀態是否正常：如果正常,則顯示正常狀態并將相關數據進行存儲；如果有故障發生,則識別故障類型并進行聲光報警處理[6]。

圖4 變電站監測監控設備系統主程序流程圖

3.2 A/D采樣程序設計

圖5為系統A/D采樣程序流程圖。由于采樣系統需要的實時性比較強，因此A/D采用了中斷采樣的方式。中斷由定時器觸發，定時器的觸發時間與電網中基波頻率之間成正比關系。該系統共有60個采樣點，在波形點每個周期對其進行采樣。由于電網的頻率是50 Hz，故每個點的采樣時間為333 μs，即設置定時器的時間間隔為333 μs。定時器時間到時,觸發A/D采樣申請，觸發采樣中斷后進入到相應的子程序中，首先是保護現場，然后啟動芯片內部的A/D轉換模塊，轉換完成后讀取A/D相關寄存器中的結果，然后退出程序，準備接受下一次中斷。

3.3 故障處理程序設計

故障處理子程序是系統的核心功能，也采用中斷方式。當有故障發生時,觸發系統中斷，進入到相應的中斷處理子程序中，計算出差動電流，然后判斷是否滿足差動速斷保護。如果滿足,便立即跳閘,如果不滿足,再判斷是否是斷線故障；如果是則發出相應的聲光報警,如果不是再判斷比率制動是否在合理的區域,如果不在立即對其進行閉鎖操作。最后是判斷二次諧波是否滿足條件。圖6為故障處理程序流程圖。

圖5 A/D采樣程序流程圖

圖6 故障處理程序流程圖

3.4 頻率測量子程序

通過查閱資料可知,基波頻率的正常范圍為44～65 Hz。如果測量的頻率值在該范圍內,則需要對其進行存儲。電網中基波頻率在理想狀態下為50 Hz，但受用電設備及電網傳輸的影響，其相應的頻率也會發生小范圍波動。一般允許的上下波動范圍是0.2 Hz，容量比較小的電網系統中允許范圍相對較大,一般在0.5 Hz左右。

頻率測量子程序如圖7所示，該程序的主要任務是測量電網中基波的頻率。首先是捕捉中斷的發生，中斷觸發后讀取相應寄存器的值，如果是第一次進入中斷則判斷為誤觸發，程序返回繼續捕捉。當二次觸發時計算相應頻率判斷是否在正常范圍內，如果在就將數據保存，如果不在則做出相應的處理。

圖7 電網頻率測量子程序流程圖

4 結論

本文設計的煤礦變電站監測監控系統，經過實驗中功能驗證和現場試驗后，證明了其功能的完整性和可靠性，在一定程度上能夠滿足工業需求，為煤礦同類型設備的設計提供了參考。