煤礦地面35 kV 變電所故障監控系統的設計

譚建梅

（山西煤炭運銷集團臨汾有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤礦開采過程中，需要用到大量的電力能源，如礦井的提升系統、通風系統、采掘系統與排水系統等所需的動力都來自煤礦供電網絡[1]。其中地面變電所為一級供電設施，向礦井主提升機與主通風機等關鍵性機電設備直接供電，并向井下移動變電站、采掘設備等間接供電，所以地面變電所供電的安全性與可靠性將直接影響整個煤礦的供電網絡[2-3]。目前仍有很多煤礦對地面變電所采用人工巡檢或其他低效的監控方案，無法實現在線監測功能，對煤礦的生產安全有著巨大隱患[4]。本文針對煤礦35 kV 地面變電所設計了一種故障監控系統，為變電所的安全運行與及時維修提供了數據保障與理論支持。

1 監控系統的方案分析與設計

1.1 變電所工作環境與設備分析

煤礦地面變電所一般設置于距離礦井1～3 km處，變電所中安裝有各種一次電氣設備，負責輸電與配電任務，如變壓器、隔離開關、電纜設備與斷路器等，這些設備之間相互連接所構成回路稱為一次回路[5]。二次電氣設備負責對一次電氣設備進行監控與保護，向維修調度人員提供信號數據，二次電氣設備所構成的回路稱為二次回路。監控系統主要對變電所附近的環境與設備工況進行監測，其中監測的環境主要為站內的溫濕度、有害氣體濃度等，系統還需對變電所內的變壓器、無功補償裝置與低壓開關柜等電氣設備進行監控。根據國家發布的標準《變壓器》中規定，變壓器運行溫度最高不超過40 ℃，平均溫度不超過30 ℃，當超過闕值時，應及時派遣人員維修。無功補償裝置與低壓開關柜的工作溫度范圍為-5～+40 ℃，濕度范圍≤80%，當超過闕值時，控制排風設備通風完成溫濕度的調節[6-7]。

1.2 系統方案設計與分析

本文設計的監控系統總體方案如圖1 所示，系統由上位機、遠程監控、監控單元與變電所信號采集模塊組成。監控單元由處理器及其外圍電路、電源模塊、存儲模塊、人機交互模塊等組成，主要負責采集信號的處理分析與故障診斷。信號采集模塊分為變電所站內環境參數測量與各電氣設備內運行參數測量，其中站內環境測量參數主要為溫度與濕度參數。無功補償裝置與低壓開關柜的測量參數都為溫濕度與風速，變壓器測量參數除溫濕度外，還需對其工作的電壓與電流信號進行檢測。

圖1 系統總體方案框圖

監控系統實現的主要功能有：信號采集處理功能、故障診斷與預警功能、通訊功能、數據存儲功能、用戶登陸管理功能與顯示打印功能。信號采集處理功能，實時對變電所的環境與設備工作參數進行采集，通過核心處理器對數據分析與計算。故障診斷與預警功能，當檢測到有故障發生時，報警器音響發出響動，同時上位機監控界面顯示紅色報警內容；當檢測到數據異常，并與設定參數差值在一定范圍時，系統監控界面顯示黃色預警內容，為設備調修工作提供參考數據。通訊功能、監控單元與上位機之間采用工業以太網通訊，變電所采集單元與監控單元之間采用RS485 串口通信。數據存儲功能，系統可存儲監測數據、趨勢、故障類型與時間等。用戶登錄管理功能，系統通過用戶口令設置不同管理權限，工作人員在其授權范圍內對系統進行操作。顯示與打印功能，可將數據以簡易的圖形表示出來，如動畫、趨勢圖與曲線圖等，并支持打印。

2 系統硬件設備選型設計

2.1 核心處理器

對比市面上常見的處理器，綜合考慮監控系統的功能要求與計算能力，本文選用ARM 系列S3C2440AL 芯片作為系統核心處理器。S3C2440AL處理器是一款高性能的32 位處理器，主頻范圍為400～533 MHz，片內閃存2 MB，片外閃存64 MB，具有4 通道PWM 定時器與1 通道看門狗定時器，基于以太網實現信號傳輸，具有較好的擴展性，滿足系統監控需求[8]。

2.2 傳感器與模數轉換器選型

根據上文介紹，本系統所需監測參數類型主要分為四種，溫度、濕度、風速與電參數。溫度傳感器選用pt100 鉑電阻傳感器，傳感器采用熱敏電阻材料，在0 ℃時電阻值為100 Ω，在100 ℃時電阻值為138.5 Ω，根據對應關系，測量材料的電阻值即可得到環境溫度，測溫范圍為-200～800 ℃，精確度達±0.03 ℃。濕度傳感器采用SHT85 傳感器，可測濕度范圍為0～100%，精度為±1.5%。風速傳感器選用FRWS 傳感器，由三杯風感應元件組成，可測量0～70 m/s 范圍內的風速，測量分辨率＜0.1 m/s。電參數傳感器選用霍爾傳感器，可精確采集變壓器內的電流信號與電壓信號，霍爾傳感器具有尺寸小、線性度高、動態性能好的優點，可測試的頻率范圍高，測量精度達1%。

模數傳感器可將模擬信號處理為數字信號，方便計算機分析計算。本文選用SAR 型A/D 轉換器，由寄存器、比較器與控制電路組成，轉換速率可達1 Mb/s，功耗較低，不會占用很多系統資源，滿足系統采集數據的轉換需求。

3 系統通信模塊設計

本系統的監控單元與上位機之間采用工業以太網通訊，變電所采集單元與監控單元之間采用RS485 串口通信，其中系統RS485 串口通信電路如圖2 所示。RS485 串口通信誕生于RS232 之后，針對RS232 傳輸距離與傳輸速率有限，電源電壓值過高，無法多機聯機等缺點進行了改進，最大傳輸距離可達1 200 m，傳輸速率達10 Mb/s。本文選用的轉換芯片為MAX485，電源引腳接入5V 電壓，RO 與DI 引腳接入ARM處理器RXD 與TXD，A 與B 引腳直接并聯一個R1 電阻，阻值范圍為100～1 000 Ω，以提高電路的抗干擾性。

圖2 系統串口通信電路

在對CAN 總線、以太網技術與Profibus 網絡對比分析后，本文選用以太網技術實現遠程的信息交換。以太網采用媒體訪問機制，工作站可隨時對網絡進行訪問，傳輸速率達10 Mb/s，具有實時性好、可靠性高與兼容性強的特點。ARM處理器內部嵌入有以太網控制器，本系統利用RTL8019AS 提供物理接口與媒體訪問服務。芯片在接收到主機傳輸的數據后，在數據上添加以太網幀頭，生成校驗碼后傳輸到以太網中，當從以太網接收數據時，先對數據的以太網幀頭進行解碼、校驗后存儲于片內閃存。

4 結語

本文設計的一種變電所故障監控系統，利用串口通信技術與以太網技術，實現了變電所的遠程在線監控，方便技術人員與專家的遠程針對與操作。系統為變電所的故障監測與預警提供了數據支持，可及時發現并維修損壞的電氣設備，保護煤礦供電網絡的穩定與安全。