井下高壓開關柜運行監控系統研究

摘 要：針對煤礦井下高壓開關柜人工巡檢存在間隔時間長、不能及時發現運行故障等問題，提出一種自動監控系統，該監控系統采用無線射頻溫度傳感器、ZigBee網絡克服了高壓開關柜內高電壓、強電磁環境中信號傳輸問題，并詳細對監控系統結構組成以及現場應用情況進行闡述。結果表明，該監控系統可對高壓開關柜24h不間斷監測，監測結果精度高，可在一定程度上提升高壓開關柜運行可靠性。

關鍵詞：高壓開關柜;無線監測;溫度傳感器;ZigBee技術

高壓開關柜在使用過程中由于受到振動、溫度以及濕度等因素影響，在金屬表面、接觸面等位置經常出現氧化、磨損等問題，從而增加高壓開關內各接觸位置電阻值，引起設備運行溫度過高甚至出現電氣故障[1-3]。為了確保高壓開關柜運行可靠性，礦井一般安排專人值守或者定期巡檢，但高壓開關柜由于是封閉結構、柜內存在高壓電流，值守或巡檢人員難以及時發現柜內運行故障，為此亟需一種用以監測高壓開關柜運行的監控系統[6]。文中就基于ZigBee技術提出一種無線監控系統，可有效監測開關內設備運行情況，從而提升高壓開關柜運行可靠性。

1 監控系統結構

具體提出的高壓開關柜運行監控系統主要結構組成包括有上位機、處理器單元、通信模塊以及傳感器模塊（溫度傳感器）等。監控系統正常工作時，傳感器模塊監測獲取到高壓開關柜運行時的物理信號轉換成電信號，并經通信模塊（ZigBee網絡）將電信號傳輸至處理器單元;處理器單元將電信號轉換成數字信號并通過上位機現實監控結果;同時上位機將數字信號存儲到數據庫內，通過專業軟件監控高壓開關柜運行情況，當監測值超過預先設定閾值后，上位機會發出預警信息，提醒作業人員及時處理[4-5]。

2 監控系統硬件結構設計

監控系統涉及到的硬件結構包括有通信單元、存儲模塊、上位機、傳感器模塊、處理單元等。其中處理單元采用技術成熟、煤礦應用較為廣泛的DSP微處理器、無線通信傳輸（ZigBee網絡）選用CC2530單元、傳感器模塊選用溫度監測可靠、精度高的無線溫度傳感器。在監控系統硬件結構中，DSP微處理器及電源技術均較為成熟，可直接應用，制約監控系統高效運行的關鍵在于無線通信傳輸以及傳感器模塊，下文就重點對上述兩部分進行設計。

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括有溫度傳感器以及無線射頻模塊。

2.1.1 溫度傳感器

高壓開關柜由于有高壓電流，因而會在密閉的狹小空間內產生強電磁，并需要布置多個傳感器同時對A、B、C三相、刀閘開關、斷路器接頭以及母線等接觸點進行監測，高壓開關柜內布置的傳感器數量眾多、分散。單個高壓開關柜監測結構單元包括有多個溫度傳感器以及一個無線通信傳輸。經過綜合分析并結合現有的溫度傳感器運行特點，最終選用DS18B20溫度傳感器對開關柜各接觸點進行監測，具體該傳感器技術參數見表1。

2.1.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊選擇時需要充分考慮高壓開關柜內空間狹小、高電壓、強電磁環境，同時應滿足實現低能耗、小型化以及低成本要求。由德州儀器生產的基于ZigBee網絡的CC2530控制芯片具有成本低、可靠性強以及能耗低等優點，可滿足復雜工業環境使用需要。為此，DS18B20溫度傳感器配合采用的無線射頻模塊為CC2530控制芯片。

2.2 匯聚節點

匯聚節點主要用以接收高壓開關柜內的各個無線溫度傳感器監測溫度，并對監測結果進行分析、處理，后經RS485通信網絡將信息傳輸至DSP微處理器中的ARM處理芯片進行處理。芯片對信息進行處理后在顯示屏上顯示溫度監測結果同時將處理結果經過井下已有工業以太網環線傳輸至地面監控中心。當DSP微處理器發現傳感器獲取到的溫度超過設定閾值后，會及時發出預警信息。

3 軟件設計

為了實現監控系統功能，需要對軟件結構進行設計，具體設計的監控系統主程序運行流程見圖1。

當監控系統啟動運行后，首先進行初始化處理，隨后進行信道能量檢測。具體信道能量檢測流程為：系統向被檢測信道發出BEACON-REQ幀，若該信道發出有反饋信息則可判定該信號被占用，則系統會繼續掃描下一通道，直至搜索到一空通道。隨后控制系統主程序開始構建無線傳輸網絡并查找傳感器模塊進行數據傳輸。

主程序以N為周期（N為高壓開關柜內布置的傳感器數量）并通過不斷掃描與不同傳感器構建傳輸通道，接收傳感器監測信息。當發現傳感器監測結果超過預先設定閾值后，便發出預警信息。為了確保高壓開關柜運行安全，監控系統需要24h不間斷運行，當需要檢修時可手動關閉。

4 系統運行效果分析

高壓開關柜監控系統無線傳輸采用兩級傳輸網絡，其中在高壓開關柜內布置的溫度傳感器、無線節點傳輸采用頻段2.4GHz的ZigBee網絡，可適應高壓開關柜內強電磁、高壓環境，確保溫度監測結果可精準傳輸;高壓開關柜外信息傳輸采用RS485總線，可實現遠距離傳輸。在井下高壓開關柜內布置相應監控設備后，經系統調試后監控系統可平穩運行。具體在系統運行6個月內隨機獲取到的溫度監測結果見表2所示。

從表中可看出，高壓開關柜監控系統獲取到的各個接觸位置溫度信息與采用人工巡檢方式獲取到的溫度信息誤差在-1.15～1.28℃間，監測結果接近，監測精度滿足井下高壓開關柜。

5 總結

①文中提出一種煤礦井下高壓開關柜運行監控系統，該監控系統通過采用ZigBee網絡有效解決了高電壓、強電磁環境中信號傳輸問題，為井下高壓開關柜巡查提供一種切實可行技術方法。同時監控系統結構簡單、成本低，可在一定程度上提升煤礦井下供電可靠性;②在礦井現場應用后，監控系統自動獲取到的監測點溫度與人工巡檢方式獲取到的溫度信息誤差在-1.15～1.28℃間，監測精度較高，可滿足現場使用需要。

參考文獻：

[1]丁惠忠.基于ZigBee的高壓開關柜無線測溫系統的設計與實現[J].沙洲職業工學院學報，2020，23（02）：1-5.

[2]馮亦佳，張治忠.10kV高壓開關柜電氣設備在線測溫系統應用研究[J].現代信息科技，2019，3（15）：179-180+182.

[3]陳路易.高壓開關柜故障檢測與預警系統研究[D].合肥：安徽理工大學，2019.

[4]王江偉.高壓開關柜運行環境及其局部放電綜合在線監控系統的研制[D].北京：華北電力大學，2019.

[5]陳潤先.高壓開關柜溫度監控的運用[J].山西煤炭管理干部學院學報，2015，28（03）：190-191+194.

[6]馬文靜.封閉式高壓開關柜運行環境模糊監控系統的探討[J].可編程控制器與工廠自動化，2006（10）：101-103.

作者簡介：

牛澤敏（1990- ），男，山西省靈石縣人，2011年7月畢業于大連交通大學，本科，助理工程師。