三交河煤礦煤礦地面6kV開關柜在線監測系統設計與應用

王 菲

(山西汾河焦煤公司三交河煤礦，山西 洪洞 031600)

0 引 言

煤礦地面6 kV開關柜作為煤礦供電系統的關鍵部分，其工作的穩定性關系著煤炭采掘用電設備的運行[1-3]。煤礦地面6 kV開關柜控制線路服役環境極為惡劣，故障率較高，且排查難度大，是煤礦供電系統運行檢修的重點[4]。在實現不影響開關柜正常工作條件下掌握其運行狀態，并制定出可行的檢修計劃，降低供電系統運行維護成本，提高煤炭設備利用率，是目前煤炭行業的共同目標[5-6]。因此針對霍州煤電三交河煤礦地面6 kV開關柜故障排查難的問題，開展地面6 kV開關柜在線監測系統的設計與應用意義重大。筆者通過對霍州煤電三交河煤礦地面6 kV開關柜在線監測系統具體功能需求分析，提出了監控系統的設計方案，完成了系統硬件和軟件的設計工作，通過檢測達到了霍州煤電三交河煤礦地面6 kV開關柜在線監測的目的，解決了原有系統故障排查困難的問題。

1 監測系統功能需求

霍州煤電三交河煤礦地面6 kV開關柜在線監測系統具體功能需求如下：①長時間運行穩定可靠；②具有較強的數據處理能力；③不會造成開關柜結構的改變，不影響當前開關柜正常運行；④在線監測系統結構簡單，模塊設計清晰；⑤系統設計不僅要實現監測功能，還要兼顧監測系統的經濟性和實用性，具有很好的性價比。

2 總體設計方案

依據煤礦6kV開關柜在線監測系統需要，完成了總體設計方案，如圖1所示。

圖1 在線監測系統總體方案

系統主要由傳感器層、監測單元層、通信總線層和上位機組成。傳感器層主要完成開關柜運行參數數據采集，如線纜溫度、電壓、電流等，并且經過處理將其轉換成電信號。監測單元層包括信號調理、A/D轉換、信號隔離等部分，主要負責將采集得到的電信號轉換為數字信號，便于系統傳輸和存儲。通信總線層涉及以CAN總線為核心的通訊、接口轉換等結構，負責監測現場實時數據與監控中心上位機直接的信息傳輸。上位機負責將采集得到的6kV開關柜實時數據處理成為對于的狀態參數，形成波形圖或者表格進行顯示，供監控人員觀察供電系統狀態，同時一旦出現系統故障，可以發出報警信息進行告警。

3 系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 傳感器選型

開關柜下井電纜的絕緣性能選用磁補償式霍爾傳感器，電流監測采用HCS-LTH-100A霍爾電流傳感器，電壓監測采用HVS-EVS-150P4霍爾電壓傳感器。母排、隔離開關觸頭溫度由紅外溫度傳感器完成，其型號為IRTP20，監測溫度范圍達-20～300 ℃，響應時間僅為150 ms。斷路器真空度采用型號為RS-301的監測裝置，監測范圍為0.01～10 Pa，靈敏度為0.01 Pa，功率低，工作穩定可靠。振動信號采集使用YD37壓電式加速度傳感器，頻率監測范圍是1～10 kHz，靈敏度為0.001 V/ms，具有很好的線性度。脫扣線圈老化程度選擇WDD35D-4電阻式角位移傳感器，線性度小于0.1%，輸出電壓數值，便于系統分析處理。采用HCS-LTR-50A霍爾電流傳感器監測分合閘的速度，以電流波形的形式進行顯示。斷路器動作事件的記錄通過安裝在操動機構主軸端部的WDD35D-4角位移傳感器實現即可。

3.1.2 信號處理模塊

系統信號處理采用iCAN3800、iCAN4017模塊，支持CANopen通訊協議，集成了信號處理、A/D轉換、CAN報文收發等功能可在5～1000kbps的波特率條件下實現與CAN總線的通訊。并且兩個模塊均具有低通濾波功能，抗干擾能力和適應性較好。iCAN3800具有8路差分輸入通道，iCAN4017則有6路差分、2路單端輸入通道，除輸入通道總數不同外，二者其余結構和參數均大體相同。

3.1.3 數據采集卡

監測系統用的數據采集卡型號為PCI8192，能夠直接在工控機插槽進行使用，適用于工業應用現場相關監測數據的采集與監控，響應頻率快，精度高，滿足系統信號數據的采集要求。PCI8192數據采集卡信號輸入支持單端、雙端兩種，根據應用位置的干擾情況和通道需求確定信號輸入模式。單端信號輸入將模擬地端AI0～AI31中任一輸入端接通即可實現，多路信號輸入共用一個接地點，信號輸入通道最大為32路，各通道的量程可依據需要單獨設置。

3.1.4 總線通訊網絡

開關柜在線監測系統通訊網絡采用的是CAN總線，結構簡單、帶載和容錯能力強，能夠適應煤礦惡劣的服役環境，實現現場監測數據與監控站上位機之間數據的傳輸。監測系統基于CAN總線的通訊網絡如圖2所示，包括通訊模塊、總線網絡、通訊卡及上位機等。系統中不同的CAN通訊模塊設置不一樣的ID地址，上位機發送遙控幀是采取輪詢模式，連續監測控制開關柜的運行參數，同時，采集得到的現場數據以數據報文形式經CAN總線并傳輸給上位機，進而實現開關柜在線監測功能。

圖2 總線通信結構

3.2 軟件設計

3.2.1 軟件框架

開關柜在線監測系統基于LabVIEW軟件完成，系統軟件中綜合設計了高壓開關柜運行狀態參數處理、實時顯示數據、人機交互等功能。上位機作為在線監測系統的重要組成部分，其設計工作集中在了開關柜各運行參數的界面顯示、用于遠程控制的人機交互按鈕界面、數據處理運算和存儲界面等。在線監測系統軟件總體方案如圖3所示。

圖3 監測系統軟件框架

3.2.2 系統主程序

在線監測系統主流程如圖4所示。

圖4 監測系統主程序

開關柜在線監測系統主程序基于LabVIEW編程完成，運用LabVIEW中Calling Library Functional Node函數接點調用VCI庫函數，內層傳感器數據采集模式為“循環查詢”，外層可以將不同的開關柜iCAN3800、iCAN4017數據采集模塊接入CAN總線，采用輪詢模式完成多開關柜的實時監測任務。

3.2.3 人機交互界面

開關柜在線監測系統人機交互界面用于監測人員觀察開關柜實際運行情況，并且可以根據監測數據變化趨勢遠程控制開關柜。監測系統主界面如圖5所示，界面內部設計了監測數據及波形顯示、交互按鈕等部分，可以切換不同的開關柜進行實時監控數據的查看。數據顯示形式包括數值、波形圖及動畫等，實時監測過程中一旦出現故障，LED燈就會進行閃爍顯示。同時還設計了系統啟停、系統設置、通訊測試、報表生成、使用幫助等5個按鈕控件，便于在線監測系統的運行操作。

圖5 在線監測系統主界面

4 應用效果

為了驗證地面6 kV開關柜在線監測系統的實用性，將其應用于霍州煤電三交河煤礦供電系統進行試運行，跟蹤記錄應用情況。結果表明，監測系統運行穩定可靠，滿足地面6 kV開關柜各項參數的實時監測的要求，能夠及時發現供電故障并報警，給出故障排除建議。統計結果表明，在線監測系統的投入使用，節省了供電系統維護維修人員2～3名，減少了供電系統近12%的故障排查時間，提高了煤炭采掘設備近8%的利用率，降低了煤炭生產成本，提高了企業煤炭產量，預計為企業新增經濟效益近200萬/年，取得了很好的應用效果。