礦用高壓真空配電裝置故障識別系統設計及應用研究

武志勇

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城048214）

引言

供電系統作為煤炭井下工作面工作開展的重要保障，供電設施的安全穩定運行至關重要[1]。高壓真空配電裝置的主要作用是電能分配，其工作可靠性關系著煤礦井下供電的安全[2]。近年來，隨著煤炭產量的不斷增加，供電系統安全性要求不斷增加，高壓真空配電裝置工作負荷不斷提高[3-4]。因煤礦井下工作環境較為惡劣，供電負荷要求大，供電監測技術實施存在明顯的困難，高壓真空配電裝置因故障不能及時排查引起的事故數不勝數[5-6]。因此，針對某煤炭企業井下移動變電站高壓側配電裝置故障信息不能及時獲取的問題，開展高壓真空配電裝置故障識別系統設計工作具有重要意義。

1 高壓配電裝置常見故障統計分析

煤礦工作面的高壓配電裝置經常出現故障問題，經統計分析，高壓配電裝置中的機械故障占斷路器總故障數的近一半左右，在控制與輔助電路中的電氣故障約占總故障數的30%。相關統計結果顯示，斷路器故障包括兩類，其中操作機械故障約占四成，主電路電氣故障約占一成，輔助回路中的電氣故障約占三成。針對煤礦井下高壓真空配電裝置的眾多故障問題，結合多年的工作經驗，分析了故障原因，明確故障需要檢測的物理量。只有故障檢測信息合理，才能設計出好用的故障識別系統。因此結合實際高壓配電裝置工作條件，確定了需要的監測狀態量有位移信息、振動信息、線圈電流等七種。

2 方案設計

根據高壓真空配電裝置常見故障及其原因分析，結合實際工作條件，完成了高壓真空配電裝置故障識別系統的方案設計，主要包括下位機、上位機、傳感器等。如圖1給出了數據監測與采集系統方案架構，可以看出，下位機監測系統主要是各種傳感器，負責高壓真空配電裝置運行狀態的實時監測，將相關數據傳輸至上位機進行顯示和存儲。傳感器涉及壓電加速度傳感器、拉線位移傳感器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器等。上位機系統主要涉及故障數據信息的處理、識別、以及各種診斷算法的實現。

圖1 數據監測與采集系統方案架構

3 硬件設計

3.1 傳感器選型

傳感器作為故障識別系統的信息數據來源，其選型是否合理至關重要，選型時需要綜合考慮傳感器的使用環境、滿量程等因素，它們關乎檢測數據的精度。基于上述設計方案完成了相關傳感器的選型，具體內容如下：選用型號為CSM030SY的霍爾電流傳感器，選擇型號為VSM200D的霍爾電壓傳感器，拉線位移傳感器的型號為YHL50，壓電加速度傳感器的型號為LC0159。上述傳感器具有很好的環境適應性和精度保持性，足以滿足高壓真空配電裝置故障識別系統的要求。

3.2 下位機設計

故障識別系統的下位機主要用于采集供電裝置運行時的振動信號、位移信號等，對采集得到的信號數據進行簡單分類處理，將其分配至不同的存儲空間，之后分別發送至系統上位機進行實時顯示。結合實際應用環境，系統至少需要10路信號采集，要求采樣精度高、采樣數據量大，至少需要選擇RAM存儲器內存在512 kB以上。需要配置多種通訊模式，滿足信號數據的實時顯示。基于上述分析結果，選擇型號為TMS320F2812的CPU，滿足存儲配電裝置所有動作信號的要求。

3.3 上位機配置

上位機作為高壓真空配電裝置故障識別系統中的重要組成部分，承擔著實時數據的顯示，供監控人員及時了解其運行狀態。同時，監控人員也可以根據實時運行狀態確定需要發出的控制指令，實現高壓真空配電裝置實時監控與遠程控制。故障識別系統的上位機選擇型號為ARK3202的工控機，該工控機具有諸多優點，如功耗低、接口多等，滿足煤礦井下較為惡劣工作環境中的工作要求。上位機與下位機之間需要進行數據通訊，數據接口使用RS485，供電電壓取自煤礦井下AC127V供電線路。工控機的具體安裝示意圖如圖2所示。

圖2 工控機結構示意圖

4 軟件設計

4.1 信號采集程序設計

結合礦用高壓真空配電裝置故障識別系統的方案設計及系統設計要求，編制了系統的數據采集流程圖，如圖3所示。系統工作時上位機發出采集命令，系統啟動數據采集時關閉通行中斷程序，停止通信程序運行。數據高速采集完成也要關閉采集中斷程序，等待數據采集指令。該數據采集程序的設計，平時數據采集不進入AD采集模塊，極大地降低了CPU的能源消耗，上位機能夠很好地控制數據采集的開始時間。

圖3 信號采集程序

4.2 通信程序設計

數據采集程序完成啟動通信中斷，等待上位機指令，依據上位機的指令完成數據的分段打包傳輸。礦用高壓真空配電裝置故障識別系統通訊程序流程如圖4所示。由圖4可以看出，在程序不進行AD采集工作時，需要啟動通信中斷程序。上位機發出數據輸送指令，下位機執行上位機的控制指令，若不能及時收到數據輸送指令，就會發出配電裝置數據，讓上位機及時知道設備的運行狀態信息。

圖4 通信程序設計

4.3 上位機程序設計

礦用高壓真空配電裝置故障識別系統上位機程序流程如圖5所示，上位機參照收到的數據采集命令決定是否進行數據采集，若需要進行數據采集則需要發出采集命令，之后接收系統狀態信息。假如高壓配電裝置存在分合閘的動作，則可以發送數據采集命令，開啟下位機進行數據的高速采集。高壓配電裝置的分合閘信息數據分類存儲至上位機，并將數據波形在顯示器上顯示。

圖5 上位機程序流程圖

5 應用效果評價

為了驗證礦用高壓真空配電裝置故障識別系統設計的合理性和可行性，將其應用于煤礦高壓真空配電裝置進行試運行，并跟蹤記錄3個月的運行情況數據，結果顯示，系統運行穩定可靠，滿足煤礦高壓真空配電裝置故障識別的要求。相關統計結果顯示，故障識別系統的應用，能夠很快識別故障出現的位置和類型，給出對應的故障出現策略。提高了煤礦高壓真空配電裝置故障排除效率，相較于原系統，減少了2~3名運行維護人員，減少了近15%的故障停機時間，降低了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近60萬元/年，取得了很好的應用效果。