煤礦井下供電過程電力監控系統應用研究

劉國林，苗滿文

(河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670)

在過去幾十年里，煤炭生產成本繼續下降，這些收益是技術改良的直接結果，同時也是在很大程度上歸根于電氣系統技術進步的結果。通過企業開發和應用更強大、更復雜的設備，并通過設計向該設備供電的系統，實現了生產收益。近年來，煤礦井下電氣系統的電力需求急劇增加。以前，1 500 kVA的電力網絡通常被認為是井下應用的大型電力中心，主變電站大約由5 000 kVA的變壓器供電[1]。如今，高產長壁工作面的電力中心容量超過5 000 kVA。隨著長壁工作面長度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣系統的技術限制在2個方面:自動化和電力輸送。隨著生產率的提高，工人們越來越難跟上機器的步伐，因而為電力監控系統開發了自動化技術。盡管取得了重要進展，但還需要進行更多研究，本文針對煤礦電力監控系統繼續開展技術討論。解決的電力監控問題是:如何在沒有嚴重電壓調節問題的情況下提供大量電力，以及如何安全、經濟地中斷較大的電力波動，特別是在故障條件下的安全監控。本文中討論的許多創新成果為礦井電力監控系統研究提供了依據。

1 礦井電力監控系統應用目標

1.1 設計目標

煤礦綜合電力監控系統是在充分利用礦井外電力綜合自動化技術的基礎上，專門對井下供電系統、電力保護裝置、調度自動化等一體化進行監測監控的電力自動化平臺。該平臺可以集高低壓開關在地、離地的保護、測量和控制于一體，實現地下變電站無人值守運行、整個礦山電力系統運行狀態的監控、運行參數超限報警、礦山調度系統的實施，實現真正的視頻圖像監控系統真正實現互聯。

1.2 礦井電力供應簡介

我國大多數煤礦屬于井工開采，煤礦供電系統從上到下依次為地面變電所、井下中央變電所、采區變電所以及移動變電站。供電系統普遍采用的是多級短電纜組成的干線式電網結構。煤礦高壓供電等級一般為 6～10 kV，低壓等級有 3 300 V、1 140 V、660 V、380 V 和 220 V。《煤礦安全規程》要求井下供電網絡必須采用雙回路供電方式，兩回路互為備用，即一回路電源或線路出現故障以后，通過調整高壓開關，可以將另一路正常電源接過來，保證了負荷的持續供電。

2 監測系統的設計

2.1 系統架構設計

在回顧了過去和現有的煤礦電力供應技術之后，開發并提出了一個簡單的監控系統。該系統以監控單元為主，如圖1所示。這兩個單元都由作為核心微控制器的LPC2148組成，屬于ARM控制器類型[2]。通過以太網收發器相互通信，采礦裝置和監控裝置中使用的收發器屬于同一類型。

圖1 煤礦電力監控系統架構示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine power monitoring system architecture

ARM控制器作為監控系統的核心單位，它采用STM32F103RAM32位處理器作為系統的主芯片，配有24位模數轉換器和640×480真彩色液晶顯示屏以及相應的軟件。該裝置以OMAP平臺為核心作為保護[3]，較好地利用了TMS320C5470DSP芯片的數字信號處理能力和高ARM926芯片的外圍集成，組網突出的特點為煤礦配電系統網絡保護裝置提供了一種新的研究結構。

在電力監控系統中集成C8051F410的光纖激光甲烷傳感器。但是光纖傳感器在煤礦的推廣使用也出現了一些弊端，如顯示值暴漲、激光功率變弱等。但是該傳感器的加速度最小，為1 mm/s2[4]，可用于微地震信號的測量和電力環境中的泄漏測量。

2.2 硬件設計

2.2.1 ARM微控制器選型

系統選用ARM7TDMI系列的微控制器，具有極低的功耗和價格并提供高性能的技術特點。ARM架構基于精簡指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關解碼機制比微編程復雜指令集計算機(CISC)簡單得多。這種簡單性帶來了高指令吞吐量和實時中斷響應。

ARM7TDMI處理器采用了獨特的架構策略(THUMB)，這使得它非常適合內存受限的大容量應用，或者代碼密度存在問題的應用。ARM面對用戶串口如圖2所示。

圖2 ARM面對用戶串口示意Fig.2 Schematic diagram of ARM facing user serial port

筆者使用LPC2148，具有如下特征[5]：①16/32位ARM7TDMI-S微控制器，采用小型LQFP64封裝；②40 KB片內靜態RAM和512 KB片內閃存程序存儲器；③通過片內引導加載軟件進行系統內或應用程序內編程；④兩個10位模數轉換器總共提供14個模擬輸入，每個通道的轉換時間低至2.44 s；⑤單個10位數模轉換器提供可變模擬輸出；⑥多個串行接口，包括兩個UART(16c 550)、兩個快速I2C總線(400 Kb/s)、具有緩沖和可變數據長度功能的SPI和SSP；⑦具有可配置優先級和向量地址的向量中斷控制器；⑧在一個小型LQFP64封裝中，最多可容納45個5 V快速通用輸入/輸出引腳。

2.2.2 元器件設計

電力監控系統不僅需要對電力運行情況進行監控，還需要對周圍環境的變化進行感應，以便隨時做出針對于電力調節方面的變化，因此，設計了氣敏、溫濕度傳感的元器件。為了檢測煤礦井下主要有毒氣體甲烷和一氧化碳，使用了MQ-7氣體傳感器[6]，如圖3所示。

圖3 MQ-7氣體傳感器Fig.3 MQ-7 gas sensor

傳感器由微型AL2O3陶瓷管、二氧化錫敏感層、測量電極和加熱器組成，固定在由塑料和不銹鋼網制成的外殼中。加熱器為敏感部件的工作提供必要的工作條件。封裝的MQ-7有6個引腳，其中4個用于獲取信號，另外2個用于提供電流。MQ-7傳感器與ARM7TDMI的P0接口進行連接[7]。

在所提出的系統中，熱敏電阻用作溫度傳感器，被用來檢測非常小的溫度變化。溫度的變化通過器件電阻的明顯變化來反映。這里需要注意的是，NTC熱敏電阻在-50～150 ℃時的電阻分別為10、100 kΩ。這意味著200°C的溫度變化導致了100∶1的電阻變化。該傳感器連接到P1至LPC2148接口[8]。濕度傳感器是電阻式的，隨著濕度的變化，傳感器電阻將發生變化，該傳感器連接至LPC2148。

2.3 以太網的適配

以太網是由IEEE 802.15.4個人區域網標準指導的一種新的無線技術。它主要為廣泛的自動化應用而設計。它目前以20 000 B/s的數據速率工作，占據在868 MHz頻段，在全球發達工業國家可以以250 000 B/s的最大數據速率工作，最高可達2 400 MHz，有效減小了外部信號干擾。

以太網規范是射頻Lite和802.15.4規范的結合。該規范工作在2 400 MHz無線電頻段，與802.11b標準、藍牙、微波和一些其他設備相同。因礦井工作環境惡劣，選用以太網作為通信網絡最為合適。以太網絡可以連接255臺電力設備[9]。收發模塊的范圍在井下可達300～700 m，在室外可達1.0～1.5 km。收發器具有片內有線天線，工作頻率為2 400 MHz。從微控制器接收的數據根據以太網協議標準進行組織，然后進行調制。該規范支持300 m范圍內高達250 KB/s的數據傳輸速率。

雖然以太網的技術比802.11b (11 MB/s)和藍牙(1 MB/s)慢，但功耗明顯更低[10]。系統使用一對以太網模塊，一個用于傳輸地下部分的數據，另一個用于接收地面或監控部分的數據，并且設置主站系統，如圖4所示。

每當監控系統授權人員想要知道參數的狀態，或者每當參數值增加到閾值以上時，就會通過調制解調器發送消息。該故障通過液晶屏上的顯示來指示。該電力監測將有助于技術人員同時監控不同的參數，從而提高準確性和速度。

2.4 軟件設計

WinCC是一個基于窗口的軟件開發平臺，它將強大的現代編輯器與軟件多個拓展工具相結合。它集成了開發嵌入式應用程序所需的所有工具，包括C/C++編譯器、宏匯編器、鏈接器/定位器和十六進制文件生成器。WinCC通過提供集成開發環境，幫助加快嵌入式應用的開發過程。其中生成的KEIL可以用來創建源文件；采用易于使用的用戶界面設置的選項，完成自動編譯、鏈接和轉換，最后在可以訪問數據變量過程中和內存硬件上模擬或執行調試。WinCC大大簡化了創建和測試嵌入式應用程序的過程。

為了將應用程序下載到閃存中，這個WinCC實用工具平臺是必要的。用C語言生成的程序代碼經過處理后生成十六進制形式的目標代碼。它被稱為十六進制文件。為了將這個十六進制代碼轉儲到控制器的閃存中，該工具提供了Keil編譯版本。對于舊版本的編程，同樣的任務是在名為Flash Magic的軟件的幫助下完成的，在程序內部通過RS-485總線技術進行數據的傳遞[11]，主要針對于自檢模塊、故障模塊功能進行加強，如圖5所示。

圖5 系統主程序流程示意Fig.5 System main program flow diagram

3 系統安全性設計

3.1 接地故障保護

電力監控系統在離線模式下，當電力負載關閉時，該系統持續監控電機繞組和電機啟動器互連電纜的絕緣水平。該裝置具有可調范圍平衡電平，并具有輸出計量驅動器(0～1mA)來驅動遠程儀表或與ARM控制器接口。如果檢測到低絕緣水平或離線接地故障，該裝置將鎖定電機電路。該系統還可以顯示以歐姆為單位的絕緣水平，這有助于預測性維護。

高壓線路利用電路需要后備接地故障保護的功能，如果中性接地電阻開路時發生接地故障，后備接地故障保護將使電源電路斷電，這種保護在低壓和中壓系統中越來越常見。這種類型的保護是通過潛在的繼電保護來實現的。

高壓線路也利用電路需要中性接地電阻的過溫檢測。如果持續故障導致接地電阻發熱，該保護的目的是打開輸入配電電纜的接地檢查先導電路。系統應在接地電阻最大溫升的50%范圍內或150 ℃下運行，以較小者為準。由于與附近的電力變壓器相比，故障接地電阻產生的熱量相對較低，因而很難設計出確保這種保護可靠運行的系統。監控系統已經接受了替代方法，如過載電流互感器，只要替代方法不需要控制電源運行，保障了監控系統在電力線路發生故障的條件下也能保持工作性能。

3.2 功率因數校正和電壓調節

大多數煤礦企業認識到電網功率因數校正的經濟效益。通過將平均月電網功率因數保持在1.0附近，可以顯著節省電力成本。由于大多數煤礦電網的功率因數校正發生在井外，這當然是放置電容器的方便位置，但它距離井下電機負載較遠。因此，通過將電容器定位在盡可能靠近負載的位置來改善電壓調節控制系統并沒有充分發揮出性能。然而，在大容量長壁開采之前，這種功率因數校正優勢并不那么重要。在一些大容量系統中，需要在電機負載附近放置功率因數校正的電容，以提供足夠的電壓調節并減輕電機啟動期間電網電壓下降的嚴重程度。

目前，煤礦企業現在正在以電網電力控制中心為連續采礦區安裝電容器組。如果有足夠的空間，電容器通常安裝在電力中心集中控制平臺上。采用這種布置，必須為每個電容器電路提供接地故障保護。電氣切換通常由技術人員執行真空接觸器和電流或無功檢測用于控制開關點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應與開關電容器串聯，電容器應具有工廠接線的保險絲、熔斷指示器和泄放電阻器。另一種降低電壓降和改善電壓調節的方法是使用更高的分配電壓。過去，7.2 kV是煤礦井下最常見的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經無法滿足對于今天的大容量長壁工作面開采。因此，在運用電力監控系統時，應當安裝一個單獨的13.8 kV配電系統，專用于長壁開采系統及其相關的井上電氣設備。礦井的其余部分仍由7.2 kV配電系統供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為14.4 kV的配電系統，目的是在不超過15 kV絕緣等級的情況下獲得最高的配電電壓。只有搭載適應的電網電壓并進行功率因數校正，才能確保電力監控系統發揮最佳的性能。

4 電力監控試驗測試分析

4.1 試驗系統組成設計

試驗系統構成如圖6所示。在 10 kV 開閉所接一面 KYN28A-12(Z)高壓開關 K2，模擬 10 kV 變電所Ⅱ段任一饋出高壓開關 K2，在該開關柜安裝 DMP5101終端1臺；再接 4 臺 BGP9L(Y)高壓防爆開關 K3、K4、K5、K6，模擬井下兩級變電所的供電線路，每臺高壓防爆開關內安裝1臺礦用保護器。五臺開關之間一次側采用高壓橡套電纜連接，末端高壓防爆開關負荷側接1根高壓橡套電纜。在 K2 與K3 之間設置短路點 D1、在 K4 與 K5 之間設置短路點 D2、在 K6 負荷側電纜終端設置短路點D3。

圖6 試驗系統組成Fig.6 Test system composition

4.2 電力監控系統試驗運行

點擊系統圖標進入煤礦電力監控軟件，可以選擇查看地面或井下配電室監控畫面，同時點擊井下配電室系統中的變電所界面，查看井下1號變電所監控畫面。監控畫面中矩形形狀圖標代表斷路器，上下各配一刀閘表示斷路器小車狀態，綜合顯示高爆柜當前的運行情況，紅色代表合閘位置，綠色代表分閘位置。系統另一個重要功能是對歷史數據的查詢，歷史數據曲線主要功能是將電流、電壓等數據以曲線的方式顯示，提供直觀的數據顯示、對比功能。

歷史報警模塊對各類報警信息以時間為次序，詳細羅列了報警的時間、編號、類型、報警內容及持續時間，方便操作人員查詢及處理相關信息。

5 結語

本文針對目前礦井電力系統發生的系列變化，設計了井下電力監測系統。該系統的主要特點:對存在塑殼斷路器的替代產品進行了監控設計；改進了接地故障保護；測試模式、障礙和內置測試電路的接地保護有變化；改善電壓調節的負載附近功率因數校正；增加可編程控制器在控制、監控和診斷應用中的使用。ARM和以太網技術為核心的煤礦井下監控系統提供低功耗平臺，證明了像ARM7這樣的控制器的更高級版本可以有更快的執行速度和極低的功耗。通過使用遠程操作，該系統可以更精確地實時對電力系統運行情況進行觀察，并且在工程現場驗證了該系統的安全性、可靠性、穩定性。