電力監控係統在煤礦井下配電管理中的設計與應用

簡婷

开云体育手机下载教程 上海嘉定 201801

摘要：目前煤礦井下電力係統發生了各種各樣的創新和變化。部分礦井使用更高的功率和配電電壓較高的電氣開關(guan) 設備，通常使用可編程邏輯控製器(PLC)進行控製、監控和診斷應用，使用內(nei) 置測試電路改進繼電保護，在負載附近進行功率因數校正，以改進電壓調節以及修改電力係統部件布置。電力監控係統是由於(yu) 工作麵設備(尤其是長壁設備)的功率需求顯著增加所需要的。監測係統主要目的是改善動力係統的運行特性，提高了礦井生產(chan) 安全性。介紹了利用ARM和以太網技術為(wei) 核心的煤礦井下監控係統，並對係統進行測試分析，表明了係統穩定可靠且安全性較高。

關(guan) 鍵詞：煤礦；供電係統；監控係統；ARM技術；測試應用

0 引言

       在過去幾十年裏，煤炭生產(chan) 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於(yu) 電氣係統技術進步的結果。通過企業(ye) 開發和應用更強大、更複雜的設備，並通過設計向該設備供電的係統，實現了生產(chan) 收益。近年來，煤礦井下電氣係統的電力需求急劇增加。以前，1500kVA的電力網絡通常被認為(wei) 是井下應用的大型電力中心，主變電站大約由5000kVA的變壓器供電。如今，高產(chan) 長壁工作麵的電力中心容量超過5000kVA。隨著長壁工作麵長度的增加，需要更大的電力保障。目前電氣係統的技術限製在2個(ge) 方麵：自動化和電力輸送。隨著生產(chan) 率的提高，工人們(men) 越來越難跟上機器的步伐，因而為(wei) 電力監控係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係統繼續開展技術討論。解決(jue) 的電力監控問題是：如何在沒有嚴(yan) 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(wei) 礦井電力監控係統研究提供了依據。

1礦井電力監控係統應用目標

1.1設計目標

       煤礦綜合電力監控係統是在充分利用礦井外電力綜合自動化技術的基礎上，專(zhuan) 門對井下供電係統、電力保護裝置、調度自動化等一體(ti) 化進行監測監控的電力自動化平台。該平台可以集高低壓開關(guan) 在地、離地的保護、測量和控製於(yu) 一體(ti) ，實現地下變電站無人值守運行、整個(ge) 礦山電力係統運行狀態的監控、運行參數超限報警、礦山調度係統的實施，實現

視頻圖像監控係統實現互聯。

1.2礦井電力供應簡介

       我國大多數煤礦屬於(yu) 井工開采，煤礦供電係統從(cong) 上到下依次為(wei) 地麵變電所、井下中央變電所、采區變電所以及移動變電站。供電係統普遍采用的是多級短電纜組成的幹線式電網結構。煤礦高壓供電等級一般為(wei) 6~10kV，低壓等級有3300V、1140V、660V、380V和220V。《煤礦安全規程》要求井下供電網絡采用雙回路供電方式，兩(liang) 回路互為(wei) 備用，即一回路電源或線路出現故障以後，通過調整高壓開關(guan) ，可以將另一路正常電源接過來，保證了負荷的持續供電。

2 監測係統的設計

2.1係統架構設計

       在回顧了過去和現有的煤礦電力供應技術之後，開發並提出了一個(ge) 簡單的監控係統。該係統以監控單元為(wei) 主，如圖1所示。這兩(liang) 個(ge) 單元都由作為(wei) 核心微控製器的LPC2148組成，屬於(yu) ARM控製器類型。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於(yu) 同一類型。

       ARM控製器作為(wei) 監控係統的核心單位，它采用STM32F103RAM32位處理器作為(wei) 係統的主芯片，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平台為(wei) 核心作為(wei) 保護，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(wei) 煤礦配電係統網絡保護裝置提供了一種新的研究結構。

       在電力監控係統中集成C8051F410的光纖激光甲烷傳(chuan) 感器。但是光纖傳(chuan) 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(chuan) 感器的加速度小，為(wei) 1mm／s2，可用於(yu) 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

2.2.1ARM微控製器選型

       係統選用ARM7TDMI係列的微控製器，具有極低的功耗和價(jia) 格並提供高性能的技術特點。ARM架構基於(yu) 精簡指令集計算機(RISC)原理，指令集和相關(guan) 解碼機製比微編程複雜指令集計算機(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處理器采用了的架構策略(THUMB)，這使得它非常適合內(nei) 存受限的大容量應用，或者代碼密度存在問題的應用。ARM麵對用戶串口如圖2所示。

2.3以太網的適配

       以太網是由IEEE802.15.4個(ge) 人區域網標準指

導的一種新的無線技術。它主要為(wei) 廣泛的自動化應用而設計。它目前以20000B／s的數據速率工作，占據在868MHz頻段，在全球發達工業(ye) 國家可以以250000B／s的大數據速率工作，高可達2400MHz，有效減小了外部信號幹擾。

       以太網規範是射頻Lite和802．15．4規範的結合。該規範工作在2400MHz無線電頻段，與(yu) 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(wei) 通信網絡較合適。以太網絡可以連接255台電力設備[9]。收發模塊的範圍在井下可達300~700m，在室外可達1.0~1.5km。收發器具有片內(nei) 有線天線，工作頻率為(wei) 2400MHz。從(cong) 微控製器接收的數據根據以太網協議標準進行組織，然後進行調製。該規範支持300m範圍內(nei) 高達250KB／s的數據傳(chuan) 輸速率。

    製係統並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(you) 勢並不那麽(me) 重要。在一些大容量係統中，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並減輕電機啟動期間電網電壓下降的嚴(yan) 重程度。

       目前，煤礦企業(ye) 現在正在以電網電力控製中心為(wei) 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製平台上。采用這種布置，為(wei) 每個(ge) 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於(yu) 控製開關(guan) 點。通常提供足夠的時間延遲來防止過度切換。電抗器應與(yu) 開關(guan) 電容器串聯，電容器應具有工廠接線的保險絲(si) 、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，7.2kV是煤礦井下常見的配電電壓。然而，在許多情況下，這種電壓已經無法滿足對於(yu) 今天的大容量長壁工作麵開采。因此，在運用電力監控係統時，應當安裝一個(ge) 單獨的13．8kV配電係統，於(yu) 長壁開采係統及其相關(guan) 的井上電氣設備。礦井的其餘(yu) 部分仍由7.2kV配電係統供電。另一種方案可以安裝標稱電壓為(wei) 14.4kV的配電係統，目的是在不超過15kV絕緣等級的情況下獲得高的配電電壓。隻有搭載適應的電網電壓並進行功率因數校正，才能確保電力監控係統發揮較好的性能。

4.安科瑞電力監控解決(jue) 方案

4.1概述

       針對用戶變電站（一般為(wei) 35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關(guan) 櫃綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chan) 品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控係統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全麵管理。監控範圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

       Acrel-2000Z電力監控係統是开云体育手机下载教程根據電力係統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理係統。該係統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳(chuan) 輸技術，集保護、監測、控製、通信等功能於(yu) 一體(ti) 的開放式、網絡化、單元化、組態化的係統，適用於(yu) 35kV及以下電壓等級的城網、農(nong) 網變電站和用戶變電站，可實現對變電站的控製和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為(wei) 變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2應用場所

       適用於(yu) 軌道交通，工業(ye) ，建築，學校，商業(ye) 綜合體(ti) 等35kV及以下用戶端供配電自動化係統工程設計、施工和運行維護。

4.3係統架構

       Acrel-2000Z電力監控係統采用分層分布式設計，可分為(wei) 三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為(wei) 標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地麵積等多方麵的信息綜合考慮組網方式。

4.4係統功能

       （1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關(guan) 故障、告警等信號。

       （2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

       （3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

       （4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數。

       （5）實時告警：具有實時告警功能，係統能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。

       （6）曆史事件查詢：對事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

       （7）電能統計報表：係統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況。

       （8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

       （9）網絡拓撲圖：支持實時監視並診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構。

       （10）電能質量監測：可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。

       （11）遙控功能：可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。

       （12）故障錄波：可在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各種電氣量的變化情況。

       （13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時穩態信息。

       （14）Web訪問：展示頁麵顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。

       （15）APP訪問：設備數據頁麵顯示各設備的電參量數據以及曲線。

4.5係統硬件配置

5 結語

       本文針對目前礦井電力係統發生的係列變化，設計了井下電力監測係統。該係統的主要特點：對存在塑殼斷路器的替代產(chan) 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(nei) 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；增加可編程控製器在控製、監控和診斷應用中的使用。ARM和以太網技術為(wei) 核心的煤礦井下監控係統提供低功耗平台，證明了像ARM7這樣的控製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，該係統可以更實時對電力係統運行情況進行觀察，並且在工程現場驗證了該係統的安全性、可靠性、穩定性。

參考文獻

[1]王旭昭，侯磊，蘇龍．2011—2014年全國煤礦重特大事故統計分析與(yu) 啟示[J]．中國公共安全(學術版)，2015(2)：26-29．

[2]黃振球．淺談變電站自動化係統應用中若幹問題及處理辦法[J]．廣東(dong) 技術，2008(18)：167-168．

[3]賈菲，李欣，馬春光．60kV變電站無人值班改造方案的探討[J]．企業(ye) 科技與(yu) 發展，2009(22)：137-139．

[4]劉國林，苗滿文.煤礦井下供電過程電力監控係統應用研究.

[5]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.05版.

作者簡介：簡婷，女，本科，現就職於(yu) 开云体育手机下载教程，主要研究方向電力監控係統。