摘要:結(jié)合煤礦井下供電系統(tǒng)的特點(diǎn),，以6kV供電回路作為監(jiān)控對(duì)象，設(shè)計(jì)了煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓配電開關(guān)的電壓,、電流、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控,。

關(guān)鍵詞:供電系統(tǒng),；數(shù)據(jù)采集,；監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

電力是煤礦井下重要的動(dòng)力來源，由于井下工作環(huán)境惡劣,，端線,、擠壓短路、過負(fù)荷,、漏電等故障時(shí)有發(fā)生,，在這些故障發(fā)生之前，在高壓配電開關(guān)處往往會(huì)伴隨著一系列的征兆,，包括電壓電流的急劇變化,、溫度的上升等。

本文設(shè)計(jì)的高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)可以將這些特征量實(shí)時(shí)上傳至井上監(jiān)控中心,，減少故障發(fā)生的概率,，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可快速定位，提高排除故障的工作效率,，進(jìn)而減少因電力系統(tǒng)的故障造成的財(cái)產(chǎn)損失,。通過地面計(jì)算機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的分,、合閘操作,，提高供電系統(tǒng)管理的水平。供電監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),，不會(huì)對(duì)高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,。

1高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為DCS型(集散型)分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控，分為地面監(jiān)控站和井下監(jiān)控站,，兩者之間采用RS-485通信方式,，各個(gè)井下變電站負(fù)責(zé)對(duì)本變電站監(jiān)控信息的采集，采集的數(shù)據(jù)存放在井下變電站的控制器緩存區(qū)中,，當(dāng)?shù)孛孀冸娬鞠蚓伦冸娬景l(fā)出訪問指令時(shí),，各個(gè)井下變

圖1煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電站發(fā)送自己緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)，地面變電站可以將井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在軟件監(jiān)控界面,，并可以根據(jù)情況向井下變電站發(fā)出分,、合閘操作指令。

1.2通信方式選擇

煤礦井下的常用的通信方式有:RS-485,、CAN總線,、RS-232、光纖通信、Zigbee組網(wǎng)等方式,，為了簡(jiǎn)化供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在地面計(jì)算機(jī)和井下變電站之間的通信方式,，選擇為帶光電隔離的RS-485，其接線方式為2線制,，可傳輸距離為1500m,，可以滿足井上PC到井下變電站的距離要求，通過光電隔離技術(shù)增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性,。數(shù)據(jù)采集器到變電站的距離較近,，可以采用RS-232通信方式，其接線方式為3線制,，可傳輸距離為15m,。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片選型

系統(tǒng)選用MSP430F5438單片機(jī)，它是TI公司推出的一款具有256KiB存儲(chǔ)容量的嵌入式微控制器,。它的特點(diǎn)是具有極低的功耗,，只需2.2~3.6V的直流供電。在低功耗基礎(chǔ)上集成更加豐富的外設(shè),，即有3個(gè)16位定時(shí)器,、1個(gè)高速12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART,、SPI和12C串行通信,、WDT看門狗定時(shí)器、Pl￣P10端口等,，該芯片可以應(yīng)用于模擬和數(shù)字傳感器系統(tǒng),系統(tǒng)主要利用MSP430F5438,，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)電氣控制器的主要功能，并可降低系統(tǒng)功耗,。

2.2隔離型RS-485電路設(shè)計(jì)

在井下變電站和井上監(jiān)控平臺(tái)之間的通信方式選擇為RS-485,，芯片選行為ADM2587E，該芯片是ADI推出的單電源供電的隔離型芯片,，SOW￣20封裝,，傳輸速率為500Kibit/s，隔離電壓2.5kV,，被廣泛應(yīng)用在工控,、電力等需要隔離RS-485的場(chǎng)合。

隔離型RS-485電路原理圖如圖2所示,，為了降低線路中的共模電壓、雷擊,、浪涌電壓等對(duì)通信的干擾,，在總線處采

圖2隔離型RS-485電路

取的保護(hù)措施如下:在VA、VB管腳上串接RT電阻。該電阻的阻值范圍是4~10Ω,，VA,、VB管腳對(duì)地接TVS管，也可以采取電阻和穩(wěn)壓二極管串聯(lián)的方式進(jìn)行連接,。

2.3RS-232通信電路設(shè)計(jì)

在井下變電站和數(shù)據(jù)采集器之間的通信方式選擇為RS-232,，該種方式可以選擇的傳輸速率范圍是從50bit/s到38400bit/s，可以實(shí)現(xiàn)雙工異步通信,，在接線中保留TXD,、RXD、GND3條線,。

在井下變電所的高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)中,，利用MAX3232ESE實(shí)現(xiàn)TTL和RS-232之間的電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)電路如圖3所示,，其中RX1,、TX1接單片機(jī)的串口，RX232￣1,、TX232￣1分別數(shù)據(jù)采集器的RS-232專用串口,，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí),，為了增加系統(tǒng)的擴(kuò)展性,，預(yù)留一路串口，方便以后硬件結(jié)構(gòu)的升級(jí),。

圖3RS-232通信電路原理

2.4測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

高壓配電開關(guān)的溫度測(cè)量傳感器選型為DS18b20芯片,，實(shí)時(shí)采集開關(guān)低壓腔體內(nèi)部的溫度，并將溫度信息實(shí)時(shí)上傳給井上監(jiān)控中心,。

DS18B20的溫度讀取主要通過對(duì)其DQ引腳讀,、寫高低電平的時(shí)序來實(shí)現(xiàn)，為了增加DS18B20的驅(qū)動(dòng)能力,，在DS18B20的DQ引腳上增加一個(gè)上拉電阻,，保證在所有的讀、寫過程中被可靠置高或者置低,，電路原理如圖4所示,。溫度讀取過程中，主要由初始化時(shí)序,、讀時(shí)序,、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備,，單總線器件作為從設(shè)備,，而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始,，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后,，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收,。

圖4測(cè)溫電

3軟件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)溫程序設(shè)計(jì)

3.1.1DS18B20暫存寄存器分布

DS18B20溫度傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，通過對(duì)溫度傳感器的信號(hào)線的讀,、寫操作,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的讀取，DS18B20的高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成,，其分配如表1所示,。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0個(gè)和第1個(gè)字節(jié),。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù),，讀取時(shí)低位在前，高位在后,，數(shù)據(jù)格式如表1所示,。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算:當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)S＝1時(shí),，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a,，再計(jì)算十進(jìn)制值。表1是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值,。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié),。

表1DS18B20暫存寄存器分布

3.1.2測(cè)溫程序設(shè)計(jì)

在DS1820測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后,，程序總要等待DS1820的返回信號(hào),，一旦某個(gè)DS1820接觸不良或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí),，將沒有返回信號(hào),，msp430單片機(jī)的P6.2引腳與DS18B20的DQ引腳連接。

3.2上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

煤礦井下高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用VB程序進(jìn)行編程,，主要是基于可視化窗口的編碼器,，利用C語言編程，并通過增加代碼的屬性來調(diào)用不同的組件,，減少程序編寫的難度,，*終可以生成.exe文件，方便軟件的安裝,。

上位機(jī)軟件的主要作用是通過井上監(jiān)控平臺(tái),，對(duì)煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的配電開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示并存儲(chǔ)狀態(tài)信息，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),，方便歷史數(shù)據(jù)查詢,、調(diào)用,。對(duì)于井下高壓配電開關(guān)的操作功能主要包括:分閘、合閘,、復(fù)位，在進(jìn)行配電開關(guān)操作時(shí),，需要先輸入操作密碼,，避免隨意操作造成事故。

井下高壓供電系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖5所示,，主要信息量包括井下各個(gè)變電所的不同位置的高壓配電開關(guān)的電壓,、電流、溫度數(shù)據(jù),。具有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能,，在查詢功能中，可以選擇不同日期,、不同時(shí)間,、不同變電所、不同位置的配電開關(guān),，對(duì)某一時(shí)刻的信息進(jìn)行查詢,。

圖5井下高壓供電系統(tǒng)的監(jiān)控界面

4安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

4.1概述

針對(duì)用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級(jí)），通過微機(jī)保護(hù)裝置,、開關(guān)柜綜合測(cè)控裝置,、電氣接點(diǎn)無線測(cè)溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置,、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備,、弧光保護(hù)裝置等設(shè)備組成綜合自動(dòng)化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電,、配電,、用電的安全運(yùn)行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站,、開閉所,、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化及無人值守的要求,，針對(duì)35kV及以下電壓等級(jí)研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng),。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù),，集保護(hù)、監(jiān)測(cè),、控制,、通信等功能于一體的開放式,、網(wǎng)絡(luò)化、單元化,、組態(tài)化的系統(tǒng),，適用于35kV及以下電壓等級(jí)的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的控制和管理,，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全,、穩(wěn)定,、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于軌道交通,，工業(yè),，建筑，學(xué)校,，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì),、施工和運(yùn)行維護(hù)。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì),，可分為三層：站控管理層,、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模,、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式,。

4.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電參數(shù)信息,，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障,、告警等信號(hào)。

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

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運(yùn)行報(bào)表：查詢各回路或設(shè)備時(shí)間的運(yùn)行參數(shù),。

（5）實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能,，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)動(dòng)作,、事故跳閘等事件發(fā)出告警,。

（6）歷史事件查詢：對(duì)事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯,，查詢統(tǒng)計(jì),、事故分析,。

（7）電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表：系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況,。

（8）用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能,，可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,。

（9）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：支持實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài),，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（10）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè),。

（11）遙控功能：可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),，自動(dòng)準(zhǔn)確地記錄故障前,、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)信息,。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量,、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量等概況信息,，設(shè)備通信狀態(tài),，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線,。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為研究對(duì)象,，設(shè)計(jì)煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)隔離性RS-485通信電路,，實(shí)現(xiàn)井上PC到井下變電所的雙向通信,，在數(shù)據(jù)采集器中，選擇主控芯片為超低功耗的MSP430單片機(jī),，進(jìn)行電壓,、電流、溫度數(shù)據(jù)的采集,，在軟件設(shè)計(jì)中,，詳細(xì)介紹了DS19B20測(cè)溫芯片的測(cè)溫流程、并利用VB軟件,，對(duì)井上監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

安科瑞侯文莉