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安科瑞電氣股份有限公司
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淺談煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

時間:2023/9/8閱讀:568
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摘要:結(jié)合煤礦井下供電系統(tǒng)的特點,以6kV供電回路作為監(jiān)控對象,設(shè)計了煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)測系統(tǒng),可實現(xiàn)對高壓配電開關(guān)的電壓、電流、溫度的實時監(jiān)控。


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


引言

電力是煤礦井下重要的動力來源,由于井下工作環(huán)境惡劣,端線、擠壓短路、過負荷、漏電等故障時有發(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)計的高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)可以將這些特征量實時上傳至井上監(jiān)控中心,減少故障發(fā)生的概率,當故障發(fā)生時可快速定位,提高排除故障的工作效率,進而減少因電力系統(tǒng)的故障造成的財產(chǎn)損失。通過地面計算機的控制,可以實現(xiàn)對開關(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)相對獨立,當監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,不會對高壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響,但可以實現(xiàn)對高壓供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制。


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


1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為DCS型(集散型)分布式計算機監(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,各個井下變電站負責對本變電站監(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?shù)孛孀冸娬鞠蚓伦冸娬景l(fā)出訪問指令時,各個井下變


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)測數(shù)據(jù)實時顯示在軟件監(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,為了簡化供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在地面計算機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)增強信號的抗干擾性。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


2.1主控芯片選型

系統(tǒng)選用MSP430F5438單片機,它是TI公司推出的一款具有256KiB存儲容量的嵌入式微控制器。它的特點是具有極低的功耗,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16位定時器、1個高速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,可以實現(xiàn)采煤機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

在井下變電站和井上監(jiān)控平臺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、浪涌電壓等對通信的干擾,在總線處采


圖2隔離型RS-485電路

取的保護措施如下: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)的方式進行連接。


2.3RS-232通信電路設(shè)計

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實現(xiàn)TTL和RS-232之間的電平轉(zhuǎn)換,設(shè)計電路如圖3所示,其中RX1、TX1接單片機的串口,RX232 ̄1、TX232 ̄1分別數(shù)據(jù)采集器的RS-232專用串口,進行數(shù)據(jù)傳輸。同時,為了增加系統(tǒng)的擴展性,預留一路串口,方便以后硬件結(jié)構(gòu)的升級。


圖3RS-232通信電路原理


2.4測溫電路設(shè)計

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

DS18B20的溫度讀取主要通過對其DQ引腳讀、寫高低電平的時序來實現(xiàn),為了增加DS18B20的驅(qū)動能力,在DS18B20的DQ引腳上增加一個上拉電阻,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,主要由初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備,單總線器件作為從設(shè)備,而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始,如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù),在進行寫命令后,主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。


圖4測溫電


3安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案


3.1概述

針對用戶變電站(一般為35kV及以下電壓等級),通過微機保護裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。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)自動化及無人值守的要求,針對35kV及以下電壓等級研發(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)用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù),集保護、監(jiān)測、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及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站,可實現(xiàn)對變電站quan方位的控制和管理,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)濟運行提供了堅實的保障。


3.2應(yīng)用場所

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


3.3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,可分為三層:站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層,組網(wǎng)方式可為標準網(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。


3.4系統(tǒng)功能

實時監(jiān)測;電參量查詢;曲線查詢;運行報表;實時告警;歷史事件查詢;電能統(tǒng)計報表

用戶權(quán)限管理;網(wǎng)絡(luò)拓撲圖;電能質(zhì)量監(jiān)測;遙控功能;故障錄波;事故追憶;Web訪問;APP訪問


3.5系統(tǒng)硬件配置





4結(jié)論

本文以煤礦井下的6kV供電回路作為研究對象,設(shè)計煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計隔離性RS-485通信電路,實現(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,進行電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的采集,在軟件設(shè)計中,詳細介紹了DS19B20測溫芯片的測溫流程、并利用VB軟件,對井上監(jiān)控平臺的監(jiān)控系統(tǒng)軟件進行設(shè)計,實現(xiàn)對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。




參考文獻

[1]萬長慈,袁鐘慧,陳筱梅,等.煤礦機電安全技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1990:18 ̄26.

[2]劉洪.煤礦安全測試技術(shù)〔上冊〕[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993:19 ̄25.

[3]李建偉.煤礦井下變電所高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.




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