煤矿电力系统智能控制单元的分析及设计

2015-11-04杨宝林内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司

精品 2015年11期

关键词：中断电气设备煤矿

□ 杨宝林内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司

煤矿电力系统智能控制单元的分析及设计

□ 杨宝林内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司

［导读］本文首先阐述煤矿电力系统的概述，接着分析煤矿电力系统智能控制单元的应用现状，然后分析煤矿电力系统的智能控制单元，最后分别从软件和硬件方面设计其控制单元系统。

一、前言

近年来，煤炭事故时有发生，导致煤炭事故的原因各种各样，其中最为重要的原因之一是电力系统的监控故障。煤矿供电系统不但要求供电可靠，供电的质量，还要求供电的安全性。若要达到这些要求就必须有一个准确可靠的煤矿电力监控系统。

二、煤矿电力系统概述

电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统。煤矿供电系统属于电力系统的配电与用电环节，一般包括地面变电所、坑下中央变电所、采区变电所、移动变电站和工作面配电点等。煤矿供电系统主要有供电可靠性要求高，同一电压等级穿越的供电级数多，大功率符合相对集中，运行环境恶劣，电缆供电为主，新型电力电子设备逐渐增多，供电设备技术水平参差不齐等特点。由于煤矿生产的特殊性，因此对供电系统更为严格，主要要求供电可靠、安全，保证充足的供电量，技术经济合理等。

三、煤矿电力系统智能控制单元应用现状

在现有的煤矿电力系统控制设备实际使用过程中，仍然会出现一些安全隐患，其中对电力设备安全影响较为严重的是电力设备的保护装置无法先系统出现异常时及时起到保护作用，导致系统长时间处于异常状态运行，引起设备损坏，矿坑断电，严重的酿成煤矿事故。对事故原因进行分析可以归纳出以下几个原因：

矿山使用电力设备受环境影响明显由于矿山的特殊环境，造成电力电气设备受到损害，再加上煤矿电力设备长时间处于高负荷运作状态，导致电力设备故障发生率提高，造成安全隐患。

系统复杂导致维护成本高目前矿山适用的电力系统设备主要是由模拟电子电路设备构成，布线复杂，导致电力设备部署和维护成本较高，采用定期检查的方式对设备进行维护，无法及时发现老化或者失效的设备，造成电力系统在保护不全面的状态下运行。

四、煤矿电力系统智能控制的分析

生产实践表明，已有的煤矿电力系统电力电气设备的使用仍然存在着很多的安全隐患，其中最为严重的是电力电气设备的保护功能不能充分发挥作用，其原因主要有：（1）煤矿环境特殊，电力电气设备受危害的因素多，电力电气设备故障多。（2）矿山使用的各种开关的控制电路和保护电路广泛采用电子电路，造成电力电气设备故障处理、检修和维护的难度增加，使故障不能及时得到检修处理，造成电力电气设备在保护不完善或没有保护的状态下运行。（3）电力电气设备内部电子元器件增多也使设备自身出现故障的机率增多。（4）电力电气设备使用者不按生产厂家的要求操作，把电力电气设备的保护装置甩掉不用，使设备在缺少保护的情况下运行，如将馈电开关中的故障跳闸线圈封死，不让其跳闸。

五、智能控制单元系统设计

（一）硬件设计

矿山电气设备智能控制单元的工作原理是：首先将检测的电信号分别经电压变送器和电流变送器，变成0-1v的电压信号，再经测量放大器放大成0。5V的电压信号，送至CPU，由CPU内A/D转换器将其变成数字信号后，CPU随即进行相应的计算和处理，计量数据经过总线缓冲驱动器显示在液晶屏上，CPU在对保护数据进行相应的逻辑判断后，通过总线缓冲驱动器对继电器直接操作或者发出闭锁信号。CPU定期对开关量输入状态、开关量工作状态及键盘、保护接口进行扫描和检测，完成对保护对象的状态监测和人机交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通过串口电路向调度中心发送数据或接收指令，复位电路能使系统自动复位。由于单片机具有性能高、速度快、价格低、体积小、稳定可靠、使用方便灵活等优点，因而常常被用在智能监控装置（仪器）控制中。由于智能控制单元必须在系统发生故障时及时判断出故障点并能及时切断故障电流，在系统正常工作时，控翎单元必须有能力及时处理大量实时动态数据，因此智能控制单元对硬件CPU的实时性、快速性、准确性和多功能性要求很高，为此在硬件设计时选用了实时性和快速性都非常好的PIC16F877A单片机作为中央处理器。基于单片机PICl6F877A的智能控制单元的硬件总体结构它主要由以下部分组成：（1）由CPU、时钟电路和复位电路组成CPU最小工作系统。（2）由电流互感器、电压互感器、电流变送器、电压变送器、模拟开关、放大器以及CPU的A/D转换模块组成数据采集模块。（3）12路开关量输入和3路开关量输出组成I/O功能模块。（4）由4×4键盘和液晶显示组成的人机对谣陵块。（5）由漏电闭锁模块、通信模块、联控模块、故障存储模块、实时时钟模块以及电源模块构成智能控制单元的功能电路模块。

（二）软件设计

由于该系统是对断路器的开合进行控制并要求对电压、电流进行实时采样计量，因此必须对每周波20ms的正弦电流信号进行采样，采样点选为12个点，那么每2个采样点之间的时间间隔为1.667ms，利用PICl6F877A的定时器TMR2来进行采样周期定时，每隔1.667ms进行一次中断，中断由统一的中断调度程序进行统一的调度，采用软件工程中的业务流结构发生一次中断后由调度程序决定执行哪一组任务，每2个采样点之间安排一系列的任务，并且每组任务在1.667ms内都能执行一遍，但是由于本软件系统配备有人机交互界面，键盘显示程序是所有任务中最为耗时的程序，它的执行必然超过1.667ms，因此在不影响系统的实时性能的前提下采用关中断的结构，在键盘显示执行完毕以后开中断来执行下一组任务，经实验证明这样的做法是切实可行的。12个采样点会有12组任务，在采样点内的任务在文中称内部任务。

每2个采样点之间都分配有若干个任务，由于任务的执行时间也长短不一，这样就必然会在某2个采样点之间存在空闲的时间未被分配，这一部分的时间可以留作日后软件升级时使用，这样使软件系统还有很大的升级空间。第一组任务至第十一组任务的执行都严格的控制在1.667m以内执行完毕，第十二组任务比较特殊，如前所述键盘显示程序耗时很长，经实验测得显示一个汉字占1.341ms，显示一个ASCII码要占用2.55ms。因此在1.667ms这样的时间内显示大量的汉字以及ASCII码是不可能的，如果不关中断会导致显示不正常，因此在不影响实际需要的实时性能的前提下，采用关中断的方法禁止定时器2的中断，待显示完毕后开放中断，然后继续执行第一组任务，虽然关中断的方法会影响系统的实时性能，但是由于这一点的时间损失都在毫秒级，经实验和现场的使用情况来看是不影响系统的实时性能的，因此这种方法是切实可行的。每一组任务都是一个功能模块，该系统包括电流保护模块、电压保护模块、绝缘电阻保护模块、数据采集模块、远控模块、通讯模块、联控模块、时钟模块、故障存储及查询模块和键盘显示模块等，以上各个功能模块在主程序的统一调度下完成各自的功能。