煤矿地面35 kV 变电所故障监控系统的设计

2020-07-31谭建梅

机械管理开发 2020年6期

谭建梅

（山西煤炭运销集团临汾有限公司，山西临汾 041000）

引言

煤矿开采过程中，需要用到大量的电力能源，如矿井的提升系统、通风系统、采掘系统与排水系统等所需的动力都来自煤矿供电网络[1]。其中地面变电所为一级供电设施，向矿井主提升机与主通风机等关键性机电设备直接供电，并向井下移动变电站、采掘设备等间接供电，所以地面变电所供电的安全性与可靠性将直接影响整个煤矿的供电网络[2-3]。目前仍有很多煤矿对地面变电所采用人工巡检或其他低效的监控方案，无法实现在线监测功能，对煤矿的生产安全有着巨大隐患[4]。本文针对煤矿35 kV 地面变电所设计了一种故障监控系统，为变电所的安全运行与及时维修提供了数据保障与理论支持。

1 监控系统的方案分析与设计

1.1 变电所工作环境与设备分析

煤矿地面变电所一般设置于距离矿井1～3 km处，变电所中安装有各种一次电气设备，负责输电与配电任务，如变压器、隔离开关、电缆设备与断路器等，这些设备之间相互连接所构成回路称为一次回路[5]。二次电气设备负责对一次电气设备进行监控与保护，向维修调度人员提供信号数据，二次电气设备所构成的回路称为二次回路。监控系统主要对变电所附近的环境与设备工况进行监测，其中监测的环境主要为站内的温湿度、有害气体浓度等，系统还需对变电所内的变压器、无功补偿装置与低压开关柜等电气设备进行监控。根据国家发布的标准《变压器》中规定，变压器运行温度最高不超过40 ℃，平均温度不超过30 ℃，当超过阙值时，应及时派遣人员维修。无功补偿装置与低压开关柜的工作温度范围为-5～+40 ℃，湿度范围≤80%，当超过阙值时，控制排风设备通风完成温湿度的调节[6-7]。

1.2 系统方案设计与分析

本文设计的监控系统总体方案如图1 所示，系统由上位机、远程监控、监控单元与变电所信号采集模块组成。监控单元由处理器及其外围电路、电源模块、存储模块、人机交互模块等组成，主要负责采集信号的处理分析与故障诊断。信号采集模块分为变电所站内环境参数测量与各电气设备内运行参数测量，其中站内环境测量参数主要为温度与湿度参数。无功补偿装置与低压开关柜的测量参数都为温湿度与风速，变压器测量参数除温湿度外，还需对其工作的电压与电流信号进行检测。

图1 系统总体方案框图

监控系统实现的主要功能有：信号采集处理功能、故障诊断与预警功能、通讯功能、数据存储功能、用户登陆管理功能与显示打印功能。信号采集处理功能，实时对变电所的环境与设备工作参数进行采集，通过核心处理器对数据分析与计算。故障诊断与预警功能，当检测到有故障发生时，报警器音响发出响动，同时上位机监控界面显示红色报警内容；当检测到数据异常，并与设定参数差值在一定范围时，系统监控界面显示黄色预警内容，为设备调修工作提供参考数据。通讯功能、监控单元与上位机之间采用工业以太网通讯，变电所采集单元与监控单元之间采用RS485 串口通信。数据存储功能，系统可存储监测数据、趋势、故障类型与时间等。用户登录管理功能，系统通过用户口令设置不同管理权限，工作人员在其授权范围内对系统进行操作。显示与打印功能，可将数据以简易的图形表示出来，如动画、趋势图与曲线图等，并支持打印。

2 系统硬件设备选型设计

2.1 核心处理器

对比市面上常见的处理器，综合考虑监控系统的功能要求与计算能力，本文选用ARM 系列S3C2440AL 芯片作为系统核心处理器。S3C2440AL处理器是一款高性能的32 位处理器，主频范围为400～533 MHz，片内闪存2 MB，片外闪存64 MB，具有4 通道PWM 定时器与1 通道看门狗定时器，基于以太网实现信号传输，具有较好的扩展性，满足系统监控需求[8]。

2.2 传感器与模数转换器选型

根据上文介绍，本系统所需监测参数类型主要分为四种，温度、湿度、风速与电参数。温度传感器选用pt100 铂电阻传感器，传感器采用热敏电阻材料，在0 ℃时电阻值为100 Ω，在100 ℃时电阻值为138.5 Ω，根据对应关系，测量材料的电阻值即可得到环境温度，测温范围为-200～800 ℃，精确度达±0.03 ℃。湿度传感器采用SHT85 传感器，可测湿度范围为0～100%，精度为±1.5%。风速传感器选用FRWS 传感器，由三杯风感应元件组成，可测量0～70 m/s 范围内的风速，测量分辨率＜0.1 m/s。电参数传感器选用霍尔传感器，可精确采集变压器内的电流信号与电压信号，霍尔传感器具有尺寸小、线性度高、动态性能好的优点，可测试的频率范围高，测量精度达1%。

模数传感器可将模拟信号处理为数字信号，方便计算机分析计算。本文选用SAR 型A/D 转换器，由寄存器、比较器与控制电路组成，转换速率可达1 Mb/s，功耗较低，不会占用很多系统资源，满足系统采集数据的转换需求。

3 系统通信模块设计

本系统的监控单元与上位机之间采用工业以太网通讯，变电所采集单元与监控单元之间采用RS485 串口通信，其中系统RS485 串口通信电路如图2 所示。RS485 串口通信诞生于RS232 之后，针对RS232 传输距离与传输速率有限，电源电压值过高，无法多机联机等缺点进行了改进，最大传输距离可达1 200 m，传输速率达10 Mb/s。本文选用的转换芯片为MAX485，电源引脚接入5V 电压，RO 与DI 引脚接入ARM处理器RXD 与TXD，A 与B 引脚直接并联一个R1 电阻，阻值范围为100～1 000 Ω，以提高电路的抗干扰性。

图2 系统串口通信电路

在对CAN 总线、以太网技术与Profibus 网络对比分析后，本文选用以太网技术实现远程的信息交换。以太网采用媒体访问机制，工作站可随时对网络进行访问，传输速率达10 Mb/s，具有实时性好、可靠性高与兼容性强的特点。ARM处理器内部嵌入有以太网控制器，本系统利用RTL8019AS 提供物理接口与媒体访问服务。芯片在接收到主机传输的数据后，在数据上添加以太网帧头，生成校验码后传输到以太网中，当从以太网接收数据时，先对数据的以太网帧头进行解码、校验后存储于片内闪存。