井下高压开关柜运行监控系统研究

摘 要：针对煤矿井下高压开关柜人工巡检存在间隔时间长、不能及时发现运行故障等问题，提出一种自动监控系统，该监控系统采用无线射频温度传感器、ZigBee网络克服了高压开关柜内高电压、强电磁环境中信号传输问题，并详细对监控系统结构组成以及现场应用情况进行阐述。结果表明，该监控系统可对高压开关柜24h不间断监测，监测结果精度高，可在一定程度上提升高压开关柜运行可靠性。

关键词：高压开关柜;无线监测;温度传感器;ZigBee技术

高壓开关柜在使用过程中由于受到振动、温度以及湿度等因素影响，在金属表面、接触面等位置经常出现氧化、磨损等问题，从而增加高压开关内各接触位置电阻值，引起设备运行温度过高甚至出现电气故障[1-3]。为了确保高压开关柜运行可靠性，矿井一般安排专人值守或者定期巡检，但高压开关柜由于是封闭结构、柜内存在高压电流，值守或巡检人员难以及时发现柜内运行故障，为此亟需一种用以监测高压开关柜运行的监控系统[6]。文中就基于ZigBee技术提出一种无线监控系统，可有效监测开关内设备运行情况，从而提升高压开关柜运行可靠性。

1 监控系统结构

具体提出的高压开关柜运行监控系统主要结构组成包括有上位机、处理器单元、通信模块以及传感器模块（温度传感器）等。监控系统正常工作时，传感器模块监测获取到高压开关柜运行时的物理信号转换成电信号，并经通信模块（ZigBee网络）将电信号传输至处理器单元;处理器单元将电信号转换成数字信号并通过上位机现实监控结果;同时上位机将数字信号存储到数据库内，通过专业软件监控高压开关柜运行情况，当监测值超过预先设定阈值后，上位机会发出预警信息，提醒作业人员及时处理[4-5]。

2 监控系统硬件结构设计

监控系统涉及到的硬件结构包括有通信单元、存储模块、上位机、传感器模块、处理单元等。其中处理单元采用技术成熟、煤矿应用较为广泛的DSP微处理器、无线通信传输（ZigBee网络）选用CC2530单元、传感器模块选用温度监测可靠、精度高的无线温度传感器。在监控系统硬件结构中，DSP微处理器及电源技术均较为成熟，可直接应用，制约监控系统高效运行的关键在于无线通信传输以及传感器模块，下文就重点对上述两部分进行设计。

2.1 传感器模块

传感器模块包括有温度传感器以及无线射频模块。

2.1.1 温度传感器

高压开关柜由于有高压电流，因而会在密闭的狭小空间内产生强电磁，并需要布置多个传感器同时对A、B、C三相、刀闸开关、断路器接头以及母线等接触点进行监测，高压开关柜内布置的传感器数量众多、分散。单个高压开关柜监测结构单元包括有多个温度传感器以及一个无线通信传输。经过综合分析并结合现有的温度传感器运行特点，最终选用DS18B20温度传感器对开关柜各接触点进行监测，具体该传感器技术参数见表1。

2.1.2 无线射频模块

无线射频模块选择时需要充分考虑高压开关柜内空间狭小、高电压、强电磁环境，同时应满足实现低能耗、小型化以及低成本要求。由德州仪器生产的基于ZigBee网络的CC2530控制芯片具有成本低、可靠性强以及能耗低等优点，可满足复杂工业环境使用需要。为此，DS18B20温度传感器配合采用的无线射频模块为CC2530控制芯片。

2.2 汇聚节点

汇聚节点主要用以接收高压开关柜内的各个无线温度传感器监测温度，并对监测结果进行分析、处理，后经RS485通信网络将信息传输至DSP微处理器中的ARM处理芯片进行处理。芯片对信息进行处理后在显示屏上显示温度监测结果同时将处理结果经过井下已有工业以太网环线传输至地面监控中心。当DSP微处理器发现传感器获取到的温度超过设定阈值后，会及时发出预警信息。

3 软件设计

为了实现监控系统功能，需要对软件结构进行设计，具体设计的监控系统主程序运行流程见图1。

当监控系统启动运行后，首先进行初始化处理，随后进行信道能量检测。具体信道能量检测流程为：系统向被检测信道发出BEACON-REQ帧，若该信道发出有反馈信息则可判定该信号被占用，则系统会继续扫描下一通道，直至搜索到一空通道。随后控制系统主程序开始构建无线传输网络并查找传感器模块进行数据传输。

主程序以N为周期（N为高压开关柜内布置的传感器数量）并通过不断扫描与不同传感器构建传输通道，接收传感器监测信息。当发现传感器监测结果超过预先设定阈值后，便发出预警信息。为了确保高压开关柜运行安全，监控系统需要24h不间断运行，当需要检修时可手动关闭。

4 系统运行效果分析

高压开关柜监控系统无线传输采用两级传输网络，其中在高压开关柜内布置的温度传感器、无线节点传输采用频段2.4GHz的ZigBee网络，可适应高压开关柜内强电磁、高压环境，确保温度监测结果可精准传输;高压开关柜外信息传输采用RS485总线，可实现远距离传输。在井下高压开关柜内布置相应监控设备后，经系统调试后监控系统可平稳运行。具体在系统运行6个月内随机获取到的温度监测结果见表2所示。

从表中可看出，高压开关柜监控系统获取到的各个接触位置温度信息与采用人工巡检方式获取到的温度信息误差在-1.15～1.28℃间，监测结果接近，监测精度满足井下高压开关柜。

5 总结

①文中提出一种煤矿井下高压开关柜运行监控系统，该监控系统通过采用ZigBee网络有效解决了高电压、强电磁环境中信号传输问题，为井下高压开关柜巡查提供一种切实可行技术方法。同时监控系统结构简单、成本低，可在一定程度上提升煤矿井下供电可靠性;②在矿井现场应用后，监控系统自动获取到的监测点温度与人工巡检方式获取到的温度信息误差在-1.15～1.28℃间，监测精度较高，可满足现场使用需要。

参考文献：

[1]丁惠忠.基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计与实现[J].沙洲职业工学院学报，2020，23（02）：1-5.

[2]冯亦佳，张治忠.10kV高压开关柜电气设备在线测温系统应用研究[J].现代信息科技，2019，3（15）：179-180+182.

[3]陈路易.高压开关柜故障检测与预警系统研究[D].合肥：安徽理工大学，2019.

[4]王江伟.高压开关柜运行环境及其局部放电综合在线监控系统的研制[D].北京：华北电力大学，2019.

[5]陈润先.高压开关柜温度监控的运用[J].山西煤炭管理干部学院学报，2015，28（03）：190-191+194.

[6]马文静.封闭式高压开关柜运行环境模糊监控系统的探讨[J].可编程控制器与工厂自动化，2006（10）：101-103.

作者简介：

牛泽敏（1990- ），男，山西省灵石县人，2011年7月毕业于大连交通大学，本科，助理工程师。