矿井供电监测报警保护系统的设计分析

＊李 鹏

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司 山西 044330）

前言

近年来，随着采煤科技的发展，矿井采煤作业的自动化、智能化水平越来越高，所用采煤设备越来越多，这些设备一方面消耗的电能不断增多，另一方面对矿井供电系统的安全稳定供电能力提出了更高要求，特别是对于矿井这种易存在大量瓦斯，粉尘等易燃易爆气体的运行环境，更应重视矿井的安全连续稳定供电问题，一旦矿井供电系统突发短路故障出现明火，极易引发瓦斯煤尘爆炸事故，这就对煤矿供电系统的安全稳定供电监测提出了更高要求，实现全面监测矿井供电系统运行稳定性具有十分重要的意义，对此，矿井各级部门也十分重视煤矿安全供电问题，国内很多学者也进行了相关研究，如李倩倩等[1]设计了以PLC为基础的的矿井供电测控与管理系统，李永东[3]提出了煤矿机械设备供电网络智能监测设备的具体设计方案，程景奕[5]研究了提高矿井供电系统供电安全可靠性的措施与对策，王璐磊等[4]研究了供电网络中电压转换器及电压噪声的优化方案等，但在以往的这些研究中很少有学者专门研究设计煤矿供电监测报警保护系统，矿井供电系统目前普遍存在供电监测报警保护不足的问题，对此，笔者此文重点针对该问题进行研究，设计了矿井供电监测报警保护系统，达到了有效保障煤矿供电系统安全稳定运行的目的。

1.系统总体设计

(1)系统功能分析

通常将监控系统划分为如下3个主要的控制单元：①井上监控主站单元；②井下测控分站；③电力保护器等。具体介绍如下：

①监控主站功能，能够让工作人员进行在线浏览，同时保证在覆盖范围内实现与主机的通信以及对井下供电系统的远程控制。

②对于井下测控分站软件而言，可以进行远程升级功能，其可以实现数据的储存、处理、绘制体表，这样能够有效地反应供电系统的运行情况。对故障进行分析，同时可以为事故调查提供相应的数据分析。可以进行账户管理功能，依据不同职权给职工分配相应的管理账户权限。而相应的井下测控分站功能：能够实现净重监控功能，能够有效地监控区域采集到的数据进行汇总。进行对外信息的扩充，并且能够自由的进入第三方设备中。

③对于电力保护器而言，能够对主分站数据进行监控，并且能够对数据进行修改。在该控制单元植入数字化的显示器，这样可以实现人机交互功能。该信号采集单元可以对电压电流采集单元与传感器之间进行信息传输。

(2)系统总体方案设计

图1表示相应的电力监控系统总体设计方案，其主要包括三部分：

图1 监控系统总方案设计图

①地面监控主站；

②井下测控分站；

③电力保护器。

通常电力保护器属于终端设备，这样可以更好地采集供电网络与设备的相关参数、温度、瓦斯量等，在通过微处理器对数据算法的计算，进而可以得到相应的处理结果，从而对各个保护装置的动作进行控制。测控分站主要承接主站与电控保护装置的信息交互，完成以太网与地面信息的传输。地面监控主站能够给工作人员提供远程控制系统的操作平台，通过构建相应的局域网络，最终可以实现对煤矿一体化监控功能。

2.电力保护器原理及算法

(1)保护器原理分析

通常井下电力保护器有两种保护方式：

①电流保护；

②电压保护。

对于井下电流保护措施而言，其主要包括如下几个部分：

①速断保护；

②限时电流保护；

③定时电流保护等。

通常速断保护是指当速断保护装置检测到电流Id超过了设定的电流Idz时，系统将会开启采取速度保护。可以使用公式（1）计算限定电流Idz：

式中，A表示相应的可靠系数，取值范围在1.1到1.5之间；Idlmax表示相应的供电回路短路时的最大电流，单位：A。

假如电力电缆设备所处的电压超过了设定值，那么将会降低设备绝缘性能，从而损坏设备。假如工作电压低于设定值，那么将会引起无功损耗，从而大大降低设备的使用时间。电力系统保护包括两种：欠电压保护、过电压保护，通常借助互感器得到相应的电路电压值。假如线路电压超过了120%额定电压时，系统将开启过压保护。而假如线路电压小于65%额定电压时，系统将启动欠压保护。由于在操作设备时出现瞬时电压，该现象对设备并不会产生危害，因此为了优化保护装置的误动作，通过可以将互感器电路设置成为非线性电阻。

(2)信号采样算法

保护装置在采集电路的电压与电流参数时，主要借助互感器，这样可以将模拟信号转化成为数字信号。一般在转化电流与电压的过程中，需要按照一定的频率才可以采集交流信号。通常交流信号存在谐波分量与暂态分量等，因此所选用的采用方式不同，最终得到的数据精度也存在一定的差。笔者运用非正弦的算法对数据进行分析，借助被侧电路信号的离散化，从而可以得到电压与电流的瞬时值，并将其传输给保护装置[1]。

下面两个公式为计算交流电压与电流的有效值的公式：

式中：T为交流信号的周期；U为t时刻的瞬时电压值；d为t时刻的瞬时电流值。

借助两表法来计算设备的功率，由上式子计算得到电压与电流值，进而可以得到交流设备的功率参数P：

式中，U表示相应的三相负载电压；I表示相应的三相负载电流；cosφ表示相应的功率因数。

3.电力保护器设计

(1)保护器总体设计

通常电力保护器必须实现如下几个数据相关的功能：

①采集；

②处理数据；

③传输数据；

④储存数据；

⑤控制数据等。

在设计该系统时选用嵌入式ARM作为处理器，图2表示相应的电力保护器的系统结构。

图2 电力保护器的系统结构图

对于信号采集单元而言，主要包括如下几个方面的信息量比如：温度、瓦斯、电参数、开关量等。选用光电隔离的形式，进而可以最大限度的抵抗信号的干扰。通常ARM处理器包含如下几个方面的接口：

①存储扩展单元；

②通信单元；

③报警电路；

④数字化显示接口等。

主控芯片选择STM32F103RC，其具有大量的外设接口以及相应的通信方式，从而可以大大提高系统的设计需要。依据系统控制精度需要，数模转换装置选用AD7607，其包含8路模拟量通道。保护器通信选用RS485串口通信，其内部设置有差分接收形式，从而可以优化通信干扰能力[2]。

(2)光电隔离电路设计

通常井下存在电磁以及噪声干扰，因此需要在电路设计时设置光电隔离电路，这样可以有效地隔绝采集的模拟信号与数字电路的干扰。与此同时可以避免不必要的外部噪声与电磁信号的干扰。图3表示相应的光电隔离接口电路的设计。

图3 光电隔离接口电路的设计

4.分站通信的设计

在进行系统以太网驱动电路设计工作时，可以选用ENC28J60控制芯片，以及ARM处理器让它们合理连接，最终接入以太网，具体如下图4所示。可以说分站在监控系统中，承担着十分重要的承上启下的作用，是系统的重要组成部分，它需要确保煤矿井上与煤矿井下之间可安全顺利的实时传输大量数据。煤矿井下布设的底护器可借助RS485串口进行组网作业，可通过分站把相关信号逐步转换为以太网信号，应用规范标准的工业以太网进行通信，该种通信方式具有不易被干扰，通信效率相对较高的优点，应用效果较好。

图4 以太网驱动电路

5.结语

该煤矿井下供电控制系统以嵌入式处理器为控制单元，对电力保护器相关的信息进行处理，从而得到与之对应的电网控制参与以及故障信息，最终可以精确地驱动保护装置，从而可以实现保护设备的功能。该系统借助通信组网的方式可以优化信号传输效率，从而能够避免不必要的信息干扰，最终可以为供电网络维护提供参考。