煤矿井下供电过程电力监控系统应用研究

刘国林，苗满文

(河南永锦能源有限公司 云盖山煤矿一矿，河南 禹州 461670)

在过去几十年里，煤炭生产成本继续下降，这些收益是技术改良的直接结果，同时也是在很大程度上归根于电气系统技术进步的结果。通过企业开发和应用更强大、更复杂的设备，并通过设计向该设备供电的系统，实现了生产收益。近年来，煤矿井下电气系统的电力需求急剧增加。以前，1 500 kVA的电力网络通常被认为是井下应用的大型电力中心，主变电站大约由5 000 kVA的变压器供电[1]。如今，高产长壁工作面的电力中心容量超过5 000 kVA。随着长壁工作面长度的增加，需要更大的电力保障。目前电气系统的技术限制在2个方面:自动化和电力输送。随着生产率的提高，工人们越来越难跟上机器的步伐，因而为电力监控系统开发了自动化技术。尽管取得了重要进展，但还需要进行更多研究，本文针对煤矿电力监控系统继续开展技术讨论。解决的电力监控问题是:如何在没有严重电压调节问题的情况下提供大量电力，以及如何安全、经济地中断较大的电力波动，特别是在故障条件下的安全监控。本文中讨论的许多创新成果为矿井电力监控系统研究提供了依据。

1 矿井电力监控系统应用目标

1.1 设计目标

煤矿综合电力监控系统是在充分利用矿井外电力综合自动化技术的基础上，专门对井下供电系统、电力保护装置、调度自动化等一体化进行监测监控的电力自动化平台。该平台可以集高低压开关在地、离地的保护、测量和控制于一体，实现地下变电站无人值守运行、整个矿山电力系统运行状态的监控、运行参数超限报警、矿山调度系统的实施，实现真正的视频图像监控系统真正实现互联。

1.2 矿井电力供应简介

我国大多数煤矿属于井工开采，煤矿供电系统从上到下依次为地面变电所、井下中央变电所、采区变电所以及移动变电站。供电系统普遍采用的是多级短电缆组成的干线式电网结构。煤矿高压供电等级一般为 6～10 kV，低压等级有 3 300 V、1 140 V、660 V、380 V 和 220 V。《煤矿安全规程》要求井下供电网络必须采用双回路供电方式，两回路互为备用，即一回路电源或线路出现故障以后，通过调整高压开关，可以将另一路正常电源接过来，保证了负荷的持续供电。

2 监测系统的设计

2.1 系统架构设计

在回顾了过去和现有的煤矿电力供应技术之后，开发并提出了一个简单的监控系统。该系统以监控单元为主，如图1所示。这两个单元都由作为核心微控制器的LPC2148组成，属于ARM控制器类型[2]。通过以太网收发器相互通信，采矿装置和监控装置中使用的收发器属于同一类型。

图1 煤矿电力监控系统架构示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine power monitoring system architecture

ARM控制器作为监控系统的核心单位，它采用STM32F103RAM32位处理器作为系统的主芯片，配有24位模数转换器和640×480真彩色液晶显示屏以及相应的软件。该装置以OMAP平台为核心作为保护[3]，较好地利用了TMS320C5470DSP芯片的数字信号处理能力和高ARM926芯片的外围集成，组网突出的特点为煤矿配电系统网络保护装置提供了一种新的研究结构。

在电力监控系统中集成C8051F410的光纤激光甲烷传感器。但是光纤传感器在煤矿的推广使用也出现了一些弊端，如显示值暴涨、激光功率变弱等。但是该传感器的加速度最小，为1 mm/s2[4]，可用于微地震信号的测量和电力环境中的泄漏测量。

2.2 硬件设计

2.2.1 ARM微控制器选型

系统选用ARM7TDMI系列的微控制器，具有极低的功耗和价格并提供高性能的技术特点。ARM架构基于精简指令集计算机(RISC)原理，指令集和相关解码机制比微编程复杂指令集计算机(CISC)简单得多。这种简单性带来了高指令吞吐量和实时中断响应。

ARM7TDMI处理器采用了独特的架构策略(THUMB)，这使得它非常适合内存受限的大容量应用，或者代码密度存在问题的应用。ARM面对用户串口如图2所示。

图2 ARM面对用户串口示意Fig.2 Schematic diagram of ARM facing user serial port

笔者使用LPC2148，具有如下特征[5]：①16/32位ARM7TDMI-S微控制器，采用小型LQFP64封装；②40 KB片内静态RAM和512 KB片内闪存程序存储器；③通过片内引导加载软件进行系统内或应用程序内编程；④两个10位模数转换器总共提供14个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44 s；⑤单个10位数模转换器提供可变模拟输出；⑥多个串行接口，包括两个UART(16c 550)、两个快速I2C总线(400 Kb/s)、具有缓冲和可变数据长度功能的SPI和SSP；⑦具有可配置优先级和向量地址的向量中断控制器；⑧在一个小型LQFP64封装中，最多可容纳45个5 V快速通用输入/输出引脚。

2.2.2 元器件设计

电力监控系统不仅需要对电力运行情况进行监控，还需要对周围环境的变化进行感应，以便随时做出针对于电力调节方面的变化，因此，设计了气敏、温湿度传感的元器件。为了检测煤矿井下主要有毒气体甲烷和一氧化碳，使用了MQ-7气体传感器[6]，如图3所示。

图3 MQ-7气体传感器Fig.3 MQ-7 gas sensor

传感器由微型AL2O3陶瓷管、二氧化锡敏感层、测量电极和加热器组成，固定在由塑料和不锈钢网制成的外壳中。加热器为敏感部件的工作提供必要的工作条件。封装的MQ-7有6个引脚，其中4个用于获取信号，另外2个用于提供电流。MQ-7传感器与ARM7TDMI的P0接口进行连接[7]。

在所提出的系统中，热敏电阻用作温度传感器，被用来检测非常小的温度变化。温度的变化通过器件电阻的明显变化来反映。这里需要注意的是，NTC热敏电阻在-50～150 ℃时的电阻分别为10、100 kΩ。这意味着200°C的温度变化导致了100∶1的电阻变化。该传感器连接到P1至LPC2148接口[8]。湿度传感器是电阻式的，随着湿度的变化，传感器电阻将发生变化，该传感器连接至LPC2148。

2.3 以太网的适配

以太网是由IEEE 802.15.4个人区域网标准指导的一种新的无线技术。它主要为广泛的自动化应用而设计。它目前以20 000 B/s的数据速率工作，占据在868 MHz频段，在全球发达工业国家可以以250 000 B/s的最大数据速率工作，最高可达2 400 MHz，有效减小了外部信号干扰。

以太网规范是射频Lite和802.15.4规范的结合。该规范工作在2 400 MHz无线电频段，与802.11b标准、蓝牙、微波和一些其他设备相同。因矿井工作环境恶劣，选用以太网作为通信网络最为合适。以太网络可以连接255台电力设备[9]。收发模块的范围在井下可达300～700 m，在室外可达1.0～1.5 km。收发器具有片内有线天线，工作频率为2 400 MHz。从微控制器接收的数据根据以太网协议标准进行组织，然后进行调制。该规范支持300 m范围内高达250 KB/s的数据传输速率。

虽然以太网的技术比802.11b (11 MB/s)和蓝牙(1 MB/s)慢，但功耗明显更低[10]。系统使用一对以太网模块，一个用于传输地下部分的数据，另一个用于接收地面或监控部分的数据，并且设置主站系统，如图4所示。

每当监控系统授权人员想要知道参数的状态，或者每当参数值增加到阈值以上时，就会通过调制解调器发送消息。该故障通过液晶屏上的显示来指示。该电力监测将有助于技术人员同时监控不同的参数，从而提高准确性和速度。

2.4 软件设计

WinCC是一个基于窗口的软件开发平台，它将强大的现代编辑器与软件多个拓展工具相结合。它集成了开发嵌入式应用程序所需的所有工具，包括C/C++编译器、宏汇编器、链接器/定位器和十六进制文件生成器。WinCC通过提供集成开发环境，帮助加快嵌入式应用的开发过程。其中生成的KEIL可以用来创建源文件；采用易于使用的用户界面设置的选项，完成自动编译、链接和转换，最后在可以访问数据变量过程中和内存硬件上模拟或执行调试。WinCC大大简化了创建和测试嵌入式应用程序的过程。

为了将应用程序下载到闪存中，这个WinCC实用工具平台是必要的。用C语言生成的程序代码经过处理后生成十六进制形式的目标代码。它被称为十六进制文件。为了将这个十六进制代码转储到控制器的闪存中，该工具提供了Keil编译版本。对于旧版本的编程，同样的任务是在名为Flash Magic的软件的帮助下完成的，在程序内部通过RS-485总线技术进行数据的传递[11]，主要针对于自检模块、故障模块功能进行加强，如图5所示。

图5 系统主程序流程示意Fig.5 System main program flow diagram

3 系统安全性设计

3.1 接地故障保护

电力监控系统在离线模式下，当电力负载关闭时，该系统持续监控电机绕组和电机启动器互连电缆的绝缘水平。该装置具有可调范围平衡电平，并具有输出计量驱动器(0～1mA)来驱动远程仪表或与ARM控制器接口。如果检测到低绝缘水平或离线接地故障，该装置将锁定电机电路。该系统还可以显示以欧姆为单位的绝缘水平，这有助于预测性维护。

高压线路利用电路需要后备接地故障保护的功能，如果中性接地电阻开路时发生接地故障，后备接地故障保护将使电源电路断电，这种保护在低压和中压系统中越来越常见。这种类型的保护是通过潜在的继电保护来实现的。

高压线路也利用电路需要中性接地电阻的过温检测。如果持续故障导致接地电阻发热，该保护的目的是打开输入配电电缆的接地检查先导电路。系统应在接地电阻最大温升的50%范围内或150 ℃下运行，以较小者为准。由于与附近的电力变压器相比，故障接地电阻产生的热量相对较低，因而很难设计出确保这种保护可靠运行的系统。监控系统已经接受了替代方法，如过载电流互感器，只要替代方法不需要控制电源运行，保障了监控系统在电力线路发生故障的条件下也能保持工作性能。

3.2 功率因数校正和电压调节

大多数煤矿企业认识到电网功率因数校正的经济效益。通过将平均月电网功率因数保持在1.0附近，可以显著节省电力成本。由于大多数煤矿电网的功率因数校正发生在井外，这当然是放置电容器的方便位置，但它距离井下电机负载较远。因此，通过将电容器定位在尽可能靠近负载的位置来改善电压调节控制系统并没有充分发挥出性能。然而，在大容量长壁开采之前，这种功率因数校正优势并不那么重要。在一些大容量系统中，需要在电机负载附近放置功率因数校正的电容，以提供足够的电压调节并减轻电机启动期间电网电压下降的严重程度。

目前，煤矿企业现在正在以电网电力控制中心为连续采矿区安装电容器组。如果有足够的空间，电容器通常安装在电力中心集中控制平台上。采用这种布置，必须为每个电容器电路提供接地故障保护。电气切换通常由技术人员执行真空接触器和电流或无功检测用于控制开关点。通常提供足够的时间延迟来防止过度切换。电抗器应与开关电容器串联，电容器应具有工厂接线的保险丝、熔断指示器和泄放电阻器。另一种降低电压降和改善电压调节的方法是使用更高的分配电压。过去，7.2 kV是煤矿井下最常见的配电电压。然而，在许多情况下，这种电压已经无法满足对于今天的大容量长壁工作面开采。因此，在运用电力监控系统时，应当安装一个单独的13.8 kV配电系统，专用于长壁开采系统及其相关的井上电气设备。矿井的其余部分仍由7.2 kV配电系统供电。另一种方案可以安装标称电压为14.4 kV的配电系统，目的是在不超过15 kV绝缘等级的情况下获得最高的配电电压。只有搭载适应的电网电压并进行功率因数校正，才能确保电力监控系统发挥最佳的性能。

4 电力监控试验测试分析

4.1 试验系统组成设计

试验系统构成如图6所示。在 10 kV 开闭所接一面 KYN28A-12(Z)高压开关 K2，模拟 10 kV 变电所Ⅱ段任一馈出高压开关 K2，在该开关柜安装 DMP5101终端1台；再接 4 台 BGP9L(Y)高压防爆开关 K3、K4、K5、K6，模拟井下两级变电所的供电线路，每台高压防爆开关内安装1台矿用保护器。五台开关之间一次侧采用高压橡套电缆连接，末端高压防爆开关负荷侧接1根高压橡套电缆。在 K2 与K3 之间设置短路点 D1、在 K4 与 K5 之间设置短路点 D2、在 K6 负荷侧电缆终端设置短路点D3。

图6 试验系统组成Fig.6 Test system composition

4.2 电力监控系统试验运行

点击系统图标进入煤矿电力监控软件，可以选择查看地面或井下配电室监控画面，同时点击井下配电室系统中的变电所界面，查看井下1号变电所监控画面。监控画面中矩形形状图标代表断路器，上下各配一刀闸表示断路器小车状态，综合显示高爆柜当前的运行情况，红色代表合闸位置，绿色代表分闸位置。系统另一个重要功能是对历史数据的查询，历史数据曲线主要功能是将电流、电压等数据以曲线的方式显示，提供直观的数据显示、对比功能。

历史报警模块对各类报警信息以时间为次序，详细罗列了报警的时间、编号、类型、报警内容及持续时间，方便操作人员查询及处理相关信息。

5 结语

本文针对目前矿井电力系统发生的系列变化，设计了井下电力监测系统。该系统的主要特点:对存在塑壳断路器的替代产品进行了监控设计；改进了接地故障保护；测试模式、障碍和内置测试电路的接地保护有变化；改善电压调节的负载附近功率因数校正；增加可编程控制器在控制、监控和诊断应用中的使用。ARM和以太网技术为核心的煤矿井下监控系统提供低功耗平台，证明了像ARM7这样的控制器的更高级版本可以有更快的执行速度和极低的功耗。通过使用远程操作，该系统可以更精确地实时对电力系统运行情况进行观察，并且在工程现场验证了该系统的安全性、可靠性、稳定性。