矿井供电智能监控系统研究与设计

张碧莹

（晋能控股煤业集团塔山铁路分公司 山西省大同市 037003）

煤炭作为我国主要能源来源，保障其安全高效生产具有举足轻重的作用，机械化和自动化采掘装备 的引入，进一步提高了生产力水平。而作为煤矿井下各类生产运输的能量来源，电力如若不能及时恢复，轻则导致生产中断，重则导致人员伤亡，因此保障供电系统的安全平稳运行尤为重要。

近些年来，人们在瓦斯浓度监测、采掘设备控制等领域的应用研究较为深入，而对于煤矿井下供电系统的监控研究则相对不足，煤炭设备平稳运行和各项传感系统的正常工作，都离不开电能的可靠供应，因此，设计一套矿井供电智能监控系统，监控电网运行状态、合理配置相关参数十分必要。

1 矿井供电系统基本结构与分析

如图1 所示，煤矿供电系统主要分井上、井下两部分，由变电站、变电所和移动变电站等多个部分组成，以综采工作面供电系统为例，主要由变电所、移动变电站、工作面工作设备等组成。由于煤矿井下空间狭小，伴随着煤炭开采空气中含有大量煤粉颗粒等细小物质，影响着电力设备的寿命，同时也导致供电系统故障多发。

图1： 综采工作面供电系统说明图

煤矿供电系统的主要故障为短路故障，具体可以细分为相间（两相、三相）故障和漏电故障，发生故障后在降低电能质量的同时，短路能量还会造成电力设备绝缘损伤，影响使用寿命，严重的还可能引发瓦斯爆炸。根据常见的故障类型，目前供电监控系统的主要问题在于多级逐段控制下的供电网络复杂，短路保护难以定位；同时相关数据采集精度较低，通信稳定性较差，难以对故障作出判断，影响决策。

2 监控系统整体设计

根据煤矿供电系统特点设计的智能监控系统如图2 所示，全系统分为地面和井下两部分，其中井下部分以TCP/IP 网络为核心，根据变电所位置分为中央变电所、采区变电所、移动变电所三个监控单元，各个监控单元内部均设立监控分站，分站通过RS485 通信与对应高爆开关或低压启动器相连，实时获取电压、电流、功率、能耗等供电参数和系统定值、刀闸断路器状态、动作限值等设备状态。

图2： 矿井供电智能监控系统框架图

各变电所监控单元通过底层的低压启动器等监控设备将实时数据通过通信总线传递给监控分站，并经过监控分站存储、打包为以太网数据帧结构，传递给以太网，实现与其他分站的通信。集成数据通过访问以太网实现对井下参数的实时访问显示、状态预警分析和相关参数的远程配置。

3 系统硬件电路设计

3.1 分站主控芯片选择

CPU 选择及以太网传输模块选择：

监控系统的稳定运行与监控分站等核心部分的运行性能密不可分，监控分站主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、以太网接口和RS485 通信接口组成，本系统采用STM32F407 作为核心处理器，它内部含有灵活静态存储控制器FSMC，确保对视频数据的快速稳定处置，USART 通信端口则能实现对485 数据的处理，通过串行同步通信端口的SPI 功能，能够实现与以太网接口的通信，而以太网处理芯片W5500 则可以通过RJ45 接口实现数据交互。

本系统所使用的W5500 芯片内部集成TCP/IP 体系架构的ICMP 等网络协议能够完成数据打包、硬件传输，通过SPI 通信接口与CPU 相连，并控制相应寄存器，可以确保数据传输准确。当需上传数据时，主控CPU 控制芯片完成IP 配置和TCP 协议初始化之后，建立TCP 连接，并将待传输数据发送给W5500，完成数据封装置后，经由主站设备传递给以太网。当需要接收数据时，W5500 在接收到地面传输的控制指令后，完成数据的解包处理，并传递给主控CPU，实现系统参数调整或紧急状态处置。如图3 所示。

图3： CPU 内部组成及以太网传输模块W5500

3.2 启停信号采集及声光报警电路设计

为确保系统能够准确感知各个信号、传感器等关键数据输出的具体状态，需要使用启停信号采集电路，并如图4 所示。电平信号由接入端IN1、IN2 引入之后，经过光电耦合器和具有上拉电阻的反相触发器，由OUT1、OUT2 输出。通过该装置，可以将原有信号进行隔离，避免外界电磁信号的干扰，并直接接入监控分站处理器，实现感知。

图4： 启停信号采集及声光报警电路

同时为确保现场多种设备健康运行，在完成系统运行状态、信号参数采集之后，通过预先设定阈值的方式，完成报警，系统电路如图4 所示，当系统发生故障时，系统IO 引脚置低电平，光电耦合器处于导通状态，从而保证继电器处于闭合状态，实现小电流对大电流的控制，完成系统报警。

3.3 通信电路设计

为确保供电系统各项数据准确传输，需要使用一种抗干扰能力强、数据密度较大、通信稳定的数据传输方式，基于以上考虑本系统选用硬件电路为RS485 差分通信，通信协议为Modbus 的方式，来实现各个底层传感装置与监控分站之间电压、电流、功率、环境温度、刀闸状态等关键参数的传输。如图5 所示。

图5： RS485 电路模块设计

相较于其他共模传输方法，RS485 通过采用差分电平和平衡驱动器搭配的方式完成通信电平转换，抗共模信号干扰能力强，其传输速率最高可达12Mbps 传输速率，传输距离最远可达1200m，并支持中继器的传输方式，本方案即采用此方法。除此之外还具有联网多机通信功能，最多搭载128个终端。软件协议方面，采用标准ModBus 协议，通信数据帧格式如图5 所示，主要由初始帧结构（大于4 字节）、地址码（预先定义，1 字节）、功能码（预先定义，1 字节）、数据区（随机确定，N 字节）、校验码（16 位数据）、结束结构（大于4 字节）组成。

其中校验码主要通过CRC16 循环冗余算法计算，数据接收方通过核对接收到的校验位数据与自己接收到的其他数据计算得到的校验位相比较，从而确定接收数据的准确性。

4 软件系统设计

4.1 系统工作流程

作为监控系统的主要组成部分，监控分站的工作流程如图6 所示，当系统上电之后，首先完成软件系统初始化，完成初始参数配置，随后完成系统对应硬件电路的初始化，确保刀闸、开关等位置正确。当系统确认关键设备都正确后，开始创建通信任务，主要分为下行的RS485 通信及其协议转换任务，通过该任务可以完成对温度传感器、电压电流互感器等电网关键参数的读取，并将关键数据进行存储；随后根据以太网通信实现上行通信数据读取，例如远程监控系统进行定值参数配置、倒闸操作等等，同时通过以太网将当前系统数据传输至地面部分。

图6： 监控分站工作流程图

当检修人员需要对系统进行本地设施时，还可以通过按键进行操作，通过相应485 协议调试设备可以看到对应按键操作是否得到响应，以便进行操作调整，并缩短系统调试时间。

4.2 软件系统界面设计

为确保供电系统各项参数均清晰可见，并明确把握供电系统整体状态，设计了如图7 所示的矿井供电智能监测系统界面，该界面由组态软件编制，通过以太网与井下设备相连，在读取井下设备状态的同时，能够远程对设备状态进行切换。

图7： 监控系统界面示意图

该系统主要分为功能菜单、参数曲线和状态列表三个部分，其中功能菜单能实现对历史曲线、数据的保存、查询功能，同时可以实现对通信参数的设置。当登录系统后，可以实现对远方刀闸的紧急操作。

通过设置当前设备，可以调用参数曲线功能查看相应变电所的环境温度和历史负荷曲线，可以帮助运行人员对当前电网运行状态、系统负荷情况有明确的认识。通过状态列表，则可以直观看到不同变电所对应的电压、电流、负荷大小及刀闸状态等等，根据系统预先设置的运行方式，结合历史传感器参数，可以实现对上述参数的正常、告警、报警等多种状态的判断，以提示运维人员及时采取相关措施。

同时根据当前报警状态，系统可以作出判断，并明确相间短路、漏电短路等多种故障可能性，帮助作业人员快速实现故障判别，从而降低供电系统故障运行时间，确保设备健康运行。

4.3 系统故障诊断机理

矿井供电系统故障诊断方法通常有人工检测和智能监测两大类，人工检测以直观检测法、替换检测法、短接检测法和参照检测法为主，智能监测以供电系统自主化主站检测、故障同步检测和主站及终端协调检测为主。其中自动化主站和终端协调检测可以模拟供电系统故障场景并将相关数据注入主站，由主站通过远程命令实现对故障的检测，与此同时结合安装在系统各个位置的故障发生器、分析注入的模拟短路电流波形，完成对主站相关参数的检测。实现对矿井供电系统故障方式的分析。

5 结语

本文在研究煤矿井下供电系统结构和变电所等关键装置分布的基础上，设计了以STM32F4 为核心的监控分站为关键点、RS485 为主要通信方式的智能监控系统，通过远程采集系统运行电压电流等关键参数，实现各变电所运行状态直观反映，并实现声光报警。通过集成监控系统内的故障分析功能，可以协助人员完成故障判断，从而提高抢修速度，对拓展智能监控系统的应用具有一定的借鉴意义。