胜利露天矿地线连接状态实时监测及故障定位系统设计与测试

摘 要：该文主要探究露天矿地线连接状态实时监测及故障定位系统的设计要点，并对其故障检测与定位功能的实现情况进行测试。该系统由用于收集数据的检测监控装置和用于分析数据的主监控装置组成。系统采用PIC18F6620单片机作为主控芯片，当识别到地线连接状态异常或者是开关柜闭锁故障等特殊情况时，会进行声光报警并在液晶显示屏上提供故障相关信息，实现故障定位进而指导工作人员展开故障维修。从实验效果来看，该系统对常见的电阻超限、断路和短路等故障误报率控制在5%以内，并且故障定位精度可以达到99%，为露天矿高压供电系统的可靠与安全运行提供帮助。

关键词：地线连接;实时监测;故障定位;声光报警;单片机

中图分类号：TD613 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）30-0104-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of the system for real-time monitoring and fault location of ground wire connection status in open-pit mines， and tests the realization of its fault detection and location functions. The system consists of a detection and monitoring device for collecting data and a main monitoring device for analyzing data. The system uses PIC18F6620 MCU as the main control chip. When special circumstances such as abnormal ground connection status or switch cabinet locking failure are identified， it will provide sound and light alarm and provide fault-related information on the LCD screen to realize fault location. Then guide staff to carry out fault maintenance. Judging from the experimental results， the system controls the false alarm rate of common faults such as excessive resistance， open circuit and short circuit within 5%， and the fault location accuracy can reach 99%， providing the reliable and safe operation of the open-pit mine high-voltage power supply system.

Keywords： ground wire connection; real-time monitoring; fault location; sound and light alarm; MCU

胜利露天矿在开采过程中通过移动变电站向采煤机、输送机等提供高压电，部分大型设备的外壳无法就近与地面连接，必须要利用电缆中的地线将设备外壳与移动变电站的地线连接，实现大型设备的间接接地。由于现场作业环境复杂，加上设备需要频繁移动，经常会出现地线连接不良的情况，这种情况下观察电缆外表难以发现故障，不利于故障的及时维修。基于此，设计一种可以对露天矿地线连接状态实时监测，并且能够在故障发生后进行故障定位的系统就显得十分必要。

1 露天矿地线连接状态实时监测及故障定位系统的整体架构

本文设计的露天矿地线连接状态实时监测及故障定位系统包含客户端、主监控装置、检测控制装置3部分。将移动开关柜作为检测点并获取线路电压、箱体编号、柜门闭锁状态等信息，以设定好的频率（默认为10 ms/次）将数据发送至主监控装置。在主监控装置完成数据分析后判断地线连接状态、柜门闭锁状态，如果识别到异常信息则启动故障定位功能，追溯故障所在位置并通过声光报警提醒工作人员。工作人员从液晶显示屏上查看详细信息，了解故障信息后进行精准处理[1]。该系统不仅做到了对线路连接状态、柜门闭锁状态的实时监测，而且还具有声光报警、液晶显示、故障定位和即时通信等功能，系统整体架构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机的选型

单片机是本系统的核心器件，选用了PIC系列的PIC18F6620单片机作为主控芯片，具有运行速度快、抗干扰能力强、易于程序编写和支持直连外接设备等优点。内置128 K的程序存储空间和2 KB的ROM，自带40个I/O端口和4个16 bit的定时器，支持RS485和RS232 两种通信模式。

2.2 主监控装置设计

系统主监控装置除了PIC18F6620芯片外，还包含了恒流电源、声光报警器、电力载波通信模块等，硬件组成结构如图2所示。

在主监控装置中，单片机的工作电压是3.3～5.5 V，电力载波通信模块的工作电压是12 V，需要分别提供5 V和12 V的直流电压。因此在设计电源电路时，选择220 V交流电作为外部供电电源，经过变压器后将其降低为12 V的交流电。利用滤波器对交流电进行整流滤波处理后输出12 V直流电压直接为电力载波通信模块供电;再通过MC33063开关电源芯片将12 V直流电压降低为5 V直流电压，为单片机供电。利用单片机自带的A/D转换功能完成电压检测，检测范围0～50 V，安装了30 kΩ和50 kΩ 2个金属膜精密电阻作为分压电阻，保证采样电压能够降低到单片机可接受范围，提高采样结果的精确性。

声光报警器设计有绿、黄、红3种颜色的发光二极管，各自并联一个9 014放大器。在运行逻辑上设计为“非”逻辑，即3个二极管有且只有1个处于发光状态，绿灯亮起表示“正常”，黄灯亮起表示“警示”，红灯亮起表示“报警”。如果检测到高压供电线路处于“警示”或“报警”状态时，单片机输出高电平，此时蜂鸣器工作，实现声光报警[2]。电力载波通信模块选用KQ-130F模块，具有体积小巧、抗干扰能力强、支持远距离通信等特点，可以与PIC18F6620芯片直连。

2.3 检测控制装置设计

检测控制装置也包含了PIC18F6620芯片、电源电路、声光报警器等硬件设备，除此之外还增加了门闭锁检测控制电路、开关柜箱体编号检测电路，结构组成如图3所示。

门闭锁检测控制电路是利用PIC18F6620芯片检测引脚的电平状态进而识别出柜门闭锁状态。在该电路中加入了一个48 Ω的上拉电阻，当引脚输出低电平时表示柜门为闭锁状态，当引脚输出高电平时表示柜门为打开状态。同时，在开关柜内侧上方通过螺丝固定的方式安装一块电磁铁，并设计了两级放大电路驱动电磁铁工作。当引脚输出高电平、检测到柜门呈打开状态时，单片机发送控制指令使电磁铁上电工作吸合柜门，让柜门闭锁[3]。

开关柜箱体编码检测电路的核心元件是9位拨码开关，可表示1～999的任意箱体编号。从拨码开关的2个接线柱引出线缆，一条线缆直接接地，另一条线缆接入PIC18F6620芯片的12#引脚。考虑到单片机12#引脚没有提供内部上拉电阻，为了确保单片机可以准确识别箱体编号，在该检测电路中并联1个48 kΩ的电阻作为上拉电阻。

3 系统软件设计

综合考虑运行条件、安装环境等因素，该系统采用了嵌入式软件。采用C语言作为编程语言，使用HI-TECH PICC10.2编译器，基于MPLAB IDE v.11.6工具进行软件开发。为了配合系统硬件功能的实现，分别进行了主监控装置的软件设计和检测控制装QKt956fwuzmBv26A+dE1PYmH0fvEn1GxhBKqeHmvScg=置的软件设计。系统启动运行后，主监控装置获取检测控制装置采集的各项数据并作出分析，经分析确认无故障后投入生产。在露天矿开采过程中主监控装置实时监控恒流源的输出电压，一旦电压波动变化超出阈值范围立即报警并进行故障定位。

3.1 主监控装置软件设计

系统运行后，主监控装置软件首先进行I/O端口初始化、显示屏初始化、串口初始化，然后执行一个判断程序“是否接收到检测数据”。如果未接收到来自检测控制装置提供的数据，则进一步判断“是否处于故障状态”。如果不存在故障，则系统进入低功耗待机状态，周期性地（默认为1 s）执行上述循环程序，直到检测到有新的数据传入。此时主监控装置软件开始对接收的检测数据展开分析。根据分析结果执行判断程序“线路连接是否正常”，如果判断为“否”，在液晶显示屏上呈现故障的详细信息（如故障类型、故障位置等）并进行声光报警;如果判断为“是”，正常显示系统的功能界面。在投入生产后，主监控装置软件实时获取恒流源的输出电压，如果实际电压稳定在安全阈值范围（工作电压±3 V）以内，则线路地线连接正常;反之，如果实际电压最大波动在3～30 V则判断为电阻故障，如果实际电压最大波动超过30 V则判断为短路故障[4]。此时发送一个锁死柜门的命令，让开关柜锁死，然后等待接收下一次数据。主监控装置软件工作流程如图4所示。

3.2 检测控制装置软件设计

系统检测控制装置运行后也需要进行一系列的初始化，考虑到前端分布有若干个检测控制装置，为了防止出现数据碰撞的情况，本文在软件设计中添加了“自适应排序程序”。检测控制装置提供自己的编号，系统判断该装置是否为最后一个，如果是则排序结束，如果不是则继续排序。同时定义多个存储数组，如检测到的线路电压存入数组Save[0]，检测到的箱体编号存入数组Save[1]，检测到的开关柜闭锁状态存入数组Save[2]等，将这些数组传送至主监控装置[5]。然后循环执行若干个判断语句，如“是否收到柜门锁死命令”“是否收到主监控监测命令”“是否收到重启命令”等。如果判断结果为“否”，则按照顺序依次执行下一条程序;如果判断结果为“是”，则执行该条命令，同时系统初始化。在检测到柜门存在闭锁故障后，进行声光报警。检测控制装置软件工作流程如图5所示。

4 露天矿地线连接状态实时监测及故障定位系统的测试

露天矿高压供电系统在日常运行中比较常见的故障有电阻警示故障、电阻超限故障、短路故障、断路故障和闭锁故障5种类型，本文使用露天矿地线连接状态实时监测及故障定位系统对这些故障进行了测试。在实验中人为设置故障，为了消除误差采取了重复性测试，对每一类故障重复模拟100次，记录准确判断故障的次数，并计算误报率，结果见表1。

由表1数据可知，该系统对5类常见故障均保持较高的检出率，误报率基本上控制在5%以内。同时，选取了“电阻超限”故障，判断该系统对故障定位的准确性。在线路中放置了10个检测控制装置，并在相邻的装置之间模拟电阻超限故障。在同一个故障点模拟10次，测试故障定位的准确率。结果表明，系统对电阻超限故障的定位准确率达到了99%，故障定位精度达到了设计要求。

5 结束语

胜利露天矿开采过程中频繁出现地线接触不良的情况，不仅影响了生产效率和经济效益，而且一旦出现高压漏电还会对现场工作人员的生命安全构成威胁。因此，无论是基于生产效益还是人员安全方面的考虑，必须要做到地线连接状态的实时监测。本文设计的地线连接状态实时监测及故障定位系统在实时监测地线连接状态的基础上，还能准确判断故障发生位置，进而为工作人员锁定故障区域、展开故障抢修提供了参考，提高了排查效率，保证了露天矿生产作业的高效率和安全化开展。

参考文献：

[1] 武丽梅，金丽华，王晓波.结合星载与地基InSAR技术的露天矿地表形变监测[J].北京测绘，2023（3）：448-453.

[2] 史斌杰，唐堂，陈亚杰.露天矿用重型卡车发电机组远程监测系统设计[J].船电技术，2023（2）：52-54.

[3] 陈子江.基于GNSS的露天矿边坡监测系统实现与应用[J].北京测绘，2023（4）：568-573.

[4] 陈剑平.安家岭露天煤矿高压供电地线连续性监测技术研究[J].露天采矿技术，2022（11）：42-44.

[5] 周政，苏振浩，古雨铃.基于UWB技术的智能接地线综合管理系统应用[J].农村电工，2023（8）：42-42.

作者简介：邢拴龙（1984-），男，工程师。研究方向为供配电系统。