＊李 鵬

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 044330）

前言

近年來(lái)，隨著采煤科技的發(fā)展，礦井采煤作業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平越來(lái)越高，所用采煤設(shè)備越來(lái)越多，這些設(shè)備一方面消耗的電能不斷增多，另一方面對(duì)礦井供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定供電能力提出了更高要求，特別是對(duì)于礦井這種易存在大量瓦斯，粉塵等易燃易爆氣體的運(yùn)行環(huán)境，更應(yīng)重視礦井的安全連續(xù)穩(wěn)定供電問(wèn)題，一旦礦井供電系統(tǒng)突發(fā)短路故障出現(xiàn)明火，極易引發(fā)瓦斯煤塵爆炸事故，這就對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定供電監(jiān)測(cè)提出了更高要求，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有十分重要的意義，對(duì)此，礦井各級(jí)部門也十分重視煤礦安全供電問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，如李倩倩等[1]設(shè)計(jì)了以PLC為基礎(chǔ)的的礦井供電測(cè)控與管理系統(tǒng)，李永東[3]提出了煤礦機(jī)械設(shè)備供電網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的具體設(shè)計(jì)方案，程景奕[5]研究了提高礦井供電系統(tǒng)供電安全可靠性的措施與對(duì)策，王璐磊等[4]研究了供電網(wǎng)絡(luò)中電壓轉(zhuǎn)換器及電壓噪聲的優(yōu)化方案等，但在以往的這些研究中很少有學(xué)者專門研究設(shè)計(jì)煤礦供電監(jiān)測(cè)報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)，礦井供電系統(tǒng)目前普遍存在供電監(jiān)測(cè)報(bào)警保護(hù)不足的問(wèn)題，對(duì)此，筆者此文重點(diǎn)針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了礦井供電監(jiān)測(cè)報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到了有效保障煤礦供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)功能分析

通常將監(jiān)控系統(tǒng)劃分為如下3個(gè)主要的控制單元：①井上監(jiān)控主站單元；②井下測(cè)控分站；③電力保護(hù)器等。具體介紹如下：

①監(jiān)控主站功能，能夠讓工作人員進(jìn)行在線瀏覽，同時(shí)保證在覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信以及對(duì)井下供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

②對(duì)于井下測(cè)控分站軟件而言，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)功能，其可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理、繪制體表，這樣能夠有效地反應(yīng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況。對(duì)故障進(jìn)行分析，同時(shí)可以為事故調(diào)查提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析?？梢赃M(jìn)行賬戶管理功能，依據(jù)不同職權(quán)給職工分配相應(yīng)的管理賬戶權(quán)限。而相應(yīng)的井下測(cè)控分站功能：能夠?qū)崿F(xiàn)凈重監(jiān)控功能，能夠有效地監(jiān)控區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。進(jìn)行對(duì)外信息的擴(kuò)充，并且能夠自由的進(jìn)入第三方設(shè)備中。

③對(duì)于電力保護(hù)器而言，能夠?qū)χ鞣终緮?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行修改。在該控制單元植入數(shù)字化的顯示器，這樣可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。該信號(hào)采集單元可以對(duì)電壓電流采集單元與傳感器之間進(jìn)行信息傳輸。

(2)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1表示相應(yīng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，其主要包括三部分：

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)圖

①地面監(jiān)控主站；

②井下測(cè)控分站；

③電力保護(hù)器。

通常電力保護(hù)器屬于終端設(shè)備，這樣可以更好地采集供電網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的相關(guān)參數(shù)、溫度、瓦斯量等，在通過(guò)微處理器對(duì)數(shù)據(jù)算法的計(jì)算，進(jìn)而可以得到相應(yīng)的處理結(jié)果，從而對(duì)各個(gè)保護(hù)裝置的動(dòng)作進(jìn)行控制。測(cè)控分站主要承接主站與電控保護(hù)裝置的信息交互，完成以太網(wǎng)與地面信息的傳輸。地面監(jiān)控主站能夠給工作人員提供遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的操作平臺(tái)，通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的局域網(wǎng)絡(luò)，最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦一體化監(jiān)控功能。

2.電力保護(hù)器原理及算法

(1)保護(hù)器原理分析

通常井下電力保護(hù)器有兩種保護(hù)方式：

①電流保護(hù)；

②電壓保護(hù)。

對(duì)于井下電流保護(hù)措施而言，其主要包括如下幾個(gè)部分：

①速斷保護(hù)；

②限時(shí)電流保護(hù)；

③定時(shí)電流保護(hù)等。

通常速斷保護(hù)是指當(dāng)速斷保護(hù)裝置檢測(cè)到電流Id超過(guò)了設(shè)定的電流Idz時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)開啟采取速度保護(hù)。可以使用公式（1）計(jì)算限定電流Idz：

式中，A表示相應(yīng)的可靠系數(shù)，取值范圍在1.1到1.5之間；Idlmax表示相應(yīng)的供電回路短路時(shí)的最大電流，單位：A。

假如電力電纜設(shè)備所處的電壓超過(guò)了設(shè)定值，那么將會(huì)降低設(shè)備絕緣性能，從而損壞設(shè)備。假如工作電壓低于設(shè)定值，那么將會(huì)引起無(wú)功損耗，從而大大降低設(shè)備的使用時(shí)間。電力系統(tǒng)保護(hù)包括兩種：欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)，通常借助互感器得到相應(yīng)的電路電壓值。假如線路電壓超過(guò)了120%額定電壓時(shí)，系統(tǒng)將開啟過(guò)壓保護(hù)。而假如線路電壓小于65%額定電壓時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)欠壓保護(hù)。由于在操作設(shè)備時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)電壓，該現(xiàn)象對(duì)設(shè)備并不會(huì)產(chǎn)生危害，因此為了優(yōu)化保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，通過(guò)可以將互感器電路設(shè)置成為非線性電阻。

(2)信號(hào)采樣算法

保護(hù)裝置在采集電路的電壓與電流參數(shù)時(shí)，主要借助互感器，這樣可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)。一般在轉(zhuǎn)化電流與電壓的過(guò)程中，需要按照一定的頻率才可以采集交流信號(hào)。通常交流信號(hào)存在諧波分量與暫態(tài)分量等，因此所選用的采用方式不同，最終得到的數(shù)據(jù)精度也存在一定的差。筆者運(yùn)用非正弦的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，借助被側(cè)電路信號(hào)的離散化，從而可以得到電壓與電流的瞬時(shí)值，并將其傳輸給保護(hù)裝置[1]。

下面兩個(gè)公式為計(jì)算交流電壓與電流的有效值的公式：

式中：T為交流信號(hào)的周期；U為t時(shí)刻的瞬時(shí)電壓值；d為t時(shí)刻的瞬時(shí)電流值。

借助兩表法來(lái)計(jì)算設(shè)備的功率，由上式子計(jì)算得到電壓與電流值，進(jìn)而可以得到交流設(shè)備的功率參數(shù)P：

式中，U表示相應(yīng)的三相負(fù)載電壓；I表示相應(yīng)的三相負(fù)載電流；cosφ表示相應(yīng)的功率因數(shù)。

3.電力保護(hù)器設(shè)計(jì)

(1)保護(hù)器總體設(shè)計(jì)

通常電力保護(hù)器必須實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)的功能：

①采集；

②處理數(shù)據(jù)；

③傳輸數(shù)據(jù)；

④儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；

⑤控制數(shù)據(jù)等。

在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)選用嵌入式ARM作為處理器，圖2表示相應(yīng)的電力保護(hù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 電力保護(hù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于信號(hào)采集單元而言，主要包括如下幾個(gè)方面的信息量比如：溫度、瓦斯、電參數(shù)、開關(guān)量等。選用光電隔離的形式，進(jìn)而可以最大限度的抵抗信號(hào)的干擾。通常ARM處理器包含如下幾個(gè)方面的接口：

①存儲(chǔ)擴(kuò)展單元；

②通信單元；

③報(bào)警電路；

④數(shù)字化顯示接口等。

主控芯片選擇STM32F103RC，其具有大量的外設(shè)接口以及相應(yīng)的通信方式，從而可以大大提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。依據(jù)系統(tǒng)控制精度需要，數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置選用AD7607，其包含8路模擬量通道。保護(hù)器通信選用RS485串口通信，其內(nèi)部設(shè)置有差分接收形式，從而可以優(yōu)化通信干擾能力[2]。

(2)光電隔離電路設(shè)計(jì)

通常井下存在電磁以及噪聲干擾，因此需要在電路設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置光電隔離電路，這樣可以有效地隔絕采集的模擬信號(hào)與數(shù)字電路的干擾。與此同時(shí)可以避免不必要的外部噪聲與電磁信號(hào)的干擾。圖3表示相應(yīng)的光電隔離接口電路的設(shè)計(jì)。

圖3 光電隔離接口電路的設(shè)計(jì)

4.分站通信的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)工作時(shí)，可以選用ENC28J60控制芯片，以及ARM處理器讓它們合理連接，最終接入以太網(wǎng)，具體如下圖4所示?？梢哉f(shuō)分站在監(jiān)控系統(tǒng)中，承擔(dān)著十分重要的承上啟下的作用，是系統(tǒng)的重要組成部分，它需要確保煤礦井上與煤礦井下之間可安全順利的實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)。煤礦井下布設(shè)的底護(hù)器可借助RS485串口進(jìn)行組網(wǎng)作業(yè)，可通過(guò)分站把相關(guān)信號(hào)逐步轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號(hào)，應(yīng)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，該種通信方式具有不易被干擾，通信效率相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用效果較好。

圖4 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電路

5.結(jié)語(yǔ)

該煤礦井下供電控制系統(tǒng)以嵌入式處理器為控制單元，對(duì)電力保護(hù)器相關(guān)的信息進(jìn)行處理，從而得到與之對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)控制參與以及故障信息，最終可以精確地驅(qū)動(dòng)保護(hù)裝置，從而可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的功能。該系統(tǒng)借助通信組網(wǎng)的方式可以優(yōu)化信號(hào)傳輸效率，從而能夠避免不必要的信息干擾，最終可以為供電網(wǎng)絡(luò)維護(hù)提供參考。