趙永紅

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006)

隨著煤礦自動化和智能化程度的不斷提高，由電能質(zhì)量問題引起的安全問題越來越多，煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測和評估得到廣泛關(guān)注[1，2]。目前對電能質(zhì)量檢測的研究大多是針對公共大電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行的，雖然也有一些院校和機(jī)構(gòu)對煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測進(jìn)行研究，但是這些檢測設(shè)備只用于地面，不能應(yīng)用到煤礦井下的特殊環(huán)境中，這就使得檢測范圍受限，檢測數(shù)據(jù)不全面。而對于煤礦企業(yè)來說，井下設(shè)備負(fù)荷等級高、用電功率大、負(fù)荷類型多、波動大、安全性要求高、負(fù)荷分散、供電距離遠(yuǎn)，如果不能對井下供電設(shè)備進(jìn)行檢測，則無法正確全面了解煤礦的電能質(zhì)量狀況，對于改善電能質(zhì)量有效措施的制定形成很大的制約，使得電力部門對電能質(zhì)量的監(jiān)測和管理失去意義。因此，本文設(shè)計了一套專門用于煤礦井下的電能質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，能夠用在井下爆炸危險環(huán)境中對包括井下移動變電站、刮板機(jī)、輸送機(jī)、掘進(jìn)裝備、采煤機(jī)等大型終端設(shè)備進(jìn)行檢測，實現(xiàn)對煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的全面檢測，以找出干擾源，明確電能質(zhì)量癥結(jié)之所在，為科學(xué)評估電能質(zhì)量并有針對性地開展治理、保證煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 檢測系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)檢測的參數(shù)主要包括：電壓偏差、電壓諧波、電流諧波、功率因素等[3-6]；檢測系統(tǒng)須滿足防爆要求，能夠應(yīng)用到井下，且使用時不影響原供電系統(tǒng)正常工作，不影響其防爆安全性能，接入方便；能夠滿足最高電壓10kV、最大電流2kA供電系統(tǒng)測量，實時采集數(shù)據(jù)并上傳至監(jiān)控管理平臺，平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、分析，并生成檢測報表。

1.1 檢測系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由礦用隔爆型互感器、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型[7-9]電能質(zhì)量在線檢測裝置、礦用通訊基站、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及移動終端設(shè)備[10]等組成。設(shè)計的電能質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 礦用電能質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)

1.2 檢測系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)中通過將隔爆型互感器接入供電線路中，實現(xiàn)對線路電壓、電流參數(shù)的測量，兩組互感器可同時測量兩路供電線路。設(shè)計的電能質(zhì)量在線檢測裝置主機(jī)與隔爆型互感器連接，實時采集電壓、電流參數(shù)，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式PQDIF，通過礦用通訊基站，礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上傳至供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)對煤礦井下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量在線檢測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 隔爆型互感器設(shè)計

為了方便接入井下供電回路中，互感器采用礦用隔爆型設(shè)計。設(shè)計的隔爆型互感器包括隔爆外殼以及安裝在隔爆外殼內(nèi)部的互感器、高壓母線、顯示屏、絕緣子等。

其中電壓互感器二次側(cè)設(shè)計有三個抽頭，在輸入電壓為3kV、6kV、10kV三個電壓等級時，二次側(cè)電壓恒定為100V，根據(jù)不同輸入選擇相應(yīng)接線端子；互感器設(shè)置兩組，可同時測量兩路供電線路。電流互感器設(shè)計了3組檢測電流，分別接入A、B、C三相母線中，變比分別為：2000/5、1000/5和200/5，為了保證測量精度，變比可根據(jù)不同負(fù)載大小進(jìn)行選擇。

2.2 電能質(zhì)量在線檢測裝置主機(jī)設(shè)計

電能質(zhì)量在線檢測裝置主機(jī)采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型防爆型式，能夠應(yīng)用到煤礦井下。包括防爆外殼以及安裝在防爆外殼內(nèi)部的具有PQDIF、IEC61850規(guī)約的電能質(zhì)量檢測主機(jī)、蓄電池模塊、信號隔離模塊、無線傳輸模塊、顯示屏、接線端子等。

檢測裝置主機(jī)硬件電路主要包括電壓、電流信號輸入單元，信號處理單元，信號傳輸單元，顯示單元及供電單元等[11，12]。為了保證較高的采樣速率，能夠快速處理分析采樣信號，該電路硬件設(shè)計為基于數(shù)字信號處理器 DSP 與微控制器 MCU 相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

電路中DSP芯片是電路的核心部分，為了保證裝置有較大的存儲能力，較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力以及達(dá)到與為控制器的最佳匹配效果，選用應(yīng)用比較廣的TI公司生產(chǎn)的32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812；數(shù)據(jù)采集主要包括幾個方面：電壓電流傳感器電路、濾波電路、取樣電路、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理線路、過零檢測電路、接口電路、隔離電路等。通過信號轉(zhuǎn)換芯片VSM025A和CS040G將分別將輸入的強(qiáng)電壓和大電流信號轉(zhuǎn)換為可處理的弱電信號，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)調(diào)理后傳輸至運(yùn)算芯片[13，14]；由于需要對基本參數(shù)進(jìn)行測算，包括電壓、電流、諧波、功率因素等，所以選擇用綜合性能較好的ADS8364運(yùn)算芯片。供電電源設(shè)計為兩種供電方式，其中外接供電為寬電壓供電，供電電壓范圍為AC100～220V，可直接從電壓互感器二次側(cè)輸出接入[15，16]，能夠進(jìn)行長期檢測；內(nèi)部帶有鋰電池，可以適用于短時測量。另外為了滿足煤礦井下防爆安全要求，在通訊接口處均設(shè)置了CAN中繼器、光隔離器，將本質(zhì)安全電路與非本質(zhì)安全電路進(jìn)行可靠隔離。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采取模塊化設(shè)計，主要由裝置主機(jī)終端軟件和地面管理中心軟件兩個模塊構(gòu)成。裝置主機(jī)終端的軟件設(shè)計采用C++語言對電路核心處理器DSP芯片進(jìn)行編程[17-20]，對于地面管理中心的軟件，為了實現(xiàn)豐富的人機(jī)交互功能，設(shè)計合理的圖形界面，采用Python語言進(jìn)行界面設(shè)計。另外軟件通過設(shè)置以太網(wǎng)通信協(xié)議建立地面管理系統(tǒng)與檢測裝置終端之間的聯(lián)系；通過設(shè)置無線通訊協(xié)議建立檢測裝置終端與移動通訊設(shè)備終端的聯(lián)系。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

3.2 參數(shù)測量軟件設(shè)計

為了準(zhǔn)確、快速的對采集的電參數(shù)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并按照計算模型進(jìn)行計算，最后經(jīng)分析得出檢測參數(shù)的最終結(jié)果，設(shè)計了參數(shù)測量流程如圖4所示。

圖4 參數(shù)測量流程

3.3 電能質(zhì)量評估方法及流程設(shè)計

3.3.1 電能質(zhì)量時間組合計算評估方法

由于電能質(zhì)量檢測往往需要較長時間(至少一周)連續(xù)采集，由此積累的監(jiān)測數(shù)據(jù)量是巨大的。僅以IEC61000-4-30推薦的標(biāo)準(zhǔn)200ms測量窗寬的諧波DFT分析為例，每天一路(三相電壓和電流)采集并處理后的數(shù)據(jù)(基波，2～40次諧波及THD值)就會占用32bit×6×41×5×60×60×24≈3.4GB/24h存儲容量。因此本系統(tǒng)電能質(zhì)量評估采用的是時間組合的計算方法，通過合理的時間組合，既能夠提取必要的特征量，同時還可以精簡數(shù)據(jù)，節(jié)約存儲空間，以實現(xiàn)電能質(zhì)量的長期有效監(jiān)測。

3.3.2 電能質(zhì)量評估流程

電能質(zhì)量評估時首先應(yīng)明確指標(biāo)物理意義，以及其對設(shè)備或系統(tǒng)的影響嚴(yán)重性，然后將指標(biāo)的統(tǒng)計在時間上以及不同監(jiān)測點或系統(tǒng)在空間上的進(jìn)行特征對比，剔除無關(guān)信息的干擾，但不能損失必要的信息。且指標(biāo)和評估方式應(yīng)簡單、具有可行性，有利于普遍的工程利用。最后將評估數(shù)據(jù)與選定的閾值進(jìn)行比較，得出評估結(jié)論。據(jù)此設(shè)計的電能質(zhì)量評估流程如圖5所示。

圖5 電能質(zhì)量評估流程

系統(tǒng)將測量裝置采集的監(jiān)測點的電氣參數(shù)，并提取關(guān)注的電能質(zhì)量問題的特征量后，進(jìn)入評估過程的特征量相數(shù)組合和時間組合，計算出監(jiān)測點指標(biāo)值或評價等級，與相應(yīng)要求比較，給出監(jiān)測點評估判斷?；跈z測點指標(biāo)計算結(jié)果，采取合理的加權(quán)原則或經(jīng)狀態(tài)估計求取系統(tǒng)內(nèi)非檢測點的質(zhì)量指標(biāo)，再計算系統(tǒng)指標(biāo)或等級，與相應(yīng)限值或協(xié)議要求比較判定，給出系統(tǒng)評估結(jié)果。

4 檢測系統(tǒng)測試分析

為了驗證系統(tǒng)的通訊功能、數(shù)據(jù)分析功能，應(yīng)用該系統(tǒng)對一臺進(jìn)線電壓為6kV礦用移動變電站進(jìn)行檢測，變壓器帶負(fù)載正常運(yùn)行，選取其中30min的測量數(shù)據(jù)，形成的諧波實時測量曲線如圖6所示。

圖中顯示的是L12線電壓的諧波電壓總畸變率、3次諧波電壓、5次諧波電壓和7次諧波電壓隨時間的變化情況。

同時系統(tǒng)還可以根據(jù)需要生成測試結(jié)果報表，2～25次諧波電壓含有率測試結(jié)果見表1。

表1 2～25次諧波電壓含有率

從表1中可以看出每相各次諧波電壓含有率、電壓總畸變率的具體數(shù)值，且將預(yù)先植入的標(biāo)準(zhǔn)要求參數(shù)限值一并顯示，檢測結(jié)果合格與否一目了然。

此外系統(tǒng)還可以記錄分析諧波電流、電壓偏差、頻率偏差、有功功率、無功功率等參數(shù)。應(yīng)用表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦井下供電設(shè)備的電能質(zhì)量檢測，能夠?qū)?shù)據(jù)上傳監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用、顯示并生成報告等，各項功能均達(dá)到預(yù)期效果。而且檢測時只需將移動變電站進(jìn)線連接處斷開即可直接接入，省時省力，不影響變壓器正常工作，可長期進(jìn)行在線檢測。

5 結(jié) 論

1)系統(tǒng)中互感器采用隔爆型設(shè)計，能夠保證在不影響井下原有系統(tǒng)供電的情況下，連續(xù)采集電壓、電流信號。

2)系統(tǒng)中檢測裝置主機(jī)采用隔爆兼本質(zhì)安全型設(shè)計，能夠?qū)崟r采集電壓、電流參數(shù)，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式PQDIF，通過礦用通訊基站，礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上傳至供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理平臺，也可傳輸至移通訊設(shè)備終端，實現(xiàn)對煤礦井下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量在線檢測。

3)該系統(tǒng)可便捷地在井下各供電設(shè)施設(shè)置檢測點，實現(xiàn)煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測全覆蓋，消除煤礦電網(wǎng)中井下特殊環(huán)境電能質(zhì)量檢測盲區(qū)，全面反映煤礦井下電網(wǎng)運(yùn)行水平，給管理者投資決策提供依據(jù)。

4)采用時間組合的計算方法，合理的時間組合，既能夠提取必要的特征量，同時還可以精簡數(shù)據(jù)，節(jié)約存儲空間，以實現(xiàn)電能質(zhì)量的長期有效監(jiān)測?；跈z測點指標(biāo)計算結(jié)果，可計算出系統(tǒng)指標(biāo)或等級，與相應(yīng)限值或協(xié)議要求進(jìn)行比較，可給出系統(tǒng)評估結(jié)果。