張 衛(wèi)

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046204）

引言

電力系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的動(dòng)力，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于保證煤礦生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。配電變壓器作為配電網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵電力設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，繼而影響煤礦生產(chǎn)的安全性和效率。隨著煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提升，實(shí)現(xiàn)對配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握配電變壓器的負(fù)荷及溫度情況對于保證配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有重要意義[1]。

本文針對配電變壓器的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)變壓器的檢修并為配電的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測裝置的總體設(shè)計(jì)

目前，煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)相匹配的配電網(wǎng)絡(luò)主要可以分為現(xiàn)場設(shè)備層、區(qū)域集結(jié)層、配電自動(dòng)化子控制中心層以及配電自動(dòng)化總控制中心層四個(gè)層級。鑒于煤礦配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，一般通過混合通信手段實(shí)現(xiàn)各類參數(shù)信息的傳輸。結(jié)合煤礦生產(chǎn)的用電需要，配電變壓器監(jiān)測終端包括有信號(hào)及數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、人機(jī)接口電路以及控制輸出電路。綜合煤礦生產(chǎn)對配電網(wǎng)絡(luò)的需要，從功能和性能兩層面分別對配電監(jiān)測終端的需求進(jìn)行分析。

首先，在功能需求方面配電變壓器監(jiān)測裝置具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)報(bào)表及存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)遙信等功能。其次，在性能需求方面其數(shù)據(jù)采集周期、終端工作電源、測量精度、消耗功率、傳輸及通信指標(biāo)均在常規(guī)配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上需要求更加嚴(yán)苛以保證其能夠適應(yīng)煤礦相對惡劣的工作環(huán)境[2]。

總體來講，配電變壓器監(jiān)測裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，配電變壓器監(jiān)測裝置主要由中央處理器、電力參數(shù)及溫度采集模塊、電源模塊、GSM 模塊以及電源模塊組成。其中，電力參數(shù)及溫度采集模塊為該監(jiān)測裝置功能發(fā)揮的關(guān)鍵，其主要對配電變壓器的三相電壓值、電流值、功率因數(shù)以及溫度等參數(shù)進(jìn)行采集。中央處理器根據(jù)所采集的參數(shù)信息得出相應(yīng)的控制指令。電源模塊為監(jiān)測裝置供電，GSM模塊實(shí)現(xiàn)采集信息及控制指令的傳輸。

圖1 配電變壓器監(jiān)測系硬件框圖

對應(yīng)的配電變壓器監(jiān)控裝置的監(jiān)測軟件主要有錄入信息和監(jiān)測狀態(tài)兩部分，監(jiān)測裝置軟件流程的總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 配電變壓器監(jiān)測裝置總體軟件流程

2 配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測裝置硬件選型

配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測裝置的硬件電路主要包括主電路、環(huán)境溫度測量電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、過零比較電路等。根據(jù)煤礦配電網(wǎng)絡(luò)配電變壓器的工作要求，為其遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置配置型號(hào)為PIC18F458 的單片機(jī)作為核心控制器[3]。遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的工作原理如下：系統(tǒng)所采集的電壓、電流等信號(hào)通過穩(wěn)壓處理后再經(jīng)過過零比較電路將比較后的結(jié)果傳入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)對結(jié)果進(jìn)行分析處理后基于GSM模塊上傳值上位機(jī)。

2.1 電源模塊

為保證監(jiān)測裝置可長時(shí)間在現(xiàn)場工作，且為監(jiān)測裝置中的GSM模塊進(jìn)行供電。本變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置采用大容量的鋰電池為其供電；同時(shí)，為保證在供電過程中電壓的穩(wěn)定性，本裝置選用DCHC 升壓模塊為其電源模塊，該模塊的穩(wěn)定電壓為4.5 V[4]。

2.2 溫度采集模塊

配電變壓器工作環(huán)境的溫度同樣是影響其運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。因此，在遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置中配置有DS18B20 的數(shù)字式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對配電變壓器周圍溫度的監(jiān)測。

2.3 通信模塊

GSM模塊為配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的核心通信模塊，該通信模塊功能的實(shí)現(xiàn)還需為其配置具備串行通信功能的串口接口芯片，芯片的具體型號(hào)為MAX3232。本系統(tǒng)所配置GSM模塊的具體型號(hào)為TC35i。

此外，鑒于煤礦相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，為保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期需要加入相應(yīng)的抗干擾措施。首先，電源模塊可能會(huì)對監(jiān)控裝置造成干擾，因此監(jiān)控裝置電源模塊中需要引入交流穩(wěn)壓器、隔離變壓器以及低通濾波器的設(shè)計(jì)；其次，針對傳輸通路上的干擾項(xiàng)加入光電耦合器和相關(guān)的軟措施進(jìn)行解決。

3 配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測裝置管理軟件設(shè)計(jì)

煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)相對龐大，對于配電變壓站而言可分為主站和分站，主站與各個(gè)分站之間的通信均通過GSM模塊完成，本節(jié)重點(diǎn)對主站的監(jiān)控軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。煤礦配電變壓站監(jiān)測裝置主站系統(tǒng)軟件組成如圖3 所示，主站下方對應(yīng)的各個(gè)監(jiān)控終端具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置以及串口狀態(tài)調(diào)整的功能。為保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性用戶需登錄“用戶名”和“密碼”后才可登錄平臺(tái)對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。當(dāng)在所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)存在異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并對故障信息進(jìn)行定位[5]。

圖3 配電變壓站監(jiān)控裝置主站組成圖

本系統(tǒng)針對配電變壓器溫度監(jiān)測的報(bào)警功能，在變壓器監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)獲取配電變壓器的三相電壓、三相電流、功率因數(shù)以及溫度等參數(shù)。當(dāng)A 區(qū)的溫度超出限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警并定位故障位于A 區(qū)方便維修人員及時(shí)到位并排除故障。

通過試驗(yàn)可知，本文所設(shè)計(jì)的配電變壓器監(jiān)測裝置所監(jiān)測的變壓器的電流值與電壓值的誤差在3%左右；而且當(dāng)變壓器的運(yùn)行電壓、電流等參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警。通過幾個(gè)月的試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確、無干擾地上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對配電變壓器的精準(zhǔn)監(jiān)測。

4 結(jié)語

煤礦供配電網(wǎng)絡(luò)屬于較為龐大的系統(tǒng)，配電變壓器作為配電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，繼而影響煤礦生產(chǎn)的安全性和開采效率。為此，本文設(shè)計(jì)了配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測裝置。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明，該監(jiān)測裝置能夠?qū)崟r(shí)反映變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并對故障及異常信息進(jìn)行及時(shí)保證，極大提升了配電變壓器運(yùn)行的可靠性。