浅谈煤矿井下变电所高压供电监控系统设计与应用

摘要:结合煤矿井下供电系统的特点，以6kV供电回路作为监控对象，设计了煤矿井下变电所高压供电监测系统，可实现对高压配电开关的电压、电流、温度的实时监控。

关键词:供电系统；数据采集；监控系统

0引言

电力是煤矿井下重要的动力来源，由于井下工作环境恶劣，端线、挤压短路、过负荷、漏电等故障时有发生，在这些故障发生之前，在高压配电开关处往往会伴随着一系列的征兆，包括电压电流的急剧变化、温度的上升等。

本文设计的高压供电监控系统可以将这些特征量实时上传至井上监控中心，减少故障发生的概率，当故障发生时可快速定位，提高排除故障的工作效率，进而减少因电力系统的故障造成的财产损失。通过地面计算机的控制，可以实现对开关的分、合闸操作，提高供电系统管理的水平。供电监控系统和供电系统相对独立，当监控系统出现故障时，不会对高压供电系统产生影响，但可以实现对高压供电系统的实时监测和控制。

1高压供电监控系统结构设计

1.1结构设计

煤矿井下供电监控系统的结构图如图1所示，整个系统结构为DCS型(集散型)分布式计算机监控，分为地面监控站和井下监控站，两者之间采用RS-485通信方式，各个井下变电站负责对本变电站监控信息的采集，采集的数据存放在井下变电站的控制器缓存区中，当地面变电站向井下变电站发出访问指令时，各个井下变

图1煤矿井下供电监控系统结构

电站发送自己缓冲区的所有数据，地面变电站可以将井下监测数据实时显示在软件监控界面，并可以根据情况向井下变电站发出分、合闸操作指令。

1.2通信方式选择

煤矿井下的常用的通信方式有:RS-485、CAN总线、RS-232、光纤通信、Zigbee组网等方式，为了简化供电监控系统的结构在地面计算机和井下变电站之间的通信方式，选择为带光电隔离的RS-485，其接线方式为2线制，可传输距离为1500m，可以满足井上PC到井下变电站的距离要求，通过光电隔离技术增强信号的抗干扰性。数据采集器到变电站的距离较近，可以采用RS-232通信方式，其接线方式为3线制，可传输距离为15m。

2系统硬件设计

2.1主控芯片选型

系统选用MSP430F5438单片机，它是TI公司推出的一款具有256KiB存储容量的嵌入式微控制器。它的特点是具有极低的功耗，只需2.2~3.6V的直流供电。在低功耗基础上集成更加丰富的外设，即有3个16位定时器、1个高速12位模/数转换器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看门狗定时器、Pl￣P10端口等，该芯片可以应用于模拟和数字传感器系统,系统主要利用MSP430F5438，可以实现采煤机电气控制器的主要功能，并可降低系统功耗。

2.2完全隔离型RS-485电路设计

在井下变电站和井上监控平台之间的通信方式选择为RS-485，芯片选行为ADM2587E，该芯片是ADI推出的单电源供电的隔离型芯片，SOW￣20封装，传输速率为500Kibit/s，隔离电压2.5kV，被广泛应用在工控、电力等需要隔离RS-485的场合。

完全隔离型RS-485电路原理图如图2所示，为了降低线路中的共模电压、雷击、浪涌电压等对通信的干扰，在总线处采

图2完全隔离型RS-485电路

取的保护措施如下:在VA、VB管脚上串接RT电阻。该电阻的阻值范围是4~10Ω，VA、VB管脚对地接TVS管，也可以采取电阻和稳压二极管串联的方式进行连接。

2.3RS-232通信电路设计

在井下变电站和数据采集器之间的通信方式选择为RS-232，该种方式可以选择的传输速率范围是从50bit/s到38400bit/s，可以实现双工异步通信，在接线中保留TXD、RXD、GND3条线。

在井下变电所的高压供电监控系统中，利用MAX3232ESE实现TTL和RS-232之间的电平转换，设计电路如图3所示，其中RX1、TX1接单片机的串口，RX232￣1、TX232￣1分别数据采集器的RS-232专用串口，进行数据传输。同时，为了增加系统的扩展性，预留一路串口，方便以后硬件结构的升级。

图3RS-232通信电路原理

2.4测温电路设计

高压配电开关的温度测量传感器选型为DS18b20芯片，实时采集开关低压腔体内部的温度，并将温度信息实时上传给井上监控中心。

DS18B20的温度读取主要通过对其DQ引脚读、写高低电平的时序来实现，为了增加DS18B20的驱动能力，在DS18B20的DQ引脚上增加一个上拉电阻，保证在所有的读、写过程中被可靠置高或者置低，电路原理如图4所示。温度读取过程中，主要由初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备，而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

图4测温电

3软件设计

3.1测温程序设计

3.1.1DS18B20暂存寄存器分布

DS18B20温度传感器采用单总线结构，通过对温度传感器的信号线的读、写操作，可以实现对温度数据的读取，DS18B20的高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表1所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0个和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算:当符号位S＝0时，直接将二进制位转换为十进制;当S＝1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表1是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。

表1DS18B20暂存寄存器分布

3.1.2测温程序设计

在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不良或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，msp430单片机的P6.2引脚与DS18B20的DQ引脚连接。

3.2上位机界面设计

煤矿井下高压供电监控系统的上位机软件采用VB程序进行编程，主要是基于可视化窗口的编码器，利用C语言编程，并通过增加代码的属性来调用不同的组件，减少程序编写的难度，*终可以生成.exe文件，方便软件的安装。

上位机软件的主要作用是通过井上监控平台，对煤矿井下高压供电系统的配电开关状态进行实时的显示并存储状态信息，当系统出现故障时，方便历史数据查询、调用。对于井下高压配电开关的操作功能主要包括:分闸、合闸、复位，在进行配电开关操作时，需要先输入操作密码，避免随意操作造成事故。

井下高压供电系统的监控界面如图5所示，主要信息量包括井下各个变电所的不同位置的高压配电开关的电压、电流、温度数据。具有历史数据查询的功能，在查询功能中，可以选择不同日期、不同时间、不同变电所、不同位置的配电开关，对某一时刻的信息进行查询。

图5井下高压供电系统的监控界面

4安科瑞Acrel-2000Z电力监控系统解决方案

4.1概述

针对用户变电站（一般为35kV及以下电压等级），通过微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备组成综合自动化的综合监控系统，实现了变电、配电、用电的安全运行和全面管理。监控范围包括用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术、网络技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站全方位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

4.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

4.3系统架构

Acrel-2000Z电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

4.4系统功能

（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

（4）运行报表：查询各回路或设备指定时间的运行参数。

（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

（6）历史事件查询：对事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

（7）电能统计报表：系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况。

（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

（11）遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

（13）事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

（14）Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

4.5系统硬件配置

5结论

本文以煤矿井下的6kV供电回路作为研究对象，设计煤矿井下变电所高压供电监控系统。设计完全隔离性RS-485通信电路，实现井上PC到井下变电所的双向通信，在数据采集器中，选择主控芯片为超低功耗的MSP430单片机，进行电压、电流、温度数据的采集，在软件设计中，详细介绍了DS19B20测温芯片的测温流程、并利用VB软件，对井上监控平台的监控系统软件进行设计，实现对煤矿井下高压供电系统的实时监测和历史数据查询等功能。

参考文献

[1]万长慈，袁钟慧，陈筱梅，等.煤矿机电安全技术[M].北京:煤炭工业出版社，1990:18￣26.

[2]刘洪.煤矿安全测试技术〔上册〕[M].北京:煤炭工业出版社，1993:19￣25.

[3]李建伟.煤矿井下变电所高压供电监控系统设计

[4]企业微电网设计与应用手册2022.05版.

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