煤矿变电所监测系统设计

0 引言

现阶段煤炭生产大多数为井下作业，其工作环境潮湿、多粉尘瓦斯，而随着采煤作用越来越依靠现代机电化技术，所以井下机电设备的稳定运行以及供电质量与可靠性关系到煤矿的安全高效生产[1-2]。随着现阶段数字化、信息化技术的发展，智能化与微机化技术也越来越被应用到对煤矿变电所设备的监控系统中[3-4]。本文设计了一种以DSP系列的STM32F103ZET6为核心处理器的煤矿变电所监测系统，从而不断提升煤矿变电所的智能化管理水平。

1 系统整体概述

1.1 系统总体结构设计

煤矿井下变电所的安全性及重要性对于煤矿安全生产具有十分特殊的影响，为保证井下电力系统的稳定运行，该系统采用地面集中监控，井下通过通信站分散采集监控。如图1所示为系统总结构，地面监控中心设置为0.1s对通信接口进行一次自动检测，并对所测数据进行分析。通信站完成地面监控中心与井下变电所智能信息采集器的双向通迅的功能。通过配置井下智能信息采集器，完成对电压、电流、温度、刀闸开合等状态进行信号采集。设计时每个分站独立运行，保证即使有故障也不会影响其它设备的运行。

1.2 变压器保护

变压器是变电所的核心设备，变压器的安全运行则关系到整个煤矿的安全生产[5-6]。一般受天气等自然因素影响会导致变压器故障发生，此外，负载所造成变压器故障则是对其最主要的影响[7-8]。故对变电所中的变压器重点保护，采用微机保护的原理，通过微机实时监控系统能及时发现故障并报警，当发生故障可以迅速切除。

图1 系统总体结构设计

（1）继电保护要求

对继电保护的要求需满足选择性、快速性、灵敏性以及可靠性四点要求。选择性是发生故障时能将故障以最小化将故障切除掉，保证造成的影响最小；快速性是电力系统发生故障时能以最短最快的速度将其切除，避免电网的解列；灵敏性要求能保护所在范围内的故障无论其故障点在哪，故障类型是什么都能以灵敏的方式正确反应；可靠性是系统在发生故障时，保护装置发出的动作不误动。

（2）电流速断保护

电流速断保护主要用于保护变压器的电压侧绕组、套管等器件发生故障的主要保护方式。煤矿变电所安装的变压器采用中性点经消弧线圈接地的方式，故该系统设计时对电流互感器的接线方式采用两相不完全星型接线的方式，则速断保护动作电流值IT需满足：

式中：Kr为可靠系数，一般取1.2～1.4；Ik1max为短路点流过互感器的最大电流值。

2 硬件电路设计

2.1 系统硬件电路结构设计

该文设计的硬件电路主要将通讯、信息采集、保护等功能集成一体。首先通过对电压、电流等模拟量数据信号的采集，通过主控芯片的处理进行故障实时监测。所设计的硬件电路主要有：主控制电路、模拟信号采集电路、通信电路、电源电路等，其硬件电路结构设计如图2所示。

图2 系统硬件电路结构图

2.2 主控处理器选型

该系统为适应矿井下潮湿复杂的环境，采用以STM32F103ZET6的中央控制单元，并将其系统进行本安防爆处理，该处理器的性能相比于8bit单片机内核更为强大，功耗更低，特别适用于工业控制和消费电子等领域，但其成本仅略高于8bit单片机。STM32F103ZET6型号的控制处理器有如下特点：

（1）具有12位的数模转化端口，每个ADC端口都有18个通道，这些通道中每个都可以单独处于信号读取工作模式，并将读取结果存放在16位的寄存器中，方便对多种数据的采集与处理；

（2）拥有USART串口数为3个，通过此串口可以对指定的数据与外部连接设备进行通信连接；

（3）该处理器存储器容量为521 kB，144个引脚，该型号的逻辑与数字处理能力性能提高1倍且集成度与存储量更高，能同时输出多路PWM控制信号以满足对信息的处理。

2.3 通信电路

在监控系统中需要对变电所多项设备的电压、电流、温度等信息状态进行实时监测，考虑到井下潮湿环境问题，相比于RS232通信，因其传输速度慢、兼容性差且传输距离最大仅有50 m。RS485通信的传输速度高，传输距离远且在复杂环境中也能很好适用。所以如图3所示通信电路设计，采用RS485串行通信的方式与上位机进行传输信息。

图3 RS485通讯电路

如图3所示，设计时将RS485的1号引脚与中央控制器的P3.0端相连接进行数据读写，4号引脚域控制器夺得P3.1端口相连接，用于上传数据。管脚2、3用于对发送、接收的数据进行控制。为防止芯片在接通电源时电压不稳定，故在3号引脚处连接一个下拉电阻R19，以稳定电压。

文章来源：《电力系统保护与控制》 网址: http://www.dlxtbhykzzz.cn/qikandaodu/2020/0804/425.html