井下电力系统控制单元的研究与实现

1.引言

目前煤矿井下采区变电所、综采工作面在使用的高压防爆配电装置都已经使用较为智能化的PB系列、BGP系列等。然而这些智能设备已逐渐不能满足高强度、高运作效率的井下生产需求，如高压防爆配电装置的保护执行机构一般为过流、高压漏电绝缘监视脱扣器和失压脱扣器，在实际作业过程中由于机械弹簧易老化疲劳、保护整定不准确及经常误动作等，使之操作不便，使用维护困难。日益推广的高压防爆真空配电装置虽然采用高压真空断路器、综合保护器以及电能计量装置等，具有漏电监视、过流、失压及过压等保护功能，但对于一些突发事故尚不能进行监测及处理，往往正是这些事故导致了大的井下事故的发生，从而引起严重的经济损失，甚至人员伤亡。

文中针对构建井下电力系统智能控制单元的工业需求，结合电子技术和计算机控制技术，分析并设计了一类集测量、显示、保护、监测、控制、诊断及实时通信的新型井下电力系统智能控制单元。

2.井下电力系统智能控制的需求分析

生产实践表明，已有的井下电力系统电力电气设备的使用仍然存在着很多的安全隐患，其中最为严重的是电力电气设备的保护功能不能充分发挥作用，其原因主要有以下几个方面：

(1)煤矿井下环境特殊，电力电气设备受危害的因素多，电力电气设备故障多。

(2)井下使用的各种开关的控制电路和保护电路广泛采用电子电路，造成电力电气设备故障处理、检修和维护的难度增加，使故障不能及时得到检修处理，造成电力电气设备在保护不完善或没有保护的状态下运行。

(3)电力电气设备内部电子元器件增多也使设备自身出现故障的机率增多。

(4)电力电气设备使用者不按生产厂家的要求操作，把电力电气设备的保护装置甩掉不用，使设备在缺少保护的情况下运行，如将馈电开关中的故障跳闸线圈封死，不让其跳闸。

(5)井下电力电气设备配件通用性不高。我国井下专用配电开关和控制开关生产厂家很多，而各厂家都有自己与众不同的设计方案，使设备的结构和电路原理有较大差异，这样就会造成企业配件储备困难、设备因缺少配件而得不到修复的现象。

因此，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好、方便实用的煤矿井下电力电气设备智能控制单元是解决国内煤矿井下电力电气设备保护问题的关键。

3.智能控制单元的硬件系统总体设计

煤矿井下电气设备智能控制单元的工作原理是：首先将检测的电信号分别经电压变送器和电流变送器，变成0～1v的电压信号，再经测量放大器放大成0。5V的电压信号，送至CPU，由CPU内A/D转换器将其变成数字信号后，CPU随即进行相应的计算和处理，计量数据经过总线缓冲驱动器显示在液晶屏上，CPU在对保护数据进行相应的逻辑判断后，通过总线缓冲驱动器对继电器直接操作或者发出闭锁信号。CPU定期对开关量输入状态、开关量工作状态及键盘、保护接口进行扫描和检测，完成对保护对象的状态监测和人机交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通过串口电路向调度中心发送数据或接收指令，复位电路能使系统自动复位。由于单片机具有性能高、速度快、价格低、体积小、稳定可靠、使用方便灵活等优点，因而常常被用在智能监控装置(仪器)控制中。由于智能控制单元必须在系统发生故障时及时判断出故障点并能及时切断故障电流，在系统正常工作时，控翎单元必须有能力及时处理大量实时动态数据，因此智能控制单元对硬件CPU的实时性、快速性、准确性和多功能性要求很高，为此在硬件设计时选用了实时性和快速性都非常好的PIC1 6F877A单片机作为中央处理器。基于单片机PICl6F877A的智能控制单元的硬件总体结构它主要由以下部分组成：

(1)由CPU、时钟电路和复位电路组成CPU最小工作系统。

(2)由电流互感器、电压互感器、电流变送器、电压变送器、模拟开关、放大器以及CPU的A/D转换模块组成数据采集模块。

(3)12路开关量输入和3路开关量输出组成I/O功能模块。

(4)由4×4键盘和液晶显示组成的人机对谣陵块。

(5)由漏电闭锁模块、通信模块、联控模块、故障存储模块、实时时钟模块以及电源模块构成智能控制单元的功能电路模块。

4.智能控制单元的软件总体结构设计

由于该系统是对断路器的开合进行控制并要求对电压、电流进行实时采样计量，因此必须对每周波20ms的正弦电流信号进行采样，采样点选为12个点，那么每2个采样点之间的时间间隔为1.667ms，利用PICl6F877A的定时器TMR2来进行采样周期定时，每隔1.667ms进行一次中断，中断由统一的中断调度程序进行统一的调度，采用软件工程中的业务流结构发生一次中断后由调度程序决定执行哪一组任务，每2个采样点之间安排一系列的任务，并且每组任务在1.667ms内都能执行一遍，但是由于本软件系统配备有人机交互界面，键盘显示程序是所有任务中最为耗时的程序，它的执行必然超过1.667ms，因此在不影响系统的实时性能的前提下采用关中断的结构，在键盘显示执行完毕以后开中断来执行下一组任务，经实验证明这样的做法是切实可行的。12个采样点会有12组任务，在采样点内的任务在文中称内部任务。

每2个采样点之间都分配有若干个任务，由于任务的执行时间也长短不一，这样就必然会在某2个采样点之间存在空闲的时间未被分配，这一部分的时间可以留作日后软件升级时使用，这样使软件系统还有很大的升级空间。第一组任务至第十一组任务的执行都严格的控制在1.667m以内执行完毕，第十二组任务比较特殊，如前所述键盘显示程序耗时很长，经实验测得显示一个汉字占用1.341ms，显示一个ASCII码要占用2.55ms。因此在1.667ms这样的时间内显示大量的汉字以及ASCII码是不可能的，如果不关中断会导致显示不正常，因此在不影响实际需要的实时性能的前提下，采用关中断的方法禁止定时器2的中断，待显示完毕后开放中断，然后继续执行第一组任务，虽然关中断的方法会影响系统的实时性能，但是由于这一点的时间损失都在毫秒级，经实验和现场的使用情况来看是不影响系统的实时性能的，因此这种方法是切实可行的。

每一组任务都是一个功能模块，该系统包括电流保护模块、电压保护模块、绝缘电阻保护模块、数据采集模块、远控模块、通讯模块、联控模块、时钟模块、故障存储及查询模块和键盘显示模块等，以上各个功能模块在主程序的统一调度下完成各自的功能。

5.故障存储模块的硬件设计

故障存储模块采用铁电存储器FM24C64芯片，它是一种非易失性记忆体，它的逻辑结构为8192×8位，接口方式为工业标准12C接口。铁电存储器具有持久保存数据的能力和存储快速性的优点，存储的数据可以保存在10a以上，普通的EEPROM的存储速度在毫秒级而铁电存储器FRAM存储速度在微秒级，噪声和电源波动环境写数据对EEPROM来说极具挑战性，而FRAM写的速度非常快，噪声和电源波动还来不及干扰就已经存储完毕了。因此利用铁存储器的上述优点，在设计中对发生的各种电压、电流以及漏电故障进行高效、快速、准确的存储，通过软件设计的查询算法用户可以方便的对历史故障信息进行查询，对设备的维护提供了可靠的依据。

多字节数据写入的信号s代表启动信号，之后的“1010”为FM24C64的器件地址，使用12C总线协议的芯片独有的ID，后面的0000为用户通过接线规定的引脚设定地址，它是用来区别在一条12C总线上出现很多具有同一个ID的器件，在智能控制单元中仅使用一个FM24C64芯片故将它设置成“0000”，“A”为应答信号，是由被控器给主控器的信号，后面用5位表示32个页地址，用8位来表示每一页上的256个单元，这样FM24C64芯片8K的存储空间都能够对它进行写操作。

故障存储时由于外部信号的干扰很有可能使存储的信息发生与实际期望的不符的情况，为了避免这种情况的发生在软件设计中采用了“和校验”的方法使存储的数据安全可靠，这种校验的思想使每一次存储完一条故障信息以后，立即调用读存储器子程序把存人的数据求和，然后与读出的数据的和进行比较，如果一致就认为已经存储正确如果不一致就让程序重新存储一遍直到存储正确为止。

6.结束语

通过对井下电力系统智能控制单元的分析及设计得到以下主要结论：

(1)对当前井下电力系统智能控制过程及现状进行了分析并论证了其智能控制单元的工业需求必要性。

(2)分析并设计了一类集测量、显示、保护、监测、控制、诊断及实时通信的新型井下电力系统智能控制单元。设计的智能控制单元具有短路、过载、漏电闭锁、断相、过压、欠压等保护措施。

(3)以故障存储和处理为例给出了智能控制单元的具体功能实现过程。

[1]陈世建,纵瑞梅.井下电力监控系统的研究与设计[J].煤炭技术,2010(1):61-63.

[2]林柏泉,常建华,翟成.我国井下安全现状及应当采取的对策分析[J].中国安全科学学报,2006,16(5):42-46.

[3]訾兴建,许中.基于工业以太网与现场总线的井下电力监控系统[J].煤炭工程,2010(2):115-117.

[4]刘芳霞,孙霞.井下电力系统中无功补偿的研究[J].机械制造与自动化,2009,38(5):147-149.

[5]程真启,张晓光,高顶等.基于PROFIBUS现场总线的井下电力监控系统[J].井下机械,2007,28(11):142-144.

[6]侯九阳,郑国禹,武狄.井下电力企业信息化管理系统安全防护体系的实施[J].信息系统工程,2010(6):49-50.