煤矿变电站监测监控系统的设计

崔斌

(西山煤电股份有限公司 西曲煤矿， 山西 古交 030200)

0 引言

煤矿地面变电所的主要功能是为整个矿区提供电能，主要包括煤矿井下、地面生活区、地面选煤厂等。某些对电能质量比较敏感的设备如立井提升机，对电能质量提出一定的要求。因为电能中存在高次谐波或其他不稳定因素，轻者导致设备无法启动，重则导致设备在运行时出现突发事故，造成严重的经济损失或人员伤亡。目前矿区中普遍使用的变电站检测监控设备，存在成本高、安全性差、监控精确度不够以及自动化程度比较低等问题，这给矿井的安全生产带来了极大的隐患。为此，经分析研究，设计了一套基于ARM嵌入式的煤矿变电站电能监控系统。该系统将保护和现场的监控结合为一体，不仅能对电网中电能的质量进行实时检测，很好地保障矿井的用电质量，而且具有极高的自动化程度，能自动判断故障并做出相应的处理[1-3]。

1 系统整体架构

图1所示为本系统的硬件架构图。

从图1中可以看出,该系统的硬件大体上分为以下几部分。

1) 最小系统模块。包括CPU、晶振电路、JTAG下载接口电路和电源模块等。

2) 外部人机接口器件。包括LCD显示屏、键盘等。

3) 通信接口以及各种信号的输入输出接口。包括USB接口、RS-232接口、以太网接口以及I/O接口等。

2 系统硬件设计

2.1 CPU处理器选型

系统采用的主控CPU是基于ARM架构的STM32系列处理器，型号为STM32F103ZET6。该芯片采用Cortex-M3内核的32位处理器，最高主频为72 MHz。表1所示为该芯片的主要硬件资源[4]。

表1 STM32F103ZET6主要硬件资源

2.2 ALF低通滤波电路设计

图2为系统设计的ALF低通滤波电路。电路中使用DC12V为运放提供差分电源，经过C42和C43两个电容对电源进行滤波后输入到运放中，能有效地减小电路中的工模干扰。为了防止信号输出时电压突变造成后级设备的损坏，在电路的出口端加入了钳位电路，通过D1和D2两个方向连接的二极管将电压限制在0～3.3 V之间，这样可以很好地保护后面连接的数模转换电路。电路使用的运放芯片型号为LM324，它是一款比较经典的、高性价比、高电流增益的运放芯片。电源可单电源供电，也可双电源供电。由于内部具有温度补偿功能，故免去了外接电流偏置补偿器件的冗余设计。

图2 ALF低通滤波电路

2.3 串口通信电路

RS-232串口通信的特点是低速、近距离异步通信。系统利用其实现设备之间点对点的通信，可以比较灵活地用于现场数据的监测。

图3为系统设计的RS-232通信电路。该电路采用MAX232型芯片，该芯片具有低成本、低功耗、高集成度等优点。供电电压为+3.3 V，电路中采用C79和C80两个电容来对芯片内部发送信号进行滤波处理，以提高电路的抗干扰能力。在电源和地之间串接1个大电容，能有效地滤除电源内部的高次谐波，提高电源的质量。接口采用通用的DB9接口，连接线共有3条，分别是RX、TX和GND，分别连接DB9接口中的3、2、5号管脚。系统串口通信速率设置为115 200 bit/s，1个停止位和8个数据位。通过中断的方式接受并处理数据，可有效地提高数据通信的效率[5]。

图3 RS-232串口通信电路图

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

图4为系统的主程序流程图。控制器上电后首先对系统进行初始化，初始化完成后对系统进行自检，主要是监测各种外围设备是否在线，各种传感器是否工作正常等。如果系统自检没有通过,则返回初始化程序,继续对系统进行初始化；如果自检合格,则打开系统中断，接受外部的中断触发；当有中断源发生时,程序指针进入到相应的中断子程序中进行相关数据的处理。处理完毕后，判断变压器的工作状态是否正常：如果正常,则显示正常状态并将相关数据进行存储；如果有故障发生,则识别故障类型并进行声光报警处理[6]。

图4 变电站监测监控设备系统主程序流程图

3.2 A/D采样程序设计

图5为系统A/D采样程序流程图。由于采样系统需要的实时性比较强，因此A/D采用了中断采样的方式。中断由定时器触发，定时器的触发时间与电网中基波频率之间成正比关系。该系统共有60个采样点，在波形点每个周期对其进行采样。由于电网的频率是50 Hz，故每个点的采样时间为333 μs，即设置定时器的时间间隔为333 μs。定时器时间到时,触发A/D采样申请，触发采样中断后进入到相应的子程序中，首先是保护现场，然后启动芯片内部的A/D转换模块，转换完成后读取A/D相关寄存器中的结果，然后退出程序，准备接受下一次中断。

3.3 故障处理程序设计

故障处理子程序是系统的核心功能，也采用中断方式。当有故障发生时,触发系统中断，进入到相应的中断处理子程序中，计算出差动电流，然后判断是否满足差动速断保护。如果满足,便立即跳闸,如果不满足,再判断是否是断线故障；如果是则发出相应的声光报警,如果不是再判断比率制动是否在合理的区域,如果不在立即对其进行闭锁操作。最后是判断二次谐波是否满足条件。图6为故障处理程序流程图。

图5 A/D采样程序流程图

图6 故障处理程序流程图

3.4 频率测量子程序

通过查阅资料可知,基波频率的正常范围为44～65 Hz。如果测量的频率值在该范围内,则需要对其进行存储。电网中基波频率在理想状态下为50 Hz，但受用电设备及电网传输的影响，其相应的频率也会发生小范围波动。一般允许的上下波动范围是0.2 Hz，容量比较小的电网系统中允许范围相对较大,一般在0.5 Hz左右。

频率测量子程序如图7所示，该程序的主要任务是测量电网中基波的频率。首先是捕捉中断的发生，中断触发后读取相应寄存器的值，如果是第一次进入中断则判断为误触发，程序返回继续捕捉。当二次触发时计算相应频率判断是否在正常范围内，如果在就将数据保存，如果不在则做出相应的处理。

图7 电网频率测量子程序流程图

4 结论

本文设计的煤矿变电站监测监控系统，经过实验中功能验证和现场试验后，证明了其功能的完整性和可靠性，在一定程度上能够满足工业需求，为煤矿同类型设备的设计提供了参考。