煤矿供电系统智能监测与故障诊断系统设计应用

智 强

(晋能控股煤业集团地煤公司 姜家湾煤矿，山西 大同 037001)

0 引 言

煤矿供电系统在煤矿开采过程有至关重要的作用，承担着为采区各类机械设备、电气设备提供源源不断动力的重任。一旦发生电力故障，长时间的故障排查和修复会直接影响整个煤矿的生产和经济效益，因此，对供电系统的供电可靠性提出了更高的要求[1]。传统的煤矿供电系统通常采用人工巡检与传感器采集相结合的方式进行故障排查，效率低，故障诊断精度不够，传感器采集范围比较窄，不能覆盖所有需求数据；另外，当传感器进行采集数据上传时，系统不能智能处理信息，只能数据显示，智能化程度低[2-3]。

综上所述，研究煤矿供电系统智能监测与故障诊断技术非常有必要。笔者基于微控制技术、传感检测技术、信号处理技术、智能算法技术等设计了一套供电系统智能监测与故障诊断系统，该系统可对矿井供电系统高压配电线路的相关参数进行实时监测，进行数据智能处理，有效判断设备的运行状态，能及时对供电系统的故障识别与诊断。

1 煤矿供电系统现状

目前山西大同姜家湾煤矿已有的供电系统综合监控系统只能监测供电一次系统线路的运行状态，无故障智能诊断功能，无远程分合闸功能，系统调整操作后须复位才有效，供电可靠性明显跟不上开采需求。故笔者提出新的智能监测与故障诊断系统设计方案，目标是不仅可监测线路运行状态，而且具备故障智能诊断功能、远程分合闸功能、显示、报警、记录功能等。

2 供电系统智能监测与故障诊断系统方案

图1所示为煤矿供电一次系统智能监测和故障诊断系统的总体方案。整个系统由上位机、服务器、打印机、工业大屏幕、光端机、多个监控分站、光纤以太网组成。

图1 供电系统智能监测与故障诊断系统整体方案

其中，上位机是系统的核心设备，设计的上位机组态软件负责以曲线的形式实时显示单片机采集到的电参数，内置的故障诊断算法可以根据各类电参数在线对系统故障进行诊断，同时还具有数据存储、报表打印等功能；监控分站AVR单片机是系统的桥梁，负责采集电参数对其进行转换处理，将其上传给上位机，同时负责接收开关量输入电路的信号，控制开关量输出电路执行相应的控制动作；光端机是通信线路的中介，负责将多个监控分站和上位机之间联系起来；服务器、打印机、工业大屏幕是辅助设备。

2.1 硬件方案设计与设备选型

2.1.1 监控分站硬件结构框图

如图2所示为监控分站的硬件框图。由AVR单片机、ADE7758电参数采集模块、电压互感器、电流互感器、采集滤波电路、开关量输入输出电路、光电耦合器、零序电压电流互感器及采集滤波电路、液晶显示模块、声光报警模块等组成。

图2 监控分站硬件框图

具体功能为：电压、电流互感器及零序电压、电流互感器负责采集一次系统的电压、电流值；电能采集模块 ADE7758 负责对采集到的参数进行测量和处理，并上传给AVR 单片机；AVR 单片机负责将监测到的参数通过光纤以太网上传到监控中心上位机，同时上位机也可以通过AVR 单片机对相应断路器进行分合闸遥控；液晶显示模块负责现场显示回路参数；声光报警模块负责故障报警。

2.1.2 微型处理器选型

系统的微处理器选用AVR单片机，该系列单片机体积小、运行速率快、性价比高，完全满足系统需求。在 megaAVR 系列中，选用的单片机具体型号为ATmega16(L)。 ATmega16(L)程序开发非常方便，具有一整套的编程与系统开发工具，包括C语编译器、宏汇编、程序调试器及软件仿真器。

2.1.3 ADE7758应用电路设计

系统中应用了ADE7758模块，用于计算电压有效值等参数、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电参数，同时为声光报警模块提供报警所需的报警数据支持(见图3)。该芯片可以提供多种中断源，非常方便计算。ADE7758具体的工作流程如下：ADE7758 芯片首先采样电压电流信号，将其进行A/D转换和相位校准，一方面将初始采样值放入波形采样寄存器，并通过单片机定时传入上位机，用以谐波分析；另一方面利用电压电流计算各相的有功、无功和视在功率3个参数，将其累加到对应的寄存器中。单片机和ADE7758芯片之间通过 SPI 串行接口进行通信。

图3 ADE7758外围电路设计

2.1.4 开关量输入输出电路设计

开关量输入电路可以方便系统实时测量外部电气设备的通断状态，本系统通过测量外部电气设备的辅助触点的通断状态来实现的。开关量输出电路可以帮助系统输出信号控制合闸或跳闸。为了实现上述功能，本文设计了相应的开关量输入输出电路，为防止外部电气设备高电压损坏单片机系统，在强电部分和弱电部分之间采用光电耦合器进行隔离。 图4所示为开关量输入电路图，当开关开合时，输入到单片机 I/O 口的值会发生相应变化，或0或1。图5所示为开关量输出电路图。

图4 开关量输入电路图

图5 开关量输出电路图

2.2 系统软件方案设计

2.2.1下位机程序设计

系统的运行离不开程序的驱动和软件的控制。系统程序设计采用模块化的设计理念，将程序分为主程序和各个子程序，由主程序来统一调用子程序执行各项功能。编程语言采用 C 语言和汇编语言结合的方式，主要程序采用C 语言开发，开发速度快，而对于实时性要求较高的部分采用汇编语言，可提高运行速度。

系统软件完成的功能包括：系统初始化、 ADE7758芯片初始化、电参数读取、开关量信号采集、开关量控制信号输出、故障诊断，以太网通信等。图6所示为主程序流程框图。

图6 系统主程序流程框图

2.2.2 上位机监控软件设计

上位机软件设计采用了先进的亚控组态软件进行开发。整个软件设计为用户管理界面、实时数据库管理界面、历史数据库管理界面、打印报表管理界面、故障诊断界面五大部分。故障诊断界面是软件的核心板块，可根据单片机上传的数据进行故障智能诊断和识别，包括漏电保护、短路故障等。主要功能包括：实时库显示，可实时显示供电系统被监测线路的一般电压电流、零序电压电流、开关分合闸状态、有功无功、电压电流曲线等；远程遥控画面中的各类型控制开关， 用户可根据自身煤矿运行需求开关保护装置进行远程定值修改、调整、投退、漏电实验、短路试验；实时报警；报表记录查询；上位机监控软件的功能框图如图7所示。

图7 上位机监控软件结构框图

3 应用效果

目前设计的系统已在本部煤矿运行2年，系统运行稳定，可实现对供电系统的故障智能诊断功能，截止到2021年3月份，系统共自动诊断故障9次，相比传统故障巡检方式，故障诊断排查累计节省时间约20 h；远程分合闸达50余次，开关平均动作时间为39 ms，节省了大量人力。间接为煤矿带来了巨大的经济效益。

4 结 语

在原有煤矿供电一次系统的基础上，借助微处理技术、传感检测技术、组态王技术等设计了一套基于AVR单片的智能监测和故障诊断系统，分别从硬件和软件的角度进行了具体设计和阐述。该系统可以实时监测一次系统高压配变部分的电参数，根据采集到的信息可以智能判断和决策系统故障，并进行故障报警，同时可以监测各类开关的运行状态，也可以远程遥控开关，大大提高了煤矿供电系统的自动化水平和智能化水平。