三交河煤矿煤矿地面6kV开关柜在线监测系统设计与应用

王 菲

(山西汾河焦煤公司三交河煤矿，山西 洪洞 031600)

0 引 言

煤矿地面6 kV开关柜作为煤矿供电系统的关键部分，其工作的稳定性关系着煤炭采掘用电设备的运行[1-3]。煤矿地面6 kV开关柜控制线路服役环境极为恶劣，故障率较高，且排查难度大，是煤矿供电系统运行检修的重点[4]。在实现不影响开关柜正常工作条件下掌握其运行状态，并制定出可行的检修计划，降低供电系统运行维护成本，提高煤炭设备利用率，是目前煤炭行业的共同目标[5-6]。因此针对霍州煤电三交河煤矿地面6 kV开关柜故障排查难的问题，开展地面6 kV开关柜在线监测系统的设计与应用意义重大。笔者通过对霍州煤电三交河煤矿地面6 kV开关柜在线监测系统具体功能需求分析，提出了监控系统的设计方案，完成了系统硬件和软件的设计工作，通过检测达到了霍州煤电三交河煤矿地面6 kV开关柜在线监测的目的，解决了原有系统故障排查困难的问题。

1 监测系统功能需求

霍州煤电三交河煤矿地面6 kV开关柜在线监测系统具体功能需求如下：①长时间运行稳定可靠；②具有较强的数据处理能力；③不会造成开关柜结构的改变，不影响当前开关柜正常运行；④在线监测系统结构简单，模块设计清晰；⑤系统设计不仅要实现监测功能，还要兼顾监测系统的经济性和实用性，具有很好的性价比。

2 总体设计方案

依据煤矿6kV开关柜在线监测系统需要，完成了总体设计方案，如图1所示。

图1 在线监测系统总体方案

系统主要由传感器层、监测单元层、通信总线层和上位机组成。传感器层主要完成开关柜运行参数数据采集，如线缆温度、电压、电流等，并且经过处理将其转换成电信号。监测单元层包括信号调理、A/D转换、信号隔离等部分，主要负责将采集得到的电信号转换为数字信号，便于系统传输和存储。通信总线层涉及以CAN总线为核心的通讯、接口转换等结构，负责监测现场实时数据与监控中心上位机直接的信息传输。上位机负责将采集得到的6kV开关柜实时数据处理成为对于的状态参数，形成波形图或者表格进行显示，供监控人员观察供电系统状态，同时一旦出现系统故障，可以发出报警信息进行告警。

3 系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 传感器选型

开关柜下井电缆的绝缘性能选用磁补偿式霍尔传感器，电流监测采用HCS-LTH-100A霍尔电流传感器，电压监测采用HVS-EVS-150P4霍尔电压传感器。母排、隔离开关触头温度由红外温度传感器完成，其型号为IRTP20，监测温度范围达-20～300 ℃，响应时间仅为150 ms。断路器真空度采用型号为RS-301的监测装置，监测范围为0.01～10 Pa，灵敏度为0.01 Pa，功率低，工作稳定可靠。振动信号采集使用YD37压电式加速度传感器，频率监测范围是1～10 kHz，灵敏度为0.001 V/ms，具有很好的线性度。脱扣线圈老化程度选择WDD35D-4电阻式角位移传感器，线性度小于0.1%，输出电压数值，便于系统分析处理。采用HCS-LTR-50A霍尔电流传感器监测分合闸的速度，以电流波形的形式进行显示。断路器动作事件的记录通过安装在操动机构主轴端部的WDD35D-4角位移传感器实现即可。

3.1.2 信号处理模块

系统信号处理采用iCAN3800、iCAN4017模块，支持CANopen通讯协议，集成了信号处理、A/D转换、CAN报文收发等功能可在5～1000kbps的波特率条件下实现与CAN总线的通讯。并且两个模块均具有低通滤波功能，抗干扰能力和适应性较好。iCAN3800具有8路差分输入通道，iCAN4017则有6路差分、2路单端输入通道，除输入通道总数不同外，二者其余结构和参数均大体相同。

3.1.3 数据采集卡

监测系统用的数据采集卡型号为PCI8192，能够直接在工控机插槽进行使用，适用于工业应用现场相关监测数据的采集与监控，响应频率快，精度高，满足系统信号数据的采集要求。PCI8192数据采集卡信号输入支持单端、双端两种，根据应用位置的干扰情况和通道需求确定信号输入模式。单端信号输入将模拟地端AI0～AI31中任一输入端接通即可实现，多路信号输入共用一个接地点，信号输入通道最大为32路，各通道的量程可依据需要单独设置。

3.1.4 总线通讯网络

开关柜在线监测系统通讯网络采用的是CAN总线，结构简单、带载和容错能力强，能够适应煤矿恶劣的服役环境，实现现场监测数据与监控站上位机之间数据的传输。监测系统基于CAN总线的通讯网络如图2所示，包括通讯模块、总线网络、通讯卡及上位机等。系统中不同的CAN通讯模块设置不一样的ID地址，上位机发送遥控帧是采取轮询模式，连续监测控制开关柜的运行参数，同时，采集得到的现场数据以数据报文形式经CAN总线并传输给上位机，进而实现开关柜在线监测功能。

图2 总线通信结构

3.2 软件设计

3.2.1 软件框架

开关柜在线监测系统基于LabVIEW软件完成，系统软件中综合设计了高压开关柜运行状态参数处理、实时显示数据、人机交互等功能。上位机作为在线监测系统的重要组成部分，其设计工作集中在了开关柜各运行参数的界面显示、用于远程控制的人机交互按钮界面、数据处理运算和存储界面等。在线监测系统软件总体方案如图3所示。

图3 监测系统软件框架

3.2.2 系统主程序

在线监测系统主流程如图4所示。

图4 监测系统主程序

开关柜在线监测系统主程序基于LabVIEW编程完成，运用LabVIEW中Calling Library Functional Node函数接点调用VCI库函数，内层传感器数据采集模式为“循环查询”，外层可以将不同的开关柜iCAN3800、iCAN4017数据采集模块接入CAN总线，采用轮询模式完成多开关柜的实时监测任务。

3.2.3 人机交互界面

开关柜在线监测系统人机交互界面用于监测人员观察开关柜实际运行情况，并且可以根据监测数据变化趋势远程控制开关柜。监测系统主界面如图5所示，界面内部设计了监测数据及波形显示、交互按钮等部分，可以切换不同的开关柜进行实时监控数据的查看。数据显示形式包括数值、波形图及动画等，实时监测过程中一旦出现故障，LED灯就会进行闪烁显示。同时还设计了系统启停、系统设置、通讯测试、报表生成、使用帮助等5个按钮控件，便于在线监测系统的运行操作。

图5 在线监测系统主界面

4 应用效果

为了验证地面6 kV开关柜在线监测系统的实用性，将其应用于霍州煤电三交河煤矿供电系统进行试运行，跟踪记录应用情况。结果表明，监测系统运行稳定可靠，满足地面6 kV开关柜各项参数的实时监测的要求，能够及时发现供电故障并报警，给出故障排除建议。统计结果表明，在线监测系统的投入使用，节省了供电系统维护维修人员2～3名，减少了供电系统近12%的故障排查时间，提高了煤炭采掘设备近8%的利用率，降低了煤炭生产成本，提高了企业煤炭产量，预计为企业新增经济效益近200万/年，取得了很好的应用效果。