矿用高压真空配电装置故障识别系统设计及应用研究

武志勇

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城048214）

引言

供电系统作为煤炭井下工作面工作开展的重要保障，供电设施的安全稳定运行至关重要[1]。高压真空配电装置的主要作用是电能分配，其工作可靠性关系着煤矿井下供电的安全[2]。近年来，随着煤炭产量的不断增加，供电系统安全性要求不断增加，高压真空配电装置工作负荷不断提高[3-4]。因煤矿井下工作环境较为恶劣，供电负荷要求大，供电监测技术实施存在明显的困难，高压真空配电装置因故障不能及时排查引起的事故数不胜数[5-6]。因此，针对某煤炭企业井下移动变电站高压侧配电装置故障信息不能及时获取的问题，开展高压真空配电装置故障识别系统设计工作具有重要意义。

1 高压配电装置常见故障统计分析

煤矿工作面的高压配电装置经常出现故障问题，经统计分析，高压配电装置中的机械故障占断路器总故障数的近一半左右，在控制与辅助电路中的电气故障约占总故障数的30%。相关统计结果显示，断路器故障包括两类，其中操作机械故障约占四成，主电路电气故障约占一成，辅助回路中的电气故障约占三成。针对煤矿井下高压真空配电装置的众多故障问题，结合多年的工作经验，分析了故障原因，明确故障需要检测的物理量。只有故障检测信息合理，才能设计出好用的故障识别系统。因此结合实际高压配电装置工作条件，确定了需要的监测状态量有位移信息、振动信息、线圈电流等七种。

2 方案设计

根据高压真空配电装置常见故障及其原因分析，结合实际工作条件，完成了高压真空配电装置故障识别系统的方案设计，主要包括下位机、上位机、传感器等。如图1给出了数据监测与采集系统方案架构，可以看出，下位机监测系统主要是各种传感器，负责高压真空配电装置运行状态的实时监测，将相关数据传输至上位机进行显示和存储。传感器涉及压电加速度传感器、拉线位移传感器、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器等。上位机系统主要涉及故障数据信息的处理、识别、以及各种诊断算法的实现。

图1 数据监测与采集系统方案架构

3 硬件设计

3.1 传感器选型

传感器作为故障识别系统的信息数据来源，其选型是否合理至关重要，选型时需要综合考虑传感器的使用环境、满量程等因素，它们关乎检测数据的精度。基于上述设计方案完成了相关传感器的选型，具体内容如下：选用型号为CSM030SY的霍尔电流传感器，选择型号为VSM200D的霍尔电压传感器，拉线位移传感器的型号为YHL50，压电加速度传感器的型号为LC0159。上述传感器具有很好的环境适应性和精度保持性，足以满足高压真空配电装置故障识别系统的要求。

3.2 下位机设计

故障识别系统的下位机主要用于采集供电装置运行时的振动信号、位移信号等，对采集得到的信号数据进行简单分类处理，将其分配至不同的存储空间，之后分别发送至系统上位机进行实时显示。结合实际应用环境，系统至少需要10路信号采集，要求采样精度高、采样数据量大，至少需要选择RAM存储器内存在512 kB以上。需要配置多种通讯模式，满足信号数据的实时显示。基于上述分析结果，选择型号为TMS320F2812的CPU，满足存储配电装置所有动作信号的要求。

3.3 上位机配置

上位机作为高压真空配电装置故障识别系统中的重要组成部分，承担着实时数据的显示，供监控人员及时了解其运行状态。同时，监控人员也可以根据实时运行状态确定需要发出的控制指令，实现高压真空配电装置实时监控与远程控制。故障识别系统的上位机选择型号为ARK3202的工控机，该工控机具有诸多优点，如功耗低、接口多等，满足煤矿井下较为恶劣工作环境中的工作要求。上位机与下位机之间需要进行数据通讯，数据接口使用RS485，供电电压取自煤矿井下AC127V供电线路。工控机的具体安装示意图如图2所示。

图2 工控机结构示意图

4 软件设计

4.1 信号采集程序设计

结合矿用高压真空配电装置故障识别系统的方案设计及系统设计要求，编制了系统的数据采集流程图，如图3所示。系统工作时上位机发出采集命令，系统启动数据采集时关闭通行中断程序，停止通信程序运行。数据高速采集完成也要关闭采集中断程序，等待数据采集指令。该数据采集程序的设计，平时数据采集不进入AD采集模块，极大地降低了CPU的能源消耗，上位机能够很好地控制数据采集的开始时间。

图3 信号采集程序

4.2 通信程序设计

数据采集程序完成启动通信中断，等待上位机指令，依据上位机的指令完成数据的分段打包传输。矿用高压真空配电装置故障识别系统通讯程序流程如图4所示。由图4可以看出，在程序不进行AD采集工作时，需要启动通信中断程序。上位机发出数据输送指令，下位机执行上位机的控制指令，若不能及时收到数据输送指令，就会发出配电装置数据，让上位机及时知道设备的运行状态信息。

图4 通信程序设计

4.3 上位机程序设计

矿用高压真空配电装置故障识别系统上位机程序流程如图5所示，上位机参照收到的数据采集命令决定是否进行数据采集，若需要进行数据采集则需要发出采集命令，之后接收系统状态信息。假如高压配电装置存在分合闸的动作，则可以发送数据采集命令，开启下位机进行数据的高速采集。高压配电装置的分合闸信息数据分类存储至上位机，并将数据波形在显示器上显示。

图5 上位机程序流程图

5 应用效果评价

为了验证矿用高压真空配电装置故障识别系统设计的合理性和可行性，将其应用于煤矿高压真空配电装置进行试运行，并跟踪记录3个月的运行情况数据，结果显示，系统运行稳定可靠，满足煤矿高压真空配电装置故障识别的要求。相关统计结果显示，故障识别系统的应用，能够很快识别故障出现的位置和类型，给出对应的故障出现策略。提高了煤矿高压真空配电装置故障排除效率，相较于原系统，减少了2~3名运行维护人员，减少了近15%的故障停机时间，降低了煤炭掘进成本，预计为煤炭企业新增经济效益近60万元/年，取得了很好的应用效果。