煤矿井下供电系统电能质量在线检测系统设计

赵永红

(1.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030006)

随着煤矿自动化和智能化程度的不断提高，由电能质量问题引起的安全问题越来越多，煤矿电网电能质量检测和评估得到广泛关注[1，2]。目前对电能质量检测的研究大多是针对公共大电网系统进行的，虽然也有一些院校和机构对煤矿电网电能质量检测进行研究，但是这些检测设备只用于地面，不能应用到煤矿井下的特殊环境中，这就使得检测范围受限，检测数据不全面。而对于煤矿企业来说，井下设备负荷等级高、用电功率大、负荷类型多、波动大、安全性要求高、负荷分散、供电距离远，如果不能对井下供电设备进行检测，则无法正确全面了解煤矿的电能质量状况，对于改善电能质量有效措施的制定形成很大的制约，使得电力部门对电能质量的监测和管理失去意义。因此，本文设计了一套专门用于煤矿井下的电能质量在线检测系统，能够用在井下爆炸危险环境中对包括井下移动变电站、刮板机、输送机、掘进装备、采煤机等大型终端设备进行检测，实现对煤矿电网电能质量指标的全面检测，以找出干扰源，明确电能质量症结之所在，为科学评估电能质量并有针对性地开展治理、保证煤矿企业安全生产提供数据支撑。

1 检测系统架构及工作原理

该系统检测的参数主要包括：电压偏差、电压谐波、电流谐波、功率因素等[3-6]；检测系统须满足防爆要求，能够应用到井下，且使用时不影响原供电系统正常工作，不影响其防爆安全性能，接入方便；能够满足最高电压10kV、最大电流2kA供电系统测量，实时采集数据并上传至监控管理平台，平台实现对数据的存储、分析，并生成检测报表。

1.1 检测系统架构

该系统主要由矿用隔爆型互感器、矿用隔爆兼本质安全型[7-9]电能质量在线检测装置、矿用通讯基站、矿用网络交换机以及移动终端设备[10]等组成。设计的电能质量在线检测系统如图1所示。

图1 矿用电能质量在线检测系统

1.2 检测系统工作原理

系统中通过将隔爆型互感器接入供电线路中，实现对线路电压、电流参数的测量，两组互感器可同时测量两路供电线路。设计的电能质量在线检测装置主机与隔爆型互感器连接，实时采集电压、电流参数，并将这些参数转换成标准的电能质量数据交换格式PQDIF，通过矿用通讯基站，矿用网络交换机上传至供电网络监控管理平台，实现对煤矿井下供电系统电能质量在线检测。

2 系统硬件设计

2.1 隔爆型互感器设计

为了方便接入井下供电回路中，互感器采用矿用隔爆型设计。设计的隔爆型互感器包括隔爆外壳以及安装在隔爆外壳内部的互感器、高压母线、显示屏、绝缘子等。

其中电压互感器二次侧设计有三个抽头，在输入电压为3kV、6kV、10kV三个电压等级时，二次侧电压恒定为100V，根据不同输入选择相应接线端子；互感器设置两组，可同时测量两路供电线路。电流互感器设计了3组检测电流，分别接入A、B、C三相母线中，变比分别为：2000/5、1000/5和200/5，为了保证测量精度，变比可根据不同负载大小进行选择。

2.2 电能质量在线检测装置主机设计

电能质量在线检测装置主机采用矿用隔爆兼本质安全型防爆型式，能够应用到煤矿井下。包括防爆外壳以及安装在防爆外壳内部的具有PQDIF、IEC61850规约的电能质量检测主机、蓄电池模块、信号隔离模块、无线传输模块、显示屏、接线端子等。

检测装置主机硬件电路主要包括电压、电流信号输入单元，信号处理单元，信号传输单元，显示单元及供电单元等[11，12]。为了保证较高的采样速率，能够快速处理分析采样信号，该电路硬件设计为基于数字信号处理器 DSP 与微控制器 MCU 相结合的结构。其硬件结构如图2所示。

图2 主机硬件结构框图

电路中DSP芯片是电路的核心部分，为了保证装置有较大的存储能力，较强的运算处理能力以及达到与为控制器的最佳匹配效果，选用应用比较广的TI公司生产的32位定点数字信号处理器TMS320F2812；数据采集主要包括几个方面：电压电流传感器电路、滤波电路、取样电路、AD数模转换、信号调理线路、过零检测电路、接口电路、隔离电路等。通过信号转换芯片VSM025A和CS040G将分别将输入的强电压和大电流信号转换为可处理的弱电信号，转换后的信号经调理后传输至运算芯片[13，14]；由于需要对基本参数进行测算，包括电压、电流、谐波、功率因素等，所以选择用综合性能较好的ADS8364运算芯片。供电电源设计为两种供电方式，其中外接供电为宽电压供电，供电电压范围为AC100～220V，可直接从电压互感器二次侧输出接入[15，16]，能够进行长期检测；内部带有锂电池，可以适用于短时测量。另外为了满足煤矿井下防爆安全要求，在通讯接口处均设置了CAN中继器、光隔离器，将本质安全电路与非本质安全电路进行可靠隔离。

3 软件设计

3.1 系统软件总体设计

系统的软件采取模块化设计，主要由装置主机终端软件和地面管理中心软件两个模块构成。装置主机终端的软件设计采用C++语言对电路核心处理器DSP芯片进行编程[17-20]，对于地面管理中心的软件，为了实现丰富的人机交互功能，设计合理的图形界面，采用Python语言进行界面设计。另外软件通过设置以太网通信协议建立地面管理系统与检测装置终端之间的联系；通过设置无线通讯协议建立检测装置终端与移动通讯设备终端的联系。系统软件总体结构如图3所示。

图3 系统软件总体结构

3.2 参数测量软件设计

为了准确、快速的对采集的电参数有效数据进行提取，并按照计算模型进行计算，最后经分析得出检测参数的最终结果，设计了参数测量流程如图4所示。

图4 参数测量流程

3.3 电能质量评估方法及流程设计

3.3.1 电能质量时间组合计算评估方法

由于电能质量检测往往需要较长时间(至少一周)连续采集，由此积累的监测数据量是巨大的。仅以IEC61000-4-30推荐的标准200ms测量窗宽的谐波DFT分析为例，每天一路(三相电压和电流)采集并处理后的数据(基波，2～40次谐波及THD值)就会占用32bit×6×41×5×60×60×24≈3.4GB/24h存储容量。因此本系统电能质量评估采用的是时间组合的计算方法，通过合理的时间组合，既能够提取必要的特征量，同时还可以精简数据，节约存储空间，以实现电能质量的长期有效监测。

3.3.2 电能质量评估流程

电能质量评估时首先应明确指标物理意义，以及其对设备或系统的影响严重性，然后将指标的统计在时间上以及不同监测点或系统在空间上的进行特征对比，剔除无关信息的干扰，但不能损失必要的信息。且指标和评估方式应简单、具有可行性，有利于普遍的工程利用。最后将评估数据与选定的阈值进行比较，得出评估结论。据此设计的电能质量评估流程如图5所示。

图5 电能质量评估流程

系统将测量装置采集的监测点的电气参数，并提取关注的电能质量问题的特征量后，进入评估过程的特征量相数组合和时间组合，计算出监测点指标值或评价等级，与相应要求比较，给出监测点评估判断。基于检测点指标计算结果，采取合理的加权原则或经状态估计求取系统内非检测点的质量指标，再计算系统指标或等级，与相应限值或协议要求比较判定，给出系统评估结果。

4 检测系统测试分析

为了验证系统的通讯功能、数据分析功能，应用该系统对一台进线电压为6kV矿用移动变电站进行检测，变压器带负载正常运行，选取其中30min的测量数据，形成的谐波实时测量曲线如图6所示。

图中显示的是L12线电压的谐波电压总畸变率、3次谐波电压、5次谐波电压和7次谐波电压随时间的变化情况。

同时系统还可以根据需要生成测试结果报表，2～25次谐波电压含有率测试结果见表1。

表1 2～25次谐波电压含有率

从表1中可以看出每相各次谐波电压含有率、电压总畸变率的具体数值，且将预先植入的标准要求参数限值一并显示，检测结果合格与否一目了然。

此外系统还可以记录分析谐波电流、电压偏差、频率偏差、有功功率、无功功率等参数。应用表明该系统能够实现对煤矿井下供电设备的电能质量检测，能够将数据上传监控管理平台，实现数据存储、调用、显示并生成报告等，各项功能均达到预期效果。而且检测时只需将移动变电站进线连接处断开即可直接接入，省时省力，不影响变压器正常工作，可长期进行在线检测。

5 结 论

1)系统中互感器采用隔爆型设计，能够保证在不影响井下原有系统供电的情况下，连续采集电压、电流信号。

2)系统中检测装置主机采用隔爆兼本质安全型设计，能够实时采集电压、电流参数，并将这些参数转换成标准的电能质量数据交换格式PQDIF，通过矿用通讯基站，矿用网络交换机上传至供电网络监控管理平台，也可传输至移通讯设备终端，实现对煤矿井下供电系统电能质量在线检测。

3)该系统可便捷地在井下各供电设施设置检测点，实现煤矿电网电能质量检测全覆盖，消除煤矿电网中井下特殊环境电能质量检测盲区，全面反映煤矿井下电网运行水平，给管理者投资决策提供依据。

4)采用时间组合的计算方法，合理的时间组合，既能够提取必要的特征量，同时还可以精简数据，节约存储空间，以实现电能质量的长期有效监测。基于检测点指标计算结果，可计算出系统指标或等级，与相应限值或协议要求进行比较，可给出系统评估结果。