矿井高压开关控制器的优化设计

张小平

（潞安化工集团电力事业部， 山西 长治 046200）

引言

供电系统为煤矿生产的主要动力源，供电系统的稳定性直接决定煤矿生产的效率和安全性。高压开关是对煤矿变电站自动化系统进行信息采集、传输、处理和数字化输出的关键设备。在当前综采设备自动化水平和采煤工艺不断提升的背景下对矿井高压开关的性能提出了更高要求，以保证其能够为变电所提供稳定的电源，并能够根据实际工况完成自我监测、自我诊断以及自我控制功能的实现[1]。为满足上述要求，本文将重点对矿井高压开关的控制器进行优化设计。

1 矿井高压开关控制器的总体优化设计

1.1 高压开关功能

矿井高压开关为煤矿供电系统中输变电的重要组成部分，主要实现对变电站相关信息的采集、处理和传输等功能。简单地说，高压开关柜是一个自动化、智能化的组合，其具备对现场工作装置实时运行状态的显示、实时故障的显示、相关参数的实时查询等功能。矿井高压开关柜的总体结构如图1 所示。

图1 矿井高压开关柜总体结果示意图

一般情况下，高压开关柜能够实现自我保护功能，包括对过流、超压、欠压以及接地故障等情况；能够实现自我诊断功能，即根据系统所监测到的数据对特别的故障进行预判，对系统使用寿命进行评估等。

1.2 高压开关控制器的总体设计原则

高压开关控制器的优化设计需参照IEC61850 国际标准中的相关规范和条例进行。从整体上讲，优化后的高压开关控制器能够实现数据采集、信息通信和传输的智能化控制，并实现对高压开关运行状态的实时在线监测和相关故障的自我诊断功能[2]。

2 高压开关控制器的优化设计

本节将重点从硬件和软件两个层面完成高压开关控制器的优化设计。

2.1 硬件设计

SCM 模块为高压开关控制器的核心，该模块基于高压开关控制柜所发出的相关指令对高压隔离开关进行开启、闭合和停止等控制[3]。SCM 模块所获取的指令主要为角度传感器所发送的关于角度的电压信号。SCM 模块的硬件结果如图2 所示。

图2 高压开关控制器SCM 模块的硬件总体设计

如图 2 所示，SCM 模块中除了其核心的STM32F103 核心控制芯片和型号为EPM240 的辅助控制芯片外，还包括有电机控制电路、温度检测电路、湿度检测电路、角度测量装置等。本节将重点对上述的硬件电路及关键装置进行设计。

2.1.1 电机控制电路

实现对SCM 模块中电机的控制的主要器件为电力开关器件。可选的电力开关器件包括有固态继电器和电磁继电器。鉴于固态继电器为无触点开关器件，与电磁继电器相比具有较高的稳定性和可靠性[4]。因此，本文项目采用固态继电器为核心实现对SCM 模块中电机的控制功能。固态继电器的内部结构如图3所示。

图3 固态继电器内部结构

2.1.2 温湿度检测器件的选型

结合一般工业中应用较为广泛的温湿度检测器件，本项目采用DS18B20 型数字式温度传感器和AM2301 的数字式湿度传感模块对现场的温湿度进行检测。其中，DS18B20 的温度测量范围为-55～+125 ℃之间，温度测量精度为0.5 ℃。在实际应用中该温度传感器可通过PVC 电缆直接与控制器相连，使用相对方便。AM2301 湿度检测模块内部不仅集成了湿感元件，而且还集成了测温元件，可实现对温度和湿度的同时检测；且该模块具有较强的抗干扰性能，能够适用于煤矿相对恶劣的生产环境。

2.1.3 角度测量装置的选型

结合以往实践经验，旋转变压器具有较强的抗干扰能力，可在恶劣的环境中稳定运行且测量精度不受影响。因此，本项目采用旋转变压器作为测角装置。旋转变压器的主要功能是对隔离开关转轴的旋转角度进行测量，测量所得电压数据经过AD2S90 数字变化器进行处理后传送至SCM 模块[5]。

2.2 软件设计

高压开关控制器的软件包括有主程序和各数据采集模块的程序设计。

2.2.1 控制器主程序的设计

结合矿井高压开关的实际工作情况，完成控制器主程序的设计。所设计的主程序流程如图4 所示。

由图4 可知，系统进入主控制程序且完成初始化状态后，对电源、温湿度、开关量检测功能是否能够正常运行进行判定；判定正常后对远方还是就地控制的模式进行判定，并按照预定的程序开始下一阶段的流程；而后根据隔离开关主轴的旋转角度、电流范围门限等综合因素判定阶段的工作流程，直至电路断开后整个控制流程结束。

图4 高压开关控制器主程序流程

2.2.2 数据采集模块的程序设计

以AM2301 温湿度检测模块的功能实现为例，对该模块的实施软件流程设计如图5 所示。

图5 AM2301 湿度检测模块的软件流程

如图5 所示，在系统初始化功能实现后，对湿度检测模块所读取的数据在释放总线响应完成后正式传输，期间还需对所传输数据的准确性进行判定；判定正确后对系统实时显示的数据进行更新，从而实现对湿度的采集。

3 结语

供电系统为保证煤矿高效、安全生产的动力基础，煤矿供电系统包括有变电所、变压器以及高压开关等从系统级到设备的元器件。本文以高压开关控制器为例开展研究，重点对传统高压开关控制器响应速度慢、控制精度不高且自动化水平偏低的问题，基于SCM 模块并以 STM32F103RBT6 主控制芯片和EPM240 辅助控制芯片为关键元器件进行智能化高压开关控制器的设计。为今后进一步提升矿井供电系统的安全性、稳定性和可靠性奠定扎实的基础。