礦井低壓供電系統單相漏電保護系統的研究

王 毅

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

目前，煤礦低壓供電系統單相漏電事故頻發，對礦井安全生產帶來極大的安全隱患。并且，隨著物聯網技術的快速發展，在煤礦中也得到了許多應用，礦井中傳統無線通信存在覆蓋范圍小，維護成本高的缺陷，不利于“智慧礦山”工程的建設[1]。因此，本文利用最小二乘法，對礦井漏電系統進行合理設計，并利用WiFi無線通信技術將故障信息上傳至平臺，使技術人員的檢修工作得到簡化，實現對井下線路漏電情況的監測，保障井下工作人員與設備的安全。

1 單相漏電保護系統的設計

1.1 設計總體方案

礦井低壓供電系統的組成包括礦井漏電選線終端、云數據處理平臺以及監控顯示中心三大部分，其總體設計如圖1所示。

如圖1所示，圖中TMS320C6748DSP是漏電系統的主控CPU，其作用是將井下監測數據匯總整理，根據最小二乘法計算結果，做出指令，在系統漏電時切斷電路。ESP8266WiFi模塊是將數據傳送至OneNet云數據處理平臺。云平臺將數據存儲，為井上技術人員查看、處理數據提供便利，同時也保障了技術人員盡快發現問題，及時處理，保障礦井供電安全。

圖1 漏電保護系統總體設計圖

1.2 漏電選線算法

利用最小二乘法，對系統參數進行合理計算，將井下采集到的數據進行離散化，結合單相漏電系統的數學模型，對絕緣電阻序列進行合理設計，然后求出絕緣電阻的序列的平均值。若電路正常，則求出的對地參數為正值，若發生漏電事故，則求出的對地參數為負值。這種算法比較適合零序電流暫態信號與穩態信號，與其他算法相比，可靠性更高，結果更加精確。

2 漏電保護系統的硬件設計

2.1 信號調理電路設計

信號調理電路設計包括零序電壓信號和零序電流信號兩個部分[2]。其中，零序電壓信號電路設計如圖2所示。

圖2 零序電壓信號調理電路

由圖2可以看出，零序電壓信號調理電路采用ZM-PT120/1V型電壓互感器。信號通過二階低通濾波電路將高次諧波分量去除，防止高次諧波對零序電壓信號的影響。互感器二次側所采集的信號需要把信號輸入J-FET雙運放的TL082運算放大器，將收集的電壓信號放大，將采集的交流信號轉化為一個-3～0V的負直流信號，然后進一步處理，將信號轉化為0～3V的正直流信號，以滿足設備需求。另外，在圖中，R10～R12以及TL082所起的作用是將信號隔離并且能夠保持電路電壓，D1與D2所起的作用是限幅，以保障設備運行。

零序電流信號電路設計如圖3所示。

圖3 零序電流信號調理電路

由圖3可以看出，零序電流信號采用HS10-10A-P高精度電流互感器，其測量精度較高，使用效果更好。電路運行時，電流信號通過R1～R3轉化為電壓信號，然后再通過TL082處理轉化為零序電壓信號。之后，其處理方法與零序電壓信號調節電路相同，先將交流信號轉化為負直流信號，然后處理成為一個正直流信號，保障設備正常運行。

2.2 WiFi通信模塊外圍電路設計

圖4為ESP8266模塊外圍電路圖。由圖4可以看出，ESP8266模塊利用UART口與DSP相連，與其他WiFi芯片相比，該模塊功耗較小、集成度較高、適用范圍廣，工作時更加方便可靠，并且能夠與外部設備連接。圖中，TXD和RXD分別作為電纜的發送端和接收端，與DSP相連，可以保證ESP8266模塊與DSP的正常通信。ESP8266模塊工作時的正常電壓為3.3V，在R1引腳為高電平時，模塊可以正常運行，但是為低電平時，不能正常工作。

圖4 ESP8266模塊外圍電路圖

3 漏電保護系統的軟件設計

3.1 選線終端軟件設計

礦井漏電系統的選線終端軟件設計的目的是要在DSP開啟時將I/O端口初始化，并且啟動采樣程序和通信模塊，在漏電系統運行時，判斷系統運行是否正常，當低壓供電系統發生故障時，及時做出相應處理[3]。其軟件流程圖如圖5所示。

圖5 井下漏電選線終端程序流程圖

由圖5所示，系統開機后，首先進行初始化和自檢，輸入模擬電壓，經A/D采樣和WiFi模塊后，檢測零序電壓，判斷系統是否漏電，由前面分析可知，若求出對地參數為負值，則判斷系統漏電，辨識計算后，及時處理，進行斷電保護，并通過WiFi模塊向云平臺發送數據，等待技術人員進行進一步處理。

3.2 通信模塊與云處理平臺的軟件設計

WiFi通信模塊與OneNet云數據處理平臺之間的通信主要包括EDP和HTTP協議，EDP協議屬于長鏈接協議，是基于TCP協議基礎之上的，能夠保障數據的上傳；而HTTP協議屬于API通信的一部分，屬于雙向通信模式，既能實現數據的上傳，也能保證處理命令的下達。在本系統中，主要采用EDP協議。WiFi模塊的數據發送流程如圖6所示。

圖6 WiFi模塊流程圖

由圖6所示，模塊啟動后，利用“AT+CWMODE=1/r”命令，選擇模塊的應用模式，分別有服務器模式、客戶端模式以及雙重模式，選擇后模塊重新啟動，進入所選擇的模式，然后可設置WiFi的名稱和密碼，完成后，可設置傳輸模式，分別包括非透傳模式和透傳模式兩種，選擇成功后，可將收集到的數據有WiFi發送，發送成功則反饋“OK”命令，發送失敗則反饋“ERROR”命令，需重新發送。

3.3 井上監控系統的軟件設計

圖7 接入云平臺流程圖

井上監控系統軟件采用OneNet云數據平臺，OneNet云數據處理平臺由中國移動公司開發，是一款開放的物聯網平臺，可以實現數據信息之間的傳輸交換。OneNet云數據處理平臺有三種不同的通信方式，分別為GPRS數據流、無線WiFi和以特網通信。在井上，要接受井下傳輸的數據，就需要注冊一個平臺賬號，接入云平臺，其具體流程如圖7所示。

如圖7所示，井上操作時，首先要進行登錄注冊，然后新建項目、設備，增加數據流，之后查看數據，新增觸發器，最后添加APIkey，新建應用。井上可利用電腦登錄Web客戶端進行操作，完成以上流程時，就可以對井下低壓系統的漏電情況進行監測，及時處理發生的安全事故[4]。

4 結論

本文針對礦山井下低壓供電系統的實際情況，利用最小二乘法為該系統的漏電保護提出相應方案。該方案利用WiFi通信技術，將井下漏電選線終端和井上監測系統相結合，將井下采集的數據傳輸至井上云數據處理平臺，供井上技術人員查看并及時處理。該漏電保護系統將物聯網技術應用到煤礦生產中來，有效保障了礦井的生產安全，具有重要的工程實踐意義。