礦井高壓開關控制器的優化設計

張小平

（潞安化工集團電力事業部， 山西 長治 046200）

引言

供電系統為煤礦生產的主要動力源，供電系統的穩定性直接決定煤礦生產的效率和安全性。高壓開關是對煤礦變電站自動化系統進行信息采集、傳輸、處理和數字化輸出的關鍵設備。在當前綜采設備自動化水平和采煤工藝不斷提升的背景下對礦井高壓開關的性能提出了更高要求，以保證其能夠為變電所提供穩定的電源，并能夠根據實際工況完成自我監測、自我診斷以及自我控制功能的實現[1]。為滿足上述要求，本文將重點對礦井高壓開關的控制器進行優化設計。

1 礦井高壓開關控制器的總體優化設計

1.1 高壓開關功能

礦井高壓開關為煤礦供電系統中輸變電的重要組成部分，主要實現對變電站相關信息的采集、處理和傳輸等功能。簡單地說，高壓開關柜是一個自動化、智能化的組合，其具備對現場工作裝置實時運行狀態的顯示、實時故障的顯示、相關參數的實時查詢等功能。礦井高壓開關柜的總體結構如圖1 所示。

圖1 礦井高壓開關柜總體結果示意圖

一般情況下，高壓開關柜能夠實現自我保護功能，包括對過流、超壓、欠壓以及接地故障等情況；能夠實現自我診斷功能，即根據系統所監測到的數據對特別的故障進行預判，對系統使用壽命進行評估等。

1.2 高壓開關控制器的總體設計原則

高壓開關控制器的優化設計需參照IEC61850 國際標準中的相關規范和條例進行。從整體上講，優化后的高壓開關控制器能夠實現數據采集、信息通信和傳輸的智能化控制，并實現對高壓開關運行狀態的實時在線監測和相關故障的自我診斷功能[2]。

2 高壓開關控制器的優化設計

本節將重點從硬件和軟件兩個層面完成高壓開關控制器的優化設計。

2.1 硬件設計

SCM 模塊為高壓開關控制器的核心，該模塊基于高壓開關控制柜所發出的相關指令對高壓隔離開關進行開啟、閉合和停止等控制[3]。SCM 模塊所獲取的指令主要為角度傳感器所發送的關于角度的電壓信號。SCM 模塊的硬件結果如圖2 所示。

圖2 高壓開關控制器SCM 模塊的硬件總體設計

如圖 2 所示，SCM 模塊中除了其核心的STM32F103 核心控制芯片和型號為EPM240 的輔助控制芯片外，還包括有電機控制電路、溫度檢測電路、濕度檢測電路、角度測量裝置等。本節將重點對上述的硬件電路及關鍵裝置進行設計。

2.1.1 電機控制電路

實現對SCM 模塊中電機的控制的主要器件為電力開關器件。可選的電力開關器件包括有固態繼電器和電磁繼電器。鑒于固態繼電器為無觸點開關器件，與電磁繼電器相比具有較高的穩定性和可靠性[4]。因此，本文項目采用固態繼電器為核心實現對SCM 模塊中電機的控制功能。固態繼電器的內部結構如圖3所示。

圖3 固態繼電器內部結構

2.1.2 溫濕度檢測器件的選型

結合一般工業中應用較為廣泛的溫濕度檢測器件，本項目采用DS18B20 型數字式溫度傳感器和AM2301 的數字式濕度傳感模塊對現場的溫濕度進行檢測。其中，DS18B20 的溫度測量范圍為-55～+125 ℃之間，溫度測量精度為0.5 ℃。在實際應用中該溫度傳感器可通過PVC 電纜直接與控制器相連，使用相對方便。AM2301 濕度檢測模塊內部不僅集成了濕感元件，而且還集成了測溫元件，可實現對溫度和濕度的同時檢測；且該模塊具有較強的抗干擾性能，能夠適用于煤礦相對惡劣的生產環境。

2.1.3 角度測量裝置的選型

結合以往實踐經驗，旋轉變壓器具有較強的抗干擾能力，可在惡劣的環境中穩定運行且測量精度不受影響。因此，本項目采用旋轉變壓器作為測角裝置。旋轉變壓器的主要功能是對隔離開關轉軸的旋轉角度進行測量，測量所得電壓數據經過AD2S90 數字變化器進行處理后傳送至SCM 模塊[5]。

2.2 軟件設計

高壓開關控制器的軟件包括有主程序和各數據采集模塊的程序設計。

2.2.1 控制器主程序的設計

結合礦井高壓開關的實際工作情況，完成控制器主程序的設計。所設計的主程序流程如圖4 所示。

由圖4 可知，系統進入主控制程序且完成初始化狀態后，對電源、溫濕度、開關量檢測功能是否能夠正常運行進行判定；判定正常后對遠方還是就地控制的模式進行判定，并按照預定的程序開始下一階段的流程；而后根據隔離開關主軸的旋轉角度、電流范圍門限等綜合因素判定階段的工作流程，直至電路斷開后整個控制流程結束。

圖4 高壓開關控制器主程序流程

2.2.2 數據采集模塊的程序設計

以AM2301 溫濕度檢測模塊的功能實現為例，對該模塊的實施軟件流程設計如圖5 所示。

圖5 AM2301 濕度檢測模塊的軟件流程

如圖5 所示，在系統初始化功能實現后，對濕度檢測模塊所讀取的數據在釋放總線響應完成后正式傳輸，期間還需對所傳輸數據的準確性進行判定；判定正確后對系統實時顯示的數據進行更新，從而實現對濕度的采集。

3 結語

供電系統為保證煤礦高效、安全生產的動力基礎，煤礦供電系統包括有變電所、變壓器以及高壓開關等從系統級到設備的元器件。本文以高壓開關控制器為例開展研究，重點對傳統高壓開關控制器響應速度慢、控制精度不高且自動化水平偏低的問題，基于SCM 模塊并以 STM32F103RBT6 主控制芯片和EPM240 輔助控制芯片為關鍵元器件進行智能化高壓開關控制器的設計。為今后進一步提升礦井供電系統的安全性、穩定性和可靠性奠定扎實的基礎。