【解決方案】煤礦井下無(wú)人值守變電所技術(shù)研究

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0、引言

  煤礦井下變電所是煤礦供配電系統(tǒng)的重要組成部分，它的安全可靠運(yùn)行是煤礦安全生產(chǎn)的基本保證。井下負(fù)荷種類(lèi)繁多，區(qū)域分布廣，工作場(chǎng)所地質(zhì)條件復(fù)雜，安全隱患多，故障排查、停送電周期長(zhǎng)，供電故障嚴(yán)重影響了煤礦安全生產(chǎn)。隨著數(shù)字化礦山建設(shè)進(jìn)程的逐步推進(jìn)，煤礦用戶(hù)對(duì)井下變電所“無(wú)人值守，有人巡視"的需求變得比較迫切，但目前國(guó)內(nèi)煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)主要解決供配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控問(wèn)題,而井下變電所仍然存在安全隱患，如變電所環(huán)境因素、人為因素等還未納入系統(tǒng)監(jiān)控范圍，變電所內(nèi)的安全監(jiān)控范圍尚需完善。為此，本文提出一種以層次架構(gòu)為基礎(chǔ)的煤礦井下無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，以環(huán)境監(jiān)測(cè)、門(mén)禁聯(lián)動(dòng)、語(yǔ)英對(duì)講、視屏監(jiān)控等技術(shù)手段，將多種不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流統(tǒng)一到同一軟件平臺(tái)上處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邏輯判斷和協(xié)同控制，能達(dá)到真*意義上的無(wú)人值守變電所，從而完善了現(xiàn)有的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)功能,提高了煤礦供電的安全性與可靠性。

1、無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

  由于供電系統(tǒng)有嚴(yán)格的技術(shù)要求和管理規(guī)范，所以，以現(xiàn)有煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、決策層4層結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.無(wú)人值守變電所的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

  煤礦井下變電所內(nèi)一些環(huán)境參數(shù)對(duì)變電所的安全運(yùn)行至關(guān)重要，包括瓦斯、溫度、煙霧等參數(shù)，人員問(wèn)題也是不容忽視的因素，因此，對(duì)變電所相關(guān)參數(shù)實(shí)施全*監(jiān)測(cè)十分必要。

2.1瓦斯監(jiān)測(cè)

  變電所實(shí)行瓦斯監(jiān)測(cè)主要有兩方面的目的：一是監(jiān)測(cè)變電所環(huán)境中的瓦斯?jié)舛?，保障變電所本身運(yùn)行維護(hù)的安全；二是監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)饋電區(qū)域的瓦斯?jié)舛龋ＷC停送電操作安全。瓦斯傳感器安裝在變電所的關(guān)鍵位置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(RS485,CAN)或模擬信號(hào)傳輸至系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)接入裝置，由該聯(lián)動(dòng)接入裝置完成數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，*終傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2溫度監(jiān)測(cè)

  變電所內(nèi)設(shè)備比較集中，且設(shè)備發(fā)熱量較大，導(dǎo)致環(huán)境溫度相對(duì)較高，對(duì)環(huán)境實(shí)行溫度監(jiān)測(cè)，保證了設(shè)備運(yùn)行的合理溫度條件。同時(shí)，可對(duì)發(fā)熱量大或易產(chǎn)生明火的設(shè)備單獨(dú)設(shè)置溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)防事故發(fā)生。溫度傳感器應(yīng)根據(jù)環(huán)境狀況及功能需求進(jìn)行布置，溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)聯(lián)動(dòng)裝置或電力監(jiān)控分站接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3煙霧監(jiān)測(cè)

  變電所設(shè)備在受潮、接觸不良或故障狀況下可能導(dǎo)致放電或著火，產(chǎn)生煙霧，可通過(guò)煙霧傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。煙霧傳感器適當(dāng)布置在靠近設(shè)備側(cè)，數(shù)據(jù)通過(guò)聯(lián)動(dòng)裝置或電力監(jiān)控分站接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2.4門(mén)禁監(jiān)測(cè)

  人員管理也是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守變電所的關(guān)鍵點(diǎn)之一。門(mén)禁監(jiān)測(cè)采用行程開(kāi)關(guān)、紅外線傳感器以及人員定位系統(tǒng)對(duì)進(jìn)出變電所的人員實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)管，對(duì)人員的進(jìn)入、離開(kāi)時(shí)間以及在變電所內(nèi)活動(dòng)狀況進(jìn)行監(jiān)視和記錄，并能對(duì)巡視人員的巡視情況進(jìn)行記錄考核。

2.5視屏監(jiān)視

  在變電所無(wú)人值守情況下，地面集控中星的遠(yuǎn)程監(jiān)控不僅要監(jiān)測(cè)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)也要對(duì)變電所的設(shè)備、環(huán)境和人員能有直觀的視覺(jué)監(jiān)視，因此，在變電所中設(shè)置視屏攝像儀。一般在變電所中設(shè)置2臺(tái)攝像儀，一臺(tái)對(duì)出入變電所人員進(jìn)行監(jiān)視，另一臺(tái)對(duì)變電所設(shè)備狀況進(jìn)行監(jiān)視。

3.預(yù)警與聯(lián)動(dòng)技術(shù)

  通過(guò)對(duì)煤礦電力監(jiān)控軟件進(jìn)行功能擴(kuò)展與二次開(kāi)發(fā)，使得煤礦電力監(jiān)控軟件能通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)獲得所有電網(wǎng)監(jiān)控之外的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括瓦斯、溫度、煙霧、門(mén)禁、語(yǔ)英、視屏等，軟件增加報(bào)警閾值設(shè)定功能、順序控制邏輯判斷功能、視屏解碼與云臺(tái)控制功能，并能在進(jìn)行電網(wǎng)一次設(shè)備遠(yuǎn)程操作之前完成環(huán)境數(shù)據(jù)邏輯處理和判斷，根據(jù)診斷結(jié)果發(fā)出聯(lián)動(dòng)動(dòng)作指令，變電所內(nèi)的聲光、語(yǔ)英、顯示設(shè)備在收到指令后執(zhí)行動(dòng)作或發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并將執(zhí)行結(jié)果傳送到監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)可實(shí)時(shí)記錄、推送監(jiān)控畫(huà)面，發(fā)出語(yǔ)英告警和提示信息等。

3.1 環(huán)境聯(lián)動(dòng)

  系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行一系列閾值和邏輯判斷，如果有超限情況發(fā)生，系統(tǒng)將立即啟動(dòng)緊急預(yù)案，并且向變電所附近的人員進(jìn)行語(yǔ)英廣播，發(fā)出聲光報(bào)警，提示該變電所發(fā)生意外狀況，必要馬上采取必要的控制措施，防止事故擴(kuò)大，從而確保變電所運(yùn)行安全。

3.2 門(mén)禁聯(lián)動(dòng)

  變電所電力監(jiān)控站中聯(lián)動(dòng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門(mén)禁狀態(tài)，當(dāng)人員進(jìn)入時(shí)，觸發(fā)紅外傳感器，監(jiān)控站將信息上傳至地面監(jiān)控中星，監(jiān)控后臺(tái)自動(dòng)記錄和錄像，并推送出變電所視屏圖像，系統(tǒng)管理員能及時(shí)了解人員活動(dòng)，并可進(jìn)行語(yǔ)英對(duì)講，從而實(shí)現(xiàn)變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.3 語(yǔ)英聯(lián)動(dòng)

  當(dāng)系統(tǒng)診斷出有事件發(fā)生時(shí)，地面監(jiān)控后臺(tái)和變電所語(yǔ)英設(shè)備同時(shí)聯(lián)動(dòng)，語(yǔ)英設(shè)備播報(bào)事件，將提醒相關(guān)人員及時(shí)處理。IP語(yǔ)英對(duì)講裝置采用VOIP語(yǔ)英通信技術(shù)，以UDP組播方式實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)多方實(shí)時(shí)對(duì)講。

3.4 視屏聯(lián)動(dòng)

  當(dāng)系統(tǒng)診斷出有事件發(fā)生時(shí)，推送出該變電所視屏，地面監(jiān)控后臺(tái)對(duì)事件發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行影像錄像，以便事故回放和調(diào)查。攝像儀具備網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)就地環(huán)網(wǎng)交換機(jī)或電力監(jiān)控分站接入系統(tǒng)，視屏數(shù)據(jù)采用客戶(hù)/服務(wù)器模式，以UDP組播方式傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)，系統(tǒng)軟件采用視屏解碼SDK以及ActiveX控件顯示界面上的控制視屏窗口，并結(jié)合邏輯控制算法實(shí)現(xiàn)變電所的視屏監(jiān)視。

4.無(wú)人值守變電所技術(shù)應(yīng)用

  煤礦無(wú)人值守變電所監(jiān)控技術(shù)在天地王坡礦數(shù)字化礦山系統(tǒng)中投入實(shí)際應(yīng)用，該項(xiàng)目建立了電力分控中星平臺(tái)，實(shí)施了6個(gè)變電所的監(jiān)控。電力分控中星配置了連接服務(wù)器、屬性服務(wù)器、客戶(hù)端服務(wù)器和視屏服務(wù)器，并配備工程師工作站和EOW(超過(guò)操作員平臺(tái)),配置一套AC800M控制器實(shí)現(xiàn)與電力監(jiān)控站數(shù)據(jù)交互，所有電力監(jiān)控操作在EOW上實(shí)現(xiàn)。各變電所中配置了KJF99電力監(jiān)控站、KBA4本安攝像儀、GHW5本安型紅外線傳感器、KGN1煙霧傳感器、KG3007A溫度傳感器、KXT23語(yǔ)英報(bào)警裝置、KXB18聲光報(bào)警器、KXH32×128信號(hào)顯示牌等環(huán)境監(jiān)測(cè)和聯(lián)動(dòng)設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2無(wú)人值守變電所環(huán)境監(jiān)測(cè)與聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例

  將變電所內(nèi)的高壓開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)器改造為數(shù)字化微機(jī)綜合保護(hù)器，采用RS485信號(hào)線接入主站，這是實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人值守變電所的通信基礎(chǔ)。

  2路本安攝像儀通過(guò)光纖接入KJF99電力監(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)在地面調(diào)度中星對(duì)井下變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)視，并通過(guò)軟件配合實(shí)現(xiàn)一系列視屏聯(lián)動(dòng)功能。一旦有供電開(kāi)關(guān)故障、變電所環(huán)境參數(shù)變化或有人員進(jìn)入變電所，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至相關(guān)視屏信號(hào)，后臺(tái)值班人員可隨時(shí)掌握變電所的運(yùn)行狀態(tài)，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)麥克風(fēng)直接與進(jìn)入井下變電所的人員進(jìn)行語(yǔ)英對(duì)話(huà)。語(yǔ)英通信裝置與KJF99電力監(jiān)控站間通過(guò)以太網(wǎng)方式連接，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度中星與井下變電所之間的語(yǔ)英報(bào)警功能，達(dá)到地面與井下變電所之間聲音信息同步的效果。

  2路門(mén)禁開(kāi)關(guān)量信號(hào)、2路紅外傳感器信號(hào)以電信號(hào)方式直接接人KJF99電力監(jiān)控站。門(mén)禁開(kāi)關(guān)和紅外傳感器用于探測(cè)是否有人員進(jìn)入該變電所，可與視屏信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。煙霧、溫度等傳感器通過(guò)RS485總線接入KJF99電力監(jiān)控站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電所環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)與閉鎖。一旦變電所發(fā)生溫度超限或火災(zāi)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳閘閉鎖，保護(hù)供電安全。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，天地王坡礦實(shí)現(xiàn)了變電所“五遙四聯(lián)動(dòng)"功能，即遙信、遙調(diào)、遙測(cè)、遙控、遙視以及門(mén)禁聯(lián)動(dòng)、語(yǔ)英聯(lián)動(dòng)、視屏聯(lián)動(dòng)、環(huán)境聯(lián)動(dòng)，提高了井下變電所無(wú)人值守的安全性。

5.安科瑞AcrelCloud-1000變電所運(yùn)維云平臺(tái)

5.1概述

 基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺(tái)，滿(mǎn)足用戶(hù)或運(yùn)維公司監(jiān)測(cè)眾多變電所回路運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運(yùn)行溫度、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個(gè)*心，集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶(hù)通過(guò)電腦、手機(jī)、PAD等各類(lèi)終端鏈接訪問(wèn)、接收?qǐng)?bào)警，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

 適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)*衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應(yīng)用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測(cè)裝置、攝像頭、開(kāi)關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設(shè)備通過(guò)RS485總線接入現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

應(yīng)用層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個(gè)則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

展示層：用戶(hù)通過(guò)手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問(wèn)平臺(tái)信息。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1用能月報(bào)

 用能月報(bào)支持用戶(hù)按總用電量、變電站名稱(chēng)、變電站編號(hào)等查詢(xún)所管理站所的用電量，

5.4.2站點(diǎn)監(jiān)測(cè)

 站點(diǎn)監(jiān)測(cè)包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時(shí)用電曲線、用電概況。

5.4.3變壓器狀態(tài)

 變壓器狀態(tài)支持用戶(hù)查詢(xún)所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4運(yùn)維

 運(yùn)維展示當(dāng)前用戶(hù)管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

5.4.5配電圖

 配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運(yùn)行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)查詢(xún)。

5.4.6視頻監(jiān)控

 視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

5.4.7電力運(yùn)行報(bào)表

 電力運(yùn)行報(bào)表顯示選定站所選定設(shè)備各回路采集間隔運(yùn)行參數(shù)和電能抄表的實(shí)時(shí)值及平均值行統(tǒng)計(jì)。

5.4.8報(bào)警信息

 對(duì)平臺(tái)所有報(bào)警信息進(jìn)行分析。

5.4.9任務(wù)管理

 任務(wù)管理頁(yè)面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.4.10用戶(hù)報(bào)告

 用戶(hù)報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的各類(lèi)缺陷及處理情況。

5.4.11APP監(jiān)測(cè)

 電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"、“缺陷記錄"、“文檔管理"和“用戶(hù)報(bào)告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢(xún)，設(shè)備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)、用戶(hù)報(bào)告、文檔管理等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6、結(jié)語(yǔ)

  隨著數(shù)字化礦山建設(shè)步伐進(jìn)一步*快，煤礦對(duì)井下無(wú)人值守變電所的需求將越來(lái)越多，無(wú)人值守變電所環(huán)境監(jiān)測(cè)和聯(lián)動(dòng)技術(shù)完善了煤礦井下無(wú)人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)功能，為礦山供電提供了安全保障，必將得到廣泛的應(yīng)用和推廣，也為煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展以及煤礦變電所建設(shè)提供了技術(shù)保證。

7、參考文獻(xiàn)

[1]王彥文，高彥.煤礦供電技術(shù)[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2]喬淑云，李德臣，邵曉根.煤礦電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化，2009,35(1):57-59.

[3]王敏，楊旭彬.無(wú)人值守變電所在煤礦井下的應(yīng)用[J].煤，2012,21(4):30-31.

[4]錢(qián)繼學(xué).基于PLC的井下變電所自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2011(6):231-233.

[5]高建勛，周丹.變電站視屏及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2011,32(228):39-43.

[6]王海波，史友仁.煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2009,35(7):130-132.

[7]王金華,煤礦井下無(wú)人值守變電所技術(shù)研究與應(yīng)用

[8]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用設(shè)計(jì),2019,11版。