淺談煤礦井下無入值守變電所技術研究與應用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對目前煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)變電所供配電設備的監(jiān)控，未對變電所環(huán)境和人員進行監(jiān)測，存在無人值守安全隱患問題，提出了煤礦無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的技術架構，重要分析和研究了無人值守變電所環(huán)境監(jiān)測及聯(lián)動技術要求，介紹了無人值守變電所環(huán)境監(jiān)測和門禁聯(lián)動、語英聯(lián)動、環(huán)境聯(lián)動及視屏聯(lián)動技術的具體實施方案。無人值守變電所環(huán)境監(jiān)測及聯(lián)動技術的實施完善了煤礦無人值守變電所監(jiān)控技術，提高了煤礦供電的安全性和可靠性

關鍵詞：井下變電所；無人值守變電所；環(huán)境監(jiān)測；聯(lián)動技術

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，它的安全可靠運行是煤礦安全生產的基本保證。井下負荷種類繁多，區(qū)域分布廣，工作場所地質條件復雜，安全隱患多，故障排查、停送電周期長，供電故障嚴重影響了煤礦安全生產。隨著數(shù)字化礦山建設進程的逐步推進，煤礦用戶對井下變電所“無人值守，有人巡視”的需求變得比較迫切，但目前國內煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)主要解決供配電網絡的監(jiān)測監(jiān)控問題,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為基礎的煤礦井下無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)技術實現(xiàn)方案，以環(huán)境監(jiān)測、門禁聯(lián)動、語英對講、視屏監(jiān)控等技術手段，將多種不同業(yè)務數(shù)據流統(tǒng)一到同一軟件平臺上處理，實現(xiàn)自動邏輯判斷和協(xié)同控制，能達到真正意義上的無人值守變電所，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、無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)的技術架構

由于供電系統(tǒng)有嚴格的技術要求和管理規(guī)范，所以，以現(xiàn)有煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)為基礎，將無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網絡層、應用層、決策層4層結構方式實現(xiàn)，如圖1所示。

煤礦 安全 規(guī)程 標準 規(guī)范 技術 要求

決策層 事故應急管理 人員應急管理( 供電應急管理 安全監(jiān)控系統(tǒng) 人員定位系統(tǒng) 視屏監(jiān)控系統(tǒng) 電力監(jiān)控系統(tǒng) 應用層——數(shù)據共享交換平臺 數(shù)據抽取、轉換、裝載 服務總線 應用層—基礎層 數(shù)據庫管理系統(tǒng)： Oracle,Sq|Sever, Mysql等 操作系統(tǒng)系統(tǒng)：Windows,Linux, Unix 等 網絡層 數(shù)據通信網關 其他通信和末端系統(tǒng)) 網絡 GANBu Modu RFID 數(shù)據采集 感知層 運程終端單元R 數(shù)據終端設備D RFID] 其他智能 播像頭等 可編程控制PL

物理' 場所 安全 通信 安全 網絡 安全 應 用 層 安全， 狀態(tài) 監(jiān)控 容災 備份

管理規(guī)范

安全體系

圖1無人值守變電所監(jiān)控系統(tǒng)架構

感知層主要由智能開關、傳感器及其終端通信網絡組成，可實現(xiàn)電網參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及開關量信息采集，并與執(zhí)行終端智能結合，實現(xiàn)測控一體化。

網絡層包括物理通信網絡及其中間層通信設備，如監(jiān)控分站、通信管理機、聯(lián)動接入裝置等，主要解決系統(tǒng)數(shù)據傳輸問題，可利用現(xiàn)有的數(shù)據傳輸網絡來實現(xiàn)。

應用層包括基礎層、數(shù)據共享交換平臺?；A層可運行在Windows,Linux等操作系統(tǒng)上，支持Oracle,SqlSverver等數(shù)據庫管理系統(tǒng)。數(shù)據共享交換平臺包括數(shù)據抽取、轉換和歸一化等過程；服務總線進行實時的數(shù)據交換。

決策層包括數(shù)據分析、預警告警機制、控制邏輯以及預案處理等。本文主要介紹無人值守變電所環(huán)境監(jiān)測、門禁聯(lián)動、語英對講、視屏監(jiān)控等技術。

無人值守變電所的環(huán)境監(jiān)測技術

煤礦井下變電所內一些環(huán)境參數(shù)對變電所的安全運行至關重要，包括瓦斯、溫度、煙霧等參數(shù)，人員問題也是不容忽視的因素，因此，對變電所相關參數(shù)實施全面監(jiān)測十分必要。

2.1瓦斯監(jiān)測

變電所實行瓦斯監(jiān)測主要有兩方面的目的：一是監(jiān)測變電所環(huán)境中的瓦斯?jié)舛龋Ｕ献冸娝旧磉\行維護的安全；二是監(jiān)測開關饋電區(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鍵位置，通過現(xiàn)場總線(RS485,CAN)或模擬信號傳輸至系統(tǒng)聯(lián)動接入裝置，由該聯(lián)動接入裝置完成數(shù)據采集和通信協(xié)議轉換，*終傳輸至系統(tǒng)后臺進入實時數(shù)據庫。

2.2溫度監(jiān)測

變電所內設備比較集中，且設備發(fā)熱量較大，導致環(huán)境溫度相對較高，對環(huán)境實行溫度監(jiān)測，保證了設備運行的合理溫度條件。同時，可對發(fā)熱量大或易產生明火的設備單獨設置溫度傳感器進行監(jiān)測，預防事故發(fā)生。溫度傳感器應根據環(huán)境狀況及功能需求進行布置，溫度實時數(shù)據通過聯(lián)動裝置或電力監(jiān)控分站接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3煙霧監(jiān)測

變電所設備在受潮、接觸不良或故障狀況下可能導致放電或著火，產生煙霧，可通過煙霧傳感器進行監(jiān)測，防止事故進一步擴大。煙霧傳感器適當布置在靠近設備側，數(shù)據通過聯(lián)動裝置或電力監(jiān)控分站接入監(jiān)控系統(tǒng)。

2.4門禁監(jiān)測

人員管理也是實現(xiàn)無人值守變電所的關鍵點之一。門禁監(jiān)測采用行程開關、紅外線傳感器以及人員定位系統(tǒng)對進出變電所的人員實施嚴格監(jiān)管，對人員的進入、離開時間以及在變電所內活動狀況進行監(jiān)視和記錄，并能對巡視人員的巡視情況進行記錄考核。

2.5視屏監(jiān)視

在變電所無人值守情況下，地面集控中星的遠程監(jiān)控不僅要監(jiān)測電網數(shù)據，同時也要對變電所的設備、環(huán)境和人員能有直觀的視覺監(jiān)視，因此，在變電所中設置視屏攝像儀。一般在變電所中設置2臺攝像儀，一臺對出入變電所人員進行監(jiān)視，另一臺對變電所設備狀況進行監(jiān)視。

預警與聯(lián)動技術

通過對煤礦電力監(jiān)控軟件進行功能擴展與二次開發(fā)，使得煤礦電力監(jiān)控軟件能通過通信網絡獲得所有電網監(jiān)控之外的監(jiān)測數(shù)據，包括瓦斯、溫度、煙霧、門禁、語英、視屏等，軟件增加報警閾值設定功能、順序控制邏輯判斷功能、視屏解碼與云臺控制功能，并能在進行電網一次設備遠程操作之前完成環(huán)境數(shù)據邏輯處理和判斷，根據診斷結果發(fā)出聯(lián)動動作指令，變電所內的聲光、語英、顯示設備在收到指令后執(zhí)行動作或發(fā)出預警信號，并將執(zhí)行結果傳送到監(jiān)控后臺，監(jiān)控后臺可實時記錄、推送監(jiān)控畫面，發(fā)出語英告警和提示信息等。

3.1 環(huán)境聯(lián)動

系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，進行一系列閾值和邏輯判斷，如果有超限情況發(fā)生，系統(tǒng)將立即啟動緊急預案，并且向變電所附近的人員進行語英廣播，發(fā)出聲光報警，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，防止事故擴大，從而確保變電所運行安全。

3.2 門禁聯(lián)動

變電所電力監(jiān)控站中聯(lián)動模塊實時監(jiān)測門禁狀態(tài)，當人員進入時，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)控后臺自動記錄和錄像，并推送出變電所視屏圖像，系統(tǒng)管理員能及時了解人員活動，并可進行語英對講，從而實現(xiàn)變電所遠程監(jiān)控。

3.3 語英聯(lián)動

當系統(tǒng)診斷出有事件發(fā)生時，地面監(jiān)控后臺和變電所語英設備同時聯(lián)動，語英設備播報事件，將提醒相關人員及時處理。IP語英對講裝置采用VOIP語英通信技術，以UDP組播方式實時傳輸信號，可實現(xiàn)多方實時對講。

3.4 視屏聯(lián)動

當系統(tǒng)診斷出有事件發(fā)生時，推送出該變電所視屏，地面監(jiān)控后臺對事件發(fā)生的現(xiàn)場狀況進行影像錄像，以便事故回放和調查。攝像儀具備網絡接口，通過就地環(huán)網交換機或電力監(jiān)控分站接入系統(tǒng)，視屏數(shù)據采用客戶/服務器模式，以UDP組播方式傳輸至系統(tǒng)后臺，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，并結合邏輯控制算法實現(xiàn)變電所的視屏監(jiān)視。

無人值守變電所技術應用

煤礦無人值守變電所監(jiān)控技術在天地王坡礦數(shù)字化礦山系統(tǒng)中投入實際應用，該項目建立了電力分控中星平臺，實施了6個變電所的監(jiān)控。電力分控中星配置了連接服務器、屬性服務器、客戶端服務器和視屏服務器，并配備工程師工作站和EOW(超過操作員平臺),配置一套AC800M控制器實現(xiàn)與電力監(jiān)控站數(shù)據交互，所有電力監(jiān)控操作在EOW上實現(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語英報警裝置、KXB18聲光報警器、KXH32×128信號顯示牌等環(huán)境監(jiān)測和聯(lián)動設備。系統(tǒng)結構如圖2所示。

EOW

操作平臺i

核心交換機

工業(yè)環(huán)網

環(huán)網交換機

KJF991

KBA4

四聯(lián)動設備

KXFB2×128KXT23KG3007AKXB18

KONIGHW5

中央變電所

KJF99

三采區(qū)

變電所

KJF991

高壓開關

重量低壓開關

環(huán)網交換機

高壓開關

低壓開關

工程師工作站，

環(huán)網交換機

三采區(qū)變電所

22

KG3007AKXBI8

核心交換機

四聯(lián)動設備

四聯(lián)動設備

服務器

KG3007AKXBIX

KONIGHW5

KGNIGHW5

高壓開關

KBA4

KBA4

圖2無人值守變電所環(huán)境監(jiān)測與聯(lián)動系統(tǒng)實例

將變電所內的高壓開關綜合保護器改造為數(shù)字化微機綜合保護器，采用RS485信號線接入主站，這是實現(xiàn)井下無人值守變電所的通信基礎。

2路本安攝像儀通過光纖接入KJF99電力監(jiān)控站，實現(xiàn)在地面調度中星對井下變電所的遠程監(jiān)視，并通過軟件配合實現(xiàn)一系列視屏聯(lián)動功能。一旦有供電開關故障、變電所環(huán)境參數(shù)變化或有人員進入變電所，系統(tǒng)會自動切換至相關視屏信號，后臺值班人員可隨時掌握變電所的運行狀態(tài)，并可通過計算機麥克風直接與進入井下變電所的人員進行語英對話。語英通信裝置與KJF99電力監(jiān)控站間通過以太網方式連接，實現(xiàn)地面調度中星與井下變電所之間的語英報警功能，達到地面與井下變電所之間聲音信息同步的效果。

2路門禁開關量信號、2路紅外傳感器信號以電信號方式直接接人KJF99電力監(jiān)控站。門禁開關和紅外傳感器用于探測是否有人員進入該變電所，可與視屏信號實現(xiàn)聯(lián)動。煙霧、溫度等傳感器通過RS485總線接入KJF99電力監(jiān)控站，實時監(jiān)測變電所環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測聯(lián)動與閉鎖。一旦變電所發(fā)生溫度超限或火災，系統(tǒng)可實現(xiàn)自動跳閘閉鎖，保護供電安全。通過項目實施，天地王坡礦實現(xiàn)了變電所“五遙四聯(lián)動”功能，即遙信、遙調、遙測、遙控、遙視以及門禁聯(lián)動、語英聯(lián)動、視屏聯(lián)動、環(huán)境聯(lián)動，提高了井下變電所無人值守的安全性。

5、安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺

5.1 概述

基于互聯(lián)網＋、大數(shù)據、移動通訊等技術開發(fā)的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監(jiān)測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數(shù)、室內環(huán)境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現(xiàn)場設備或環(huán)境視屏場景等需求，實現(xiàn)數(shù)據一個中星，集中存儲、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

5.2 應用場所

適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)用衛(wèi)生、文體、教育科研、農林水利、商業(yè)服務、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統(tǒng)的新建、擴建和改建。

5.3 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測裝置、攝影頭、開關量采集裝置等。除攝影頭外，其它設備通過RS485總線接入現(xiàn)場智能網關RS485端口。

傳輸層：包含現(xiàn)場智能網關和交換機等設備。智能網關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據存儲，并通過交換機把數(shù)據上傳至服務器端口，網絡故障時數(shù)據可存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據，保證服務器端數(shù)據不丟失。

應用層：包含應用服務器和數(shù)據庫服務器，若變電所數(shù)量小于30個則應用服務器和數(shù)據庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定IP地址，以接收各智能網關主動傳送過來的數(shù)據。

展示層：用戶通過手機、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。

5.4 系統(tǒng)功能

5.4.1 用能月報

用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設置為月。

5.4.2 站點監(jiān)測

站點監(jiān)測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。

5.4.3 變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態(tài)數(shù)據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

5.4.4 運維

運維展示當前用戶管理的有關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關狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數(shù)查詢。

5.4.6 視屏監(jiān)控

視屏監(jiān)控展示了當前實時畫面（視屏直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視屏信息。

5.4.7 電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數(shù)和電能抄表的實時值及平均值行統(tǒng)計。

5.4.8 警報信息

對平臺所有警報信息進行分析。

5.4.9 任務管理

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

5.4.10 用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、警報事件等進行統(tǒng)計分析，并列出在該周期內巡檢時發(fā)現(xiàn)的各類缺失及處理情況。

審核編輯 黃宇