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——數據共享交換平臺 數據抽取、轉換、裝載 服務總線 應用層—基礎層 數據庫管理系統(tǒng)： Oracle,Sq|Sever, Mysql等 操作系統(tǒng)系統(tǒng)：Windows,Linux, Unix 等 網絡層 數據通信網關 其他通信和末端系統(tǒng)) 網絡 GANBu Modu RFID 數據采集 感知層 運程終端單元R 數據終端設備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、環(huán)境參數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)數據傳輸問題，可利用現(xiàn)有的數據傳輸網絡來實現(xiàn)。

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

決策層包括數據分析、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)境參數對變電所的安全運行至關重要，包括瓦斯、溫度、煙霧等參數，人員問題也是不容忽視的因素，因此，對變電所相關參數實施全面監(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?，保障變電所本身運行維護的安全；二是監(jiān)測開關饋電區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，保證停送電操作安全。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，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，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、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)場設備層設備的數據，并可進行規(guī)約轉換，數據存儲，并通過交換機把數據上傳至服務器端口，網絡故障時數據可存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

應用層：包含應用服務器和數據庫服務器，若變電所數量小于30個則應用服務器和數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據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、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