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关键词：井下变电所；无人值守变电所；环境监测；联动技术
0、引言
煤矿井下变电所是煤矿供配电系统的重要组成部分，它的安全可靠运行是煤矿安全生产的基本保证。井下负荷种类繁多，区域分布广，工作场所地质条件复杂，安全隐患多，故障排查、停送电周期长，供电故障严重影响了煤矿安全生产。随着数字化矿山建设进程的逐步推进，煤矿用户对井下变电所“无人值守，有人巡视”的需求变得比较迫切，但目前国内煤矿电力监控系统主要解决供配电网络的监测监控问题,而井下变电所仍然存在安全隐患，如变电所环境因素、人为因素等还未纳入系统监控范围，变电所内的安全监控范围尚需完善。为此，本文提出一种以层次架构为基础的煤矿井下无人值守变电所监控系统技术实现方案，以环境监测、门禁联动、语英对讲、视屏监控等技术手段，将多种不同业务数据流统一到同一软件平台上处理，实现自动逻辑判断和协同控制，能达到真正意义上的无人值守变电所，从而完善了现有的煤矿供电监控系统功能,提高了煤矿供电的安全性与可靠性。
1、无人值守变电所监控系统的技术架构
由于供电系统有严格的技术要求和管理规范，所以，以现有煤矿电力监控系统为基础，将无人值守变电所监控系统分为感知层、网络层、应用层、决策层4层结构方式实现，如图1所示。
煤矿 安全 规程 标准 规范 技术 要求 | 决策层 事故应急管理 人员应急管理( 供电应急管理 安全监控系统 人员定位系统 视屏监控系统 电力监控系统 应用层——数据共享交换平台 数据抽取、转换、装载 服务总线 应用层—基础层 数据库管理系统： Oracle,Sq|Sever, Mysql等 操作系统系统：Windows,Linux, Unix 等 网络层 数据通信网关 其他通信和末端系统) 网络 GANBu Modu RFID 数据采集 感知层 运程终端单元R 数据终端设备D RFID] 其他智能 播像头等 可编程控制PL | 物理' 场所 安全 通信 安全 网络 安全 应 用 层 安全， 状态 监控 容灾 备份 |
管理规范
安全体系
图1无人值守变电所监控系统架构
感知层主要由智能开关、传感器及其终端通信网络组成，可实现电网参数、环境参数以及开关量信息采集，并与执行终端智能结合，实现测控一体化。
网络层包括物理通信网络及其中间层通信设备，如监控分站、通信管理机、联动接入装置等，主要解决系统数据传输问题，可利用现有的数据传输网络来实现。
应用层包括基础层、数据共享交换平台。基础层可运行在Windows,Linux等操作系统上，支持Oracle,SqlSverver等数据库管理系统。数据共享交换平台包括数据抽取、转换和归一化等过程；服务总线进行实时的数据交换。
决策层包括数据分析、预警告警机制、控制逻辑以及预案处理等。本文主要介绍无人值守变电所环境监测、门禁联动、语英对讲、视屏监控等技术。
无人值守变电所的环境监测技术
煤矿井下变电所内一些环境参数对变电所的安全运行至关重要，包括瓦斯、温度、烟雾等参数，人员问题也是不容忽视的因素，因此，对变电所相关参数实施全面监测十分必要。
2.1瓦斯监测
变电所实行瓦斯监测主要有两方面的目的：一是监测变电所环境中的瓦斯浓度，保障变电所本身运行维护的安全；二是监测开关馈电区域的瓦斯浓度，保证停送电操作安全。瓦斯传感器安装在变电所的关键位置，通过现场总线(RS485,CAN)或模拟信号传输至系统联动接入装置，由该联动接入装置完成数据采集和通信协议转换，*终传输至系统后台进入实时数据库。
2.2温度监测
变电所内设备比较集中，且设备发热量较大，导致环境温度相对较高，对环境实行温度监测，保证了设备运行的合理温度条件。同时，可对发热量大或易产生明火的设备单独设置温度传感器进行监测，预防事故发生。温度传感器应根据环境状况及功能需求进行布置，温度实时数据通过联动装置或电力监控分站接入监控系统。
2.3烟雾监测
变电所设备在受潮、接触不良或故障状况下可能导致放电或着火，产生烟雾，可通过烟雾传感器进行监测，防止事故进一步扩大。烟雾传感器适当布置在靠近设备侧，数据通过联动装置或电力监控分站接入监控系统。
2.4门禁监测
人员管理也是实现无人值守变电所的关键点之一。门禁监测采用行程开关、红外线传感器以及人员定位系统对进出变电所的人员实施严格监管，对人员的进入、离开时间以及在变电所内活动状况进行监视和记录，并能对巡视人员的巡视情况进行记录考核。
2.5视屏监视
在变电所无人值守情况下，地面集控中星的远程监控不仅要监测电网数据，同时也要对变电所的设备、环境和人员能有直观的视觉监视，因此，在变电所中设置视屏摄像仪。一般在变电所中设置2台摄像仪，一台对出入变电所人员进行监视，另一台对变电所设备状况进行监视。
预警与联动技术
通过对煤矿电力监控软件进行功能扩展与二次开发，使得煤矿电力监控软件能通过通信网络获得所有电网监控之外的监测数据，包括瓦斯、温度、烟雾、门禁、语英、视屏等，软件增加报警阈值设定功能、顺序控制逻辑判断功能、视屏解码与云台控制功能，并能在进行电网一次设备远程操作之前完成环境数据逻辑处理和判断，根据诊断结果发出联动动作指令，变电所内的声光、语英、显示设备在收到指令后执行动作或发出预警信号，并将执行结果传送到监控后台，监控后台可实时记录、推送监控画面，发出语英告警和提示信息等。
3.1 环境联动
系统实时监测环境参数，进行一系列阈值和逻辑判断，如果有超限情况发生，系统将立即启动紧急预案，并且向变电所附近的人员进行语英广播，发出声光报警，提示该变电所发生意外状况，必要马上采取必要的控制措施，防止事故扩大，从而确保变电所运行安全。
3.2 门禁联动
变电所电力监控站中联动模块实时监测门禁状态，当人员进入时，触发红外传感器，监控站将信息上传至地面监控中星，监控后台自动记录和录像，并推送出变电所视屏图像，系统管理员能及时了解人员活动，并可进行语英对讲，从而实现变电所远程监控。
3.3 语英联动
当系统诊断出有事件发生时，地面监控后台和变电所语英设备同时联动，语英设备播报事件，将提醒相关人员及时处理。IP语英对讲装置采用VOIP语英通信技术，以UDP组播方式实时传输信号，可实现多方实时对讲。
3.4 视屏联动
当系统诊断出有事件发生时，推送出该变电所视屏，地面监控后台对事件发生的现场状况进行影像录像，以便事故回放和调查。摄像仪具备网络接口，通过就地环网交换机或电力监控分站接入系统，视屏数据采用客户/服务器模式，以UDP组播方式传输至系统后台，系统软件采用视屏解码SDK以及ActiveX控件显示界面上的控制视屏窗口，并结合逻辑控制算法实现变电所的视屏监视。
无人值守变电所技术应用
煤矿无人值守变电所监控技术在天地王坡矿数字化矿山系统中投入实际应用，该项目建立了电力分控中星平台，实施了6个变电所的监控。电力分控中星配置了连接服务器、属性服务器、客户端服务器和视屏服务器，并配备工程师工作站和EOW(超过操作员平台),配置一套AC800M控制器实现与电力监控站数据交互，所有电力监控操作在EOW上实现。各变电所中配置了KJF99电力监控站、KBA4本安摄像仪、GHW5本安型红外线传感器、KGN1烟雾传感器、KG3007A温度传感器、KXT23语英报警装置、KXB18声光报警器、KXH32×128信号显示牌等环境监测和联动设备。系统结构如图2所示。
EOW
操作平台i
核心交换机
工业环网
环网交换机
KJF991
KBA4
四联动设备
KXFB2×128KXT23KG3007AKXB18
KONIGHW5
中央变电所
KJF99
三采区
变电所
KJF991
高压开关
重量低压开关
环网交换机
高压开关
低压开关
工程师工作站，
环网交换机
三采区变电所
22
KG3007AKXBI8
核心交换机
四联动设备
四联动设备
服务器
KG3007AKXBIX
KONIGHW5
KGNIGHW5
高压开关
KBA4
KBA4
图2无人值守变电所环境监测与联动系统实例
将变电所内的高压开关综合保护器改造为数字化微机综合保护器，采用RS485信号线接入主站，这是实现井下无人值守变电所的通信基础。
2路本安摄像仪通过光纤接入KJF99电力监控站，实现在地面调度中星对井下变电所的远程监视，并通过软件配合实现一系列视屏联动功能。一旦有供电开关故障、变电所环境参数变化或有人员进入变电所，系统会自动切换至相关视屏信号，后台值班人员可随时掌握变电所的运行状态，并可通过计算机麦克风直接与进入井下变电所的人员进行语英对话。语英通信装置与KJF99电力监控站间通过以太网方式连接，实现地面调度中星与井下变电所之间的语英报警功能，达到地面与井下变电所之间声音信息同步的效果。
2路门禁开关量信号、2路红外传感器信号以电信号方式直接接人KJF99电力监控站。门禁开关和红外传感器用于探测是否有人员进入该变电所，可与视屏信号实现联动。烟雾、温度等传感器通过RS485总线接入KJF99电力监控站，实时监测变电所环境参数，实现环境监测联动与闭锁。一旦变电所发生温度超限或火灾，系统可实现自动跳闸闭锁，保护供电安全。通过项目实施，天地王坡矿实现了变电所“五遥四联动”功能，即遥信、遥调、遥测、遥控、遥视以及门禁联动、语英联动、视屏联动、环境联动，提高了井下变电所无人值守的安全性。
5、安科瑞AcrelCloud-1000变电所运维云平台
5.1 概述
基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视屏场景等需求，实现数据一个中星，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收警报，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。
5.2 应用场所
适用于电信、金融、交通、能源、医用卫生、文体、教育科研、农林水利、商业服务、公用事业等行业变配电运行维护系统的新建、扩建和改建。
5.3 系统结构
系统可分为四层：即感知层、传输层、应用层和展示层。
感知层：包含变电所安装的多功能仪表、温湿度监测装置、摄影头、开关量采集装置等。除摄影头外，其它设备通过RS485总线接入现场智能网关RS485端口。
传输层：包含现场智能网关和交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过交换机把数据上传至服务器端口，网络故障时数据可存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。
应用层：包含应用服务器和数据库服务器，若变电所数量小于30个则应用服务器和数据库服务器可以合一配置。服务器需要具备固定IP地址，以接收各智能网关主动传送过来的数据。
展示层：用户通过手机、平板、电脑等多终端的方式访问平台信息。
5.4 系统功能
5.4.1 用能月报
用能月报支持用户按总用电量、变电站名称、变电站编号等查询所管理站所的用电量，查询跨度可设置为月。
5.4.2 站点监测
站点监测包括概况、运行状态、当日事件记录、当日逐时用电曲线、用电概况。
5.4.3 变压器状态
变压器状态支持用户查询所有或某个站所的变压器功率、负荷率、等运行状态数据，支持按负荷率、功率等升、降序排名。
5.4.4 运维
运维展示当前用户管理的有关变电所在地图上位置及总量信息。
5.4.5 配电图
配电图展示被选中的变电所的配电信息，配电图显示各回路的开关状态、电流等运行状态及信息，支持电压、电流、功率等详细运行参数查询。
5.4.6 视屏监控
视屏监控展示了当前实时画面（视屏直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视屏信息。
5.4.7 电力运行报表
电力运行报表显示选定站所选定设备各回路采集间隔运行参数和电能抄表的实时值及平均值行统计。
5.4.8 警报信息
对平台所有警报信息进行分析。
5.4.9 任务管理
任务管理页面可以发布巡检或消缺任务，查看巡检或消缺任务的状态和完成情况，可以点击查看任务查看具体的巡检信息。
5.4.10 用户报告
用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、警报事件等进行统计分析，并列出在该周期内巡检时发现的各类缺失及处理情况。
5.4.11 APP监测
电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”、“缺失记录”、“文档管理”和“用户报告”七大模块，支持一次图、需量、用电量、视屏、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件警报查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询、用户报告、文档管理等。
5.5 系统硬件配置
应用场合 | 型号 | 外观图 | 型号、规格 |
变电所运维云平台 | AcrelCloud-1000 |
| AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视屏场景等需求，实现数据一个中星，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收警报，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。 |
网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
中压进线 | AM6-L |
| 三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护 |
APM810 |
| 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种警报类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示； | |
中压进线 | APView500 |
| 相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯 2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。 |
中压馈线 | AM6-L |
| 三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护 |
APM810 |
| 三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种警报类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示； | |
低压进线 | AEM96 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1。5(6)A，有功电能精度0。5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露 |
低压出线 | AEM72 |
| 三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1。5(6)A,有功电能精度0。5S级，无功电能精度2级 |
ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0。5S级 | |
无线测温 | ATE-400 |
| 合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A,测温范围－50-125℃,测量精度±1℃;传输距离空旷150米 |
ATC-600 |
| 两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m,ATC600-C可接收ATE系列传感器、 AHE等传输的数据，1路485,2路警报出口。 | |
环境温湿度 | WHD |
| WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和湿度调节控制。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40。0℃～99。9℃工作湿度：0RH～99RH |
水浸传感器 | RS-SJ-*-2 |
| 接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：－20℃+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点。 |
摄影机 | CS-C5C-3B1WFR |
| 支持720P高清图像，*高支持分辨率可达到130万像素（1280*960)内置麦克风与扬声器具有语英双向对讲功能，支持萤石云互联网服务，通过手机、PC等终端实现远程互动和视屏观看。 |
烟雾传感器 | BRJ-307 |
| 光电式烟雾传感：电源正极（DC12V):+12V 继电器输出：常开触点 |
门禁 | MC-58(常开型） |
| 常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度，干接点输出。 |
配套附件 | ARTU-K16 |
| 常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出 |
KDYA-DG30-24K |
| 输出DC24V;24V电源 |
6、结语
随着数字化矿山建设步伐进一步加快，煤矿对井下无人值守变电所的需求将越来越多，无人值守变电所环境监测和联动技术完善了煤矿井下无人值
守变电所监控系统功能，为矿山供电提供了安全保障，必将得到广泛的应用和推广，也为煤矿电力监控系统技术的发展以及煤矿变电所建设提供了技术保证。
7、参考文献
[1]王彦文，高彦.煤矿供电技术[M].北京：中国矿业大学出版社，2012.
[2]乔淑云，李德臣，邵晓根.煤矿电网灾害监控预警系统的设计与实现[J].工矿自动化，2009,35(1):57-59.
[3]王敏，杨旭彬.无人值守变电所在煤矿井下的应用[J].煤，2012,21(4):30-31.
[4]钱继学.基于PLC的井下变电所自动控制系统应用[J].煤矿机械，2011(6):231-233.
[5]高建勋，周丹.变电站视屏及环境监控系统在SCADA系统中的应用[J].电力系统通信，2011,32(228):39-43.
[6]王海波，史友仁.煤矿电力监控系统的研究与应用[J].工矿自动化，2009,35(7):130-132.
[7]王金华,煤矿井下无人值守变电所技术研究与应用
[8]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2019,11版。
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