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您的位置：網(wǎng)站首頁 > 技術文章 > 淺析井下采區(qū)無人值守變電所綜合自動化系統(tǒng)設計及應用 安科瑞 陳聰
摘要：介紹基于以太網(wǎng)系統(tǒng)構建的煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有遠程監(jiān)控和通信功能、遠程調控和保護功能、統(tǒng)計查詢和反饋功能、門禁管理等功能。應用實踐表明，該系統(tǒng)真正實現(xiàn)井下采區(qū)變電所的無人值守，有著顯著的社會與經濟效益。
關鍵詞：煤礦；采區(qū)變電所；無人值守；自動監(jiān)控
目前，煤礦供電設備和電力監(jiān)控系統(tǒng)日趨完善，不僅實現(xiàn)了井下變電所的無人值守，也實現(xiàn)了視頻監(jiān)控功能。煤礦井下變電所主要包括水平主變電所和采區(qū)變電所，水平主變電主要承擔井下采掘、通風、供電、排水系統(tǒng)的配電工作，而采區(qū)變電所主要服務于該采區(qū)的各生產環(huán)節(jié)所需用電。采區(qū)變電所相比于水平主變電所而言，由于受采區(qū)位置的限制，更容易遭受煤塵、瓦斯和水火等有害介質的影響，故此事故率較高且采區(qū)變電所故障排查難度大，停送電周期長，對采區(qū)的安全供電有一定程度的影響。目前，我國絕大多數(shù)礦井的采區(qū)變電所采用傳統(tǒng)人工值守方式進行管理，但受到變電所供電系統(tǒng)復雜性的影響，一旦采區(qū)變電所出現(xiàn)故障，值守人員處理不及時，必然會對生產造成影響，甚至引發(fā)重大安全事故。隨著煤礦設備集約化、大功率化和智能化的發(fā)展，對采區(qū)變電所的供電質量提出了更高的要求。因此，常村煤礦與移動通信公司聯(lián)合研發(fā)了采區(qū)變電所自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)，將監(jiān)控、保護和無人值守進行融合，真正實現(xiàn)了采區(qū)變電所的無人值守和高效管理。
1變電所自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)結構
常村煤礦為實現(xiàn)井下采區(qū)變電所無人值守，首先要對采區(qū)變電所進行實施監(jiān)控，且能夠及時自動處理故障、定位故障和報警，因此，采區(qū)變電所自動監(jiān)控無人值守需要滿足對變電所的監(jiān)測監(jiān)控、保護等功能。研究設計的采區(qū)變電所自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)主要可分為3個部分，即地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下傳輸 系統(tǒng)和綜保監(jiān)測反饋遠動裝置。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括可視液晶屏，可實時顯示變電所內所監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，井下傳輸系統(tǒng)主要包括RS485通信線路、變電所設備監(jiān)控通信分站、CAN光纜通信總線等，監(jiān)測控制單元主要是指所需監(jiān)測的各類機電設備，主要監(jiān)測設備的電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)。另外，為了避免閑雜人員進入變電所和檢修人員及時進入變電所處理故障，該系統(tǒng)增加了門禁管系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電所人員進出的有效管理。其工作原理為：監(jiān)測控制單元將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS485通信線路傳輸至變電所分站，各分站數(shù)據(jù)經CAN光纜通信總線傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控人員根據(jù)監(jiān)控情況發(fā)出指令，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、遠程通信和遠程調控，真正實現(xiàn)了采區(qū)變電所自動監(jiān)控無人值守。
2系統(tǒng)功能和特點
2.1遠程監(jiān)控和通信功能
平地監(jiān)控系統(tǒng)所用監(jiān)控主機采用內存64MB的型號為PIII500的處理器，處理功能強大，且監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)監(jiān)控主機退出工作時也可不影響井下監(jiān)控的功能，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，實時掌握監(jiān)控設備的電壓、電流、功率因數(shù)等相關參數(shù)和存在的故障類型，且設備運行狀態(tài)以數(shù)據(jù)或者圖標的形式在地面 監(jiān)控系統(tǒng)平臺上顯示。
2.2遠程調控和保護功能
監(jiān)控人員通過地面監(jiān)控系統(tǒng)可以實時掌握變電所設備運行狀態(tài)，當監(jiān)測到某臺監(jiān)測設備出現(xiàn)故障時，監(jiān)控人員可遠程實施調控，如可遠程對高低壓電纜開關進行斷電和送電操作，對綜保設備進行復位操作等。
2.3統(tǒng)計查詢和反饋功能
該自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，監(jiān)控人員可實時調出近期設備運行數(shù)據(jù)參數(shù)。另外，該系統(tǒng)具有故障報警和反饋功能，若監(jiān)控人員未及時觀看監(jiān)控屏時，所監(jiān)控設備出現(xiàn)故障后會發(fā)出警報，警報信息則通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳至地面監(jiān)控系統(tǒng)，避免了平地值守人員因疏忽等原因未及時查看監(jiān)控系統(tǒng)而引起的安全事故。
2.4門禁管理功能
對無人值守的變電所而言，若關門加鎖容易則造成檢修人員處理故障滯后，因此自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)將門禁管理納入其中，首先對礦井能夠進入變電所的專職檢修人員進行人像采集，當專職人員需要進入變電所時，檢修人員只需將面部對準變電所門口安設的攝像頭進行人像識別，通過人像識別后，變 電所門將自動開啟，檢修人員可直接進入。該過程始終在地面監(jiān)控系統(tǒng)中顯示且變電所門開關可由監(jiān)控人員地面遙控，如因攝像頭故障等因素導致無法進入人像識別，檢修人員可通過語音通話進行確認，監(jiān)控人員遠程遙控開啟。
2.5軟件功能
無人值守系統(tǒng)涉及的軟件主要有監(jiān)控主機所用Windows系統(tǒng)以及采用SCADA數(shù)據(jù)編寫的各類實用軟件。實用軟件可實現(xiàn)監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)報表繪制、參數(shù)設置、報警信息回饋、參數(shù)記錄、系統(tǒng)維護、數(shù)據(jù)打印、個別領導和部門分控等功能。
3 效益分析
常村煤礦秉持“機械化換人，自動化減人”的發(fā)展理念，對井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)進行技術改造，系統(tǒng)投入運 行取得良好的生產效果，體現(xiàn)出顯著的社會與經濟效益，主要具有以下幾方面優(yōu)點。
系統(tǒng)投入運行后變電所無需專人值守，監(jiān)控人員可以根據(jù)變電所設備狀況進行調控和管理，維修人員只需根據(jù)監(jiān)控人員調令進入變電所，提升了工作效率。
大幅度降低了因工人操作失誤造成故障的概率。另外，通過應用自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)，可實時顯示監(jiān)測設備故障類型和故障位置，減少了檢修人員排查故障的難度和時間。
通過系統(tǒng)的軟件功能、信息反饋功能等可對一段時期內的設備運行參數(shù)進行統(tǒng)計分析，同時可對事故率進行統(tǒng)計分析，有助于合理制定檢修制度和確定檢修工作。
系統(tǒng)投入運行后，大幅提升變電所的自動化與智能化水平，檢修維護成本降低，節(jié)約大量的人力與物力。另外，通過該系統(tǒng)的應用，掌握設備運行故障規(guī)律，重新制定了檢修工作計劃，變電所每年可節(jié)省材料費用4萬元；提高了煤礦開采量，采面每年增加產量2萬t，按照當前煤價 450元/t計算，可提前增加收入900萬元。
Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設備包括監(jiān)控主機，提供站內運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監(jiān)控功能。
針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡結構，站控層網(wǎng)絡采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡采用單網(wǎng)雙機熱備配置。
4.2應用場所
適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制管理。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。
監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1）事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。
事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。
次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。
2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。
3）開關事故跳閘到次數(shù)或開關拉閘到次數(shù)，推出報警信息，提示用戶檢修。
4）報警方式。
報警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報警信息。
操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。
操作控制分為四級：
控制，設備就地檢修控制。具有優(yōu)先的控制權。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開關放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現(xiàn)場操作。
級控制，間隔層后備控制。其與三級控制的切換在間隔層完成。
三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。
四級控制，遠方控制，優(yōu)先。
原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。
納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關及帶電動機構的接地開關；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。
3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設備進行定時控制操作，設定啟動和關閉時間，完成定時控制。
4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出?？刂戚敵龅慕狱c為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。
系統(tǒng)設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權限的權限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。
5系統(tǒng)硬件配置
| 應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | |
| 35kV變電站綜合自動化系統(tǒng) | Acrel- 1000 |
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網(wǎng)絡運行，實現(xiàn)無人值班模式；根據(jù)順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協(xié)助運維人員實現(xiàn)快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；實時采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數(shù)，對配電系統(tǒng)和用電設備進行用能分析和能效管理 | |
| 網(wǎng)關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數(shù)據(jù)傳輸、支持標準8GBSD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數(shù)據(jù)；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC220V，導軌式安裝。 | |
| 35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； | |
| ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | |||
| ARB5-S |
| 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； | ||
| 35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 | |
| 35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； | |
| 35kV/10kV/ 6kV傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
| 35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； | |
| 變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； | |
| 變壓器接頭測溫低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | |
| ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | ||
| 柜內環(huán)境溫濕度 | AHE100 |
| 無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發(fā)射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換） | |
| ATC600 |
| 兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，1路485,2路報警出口。 | ||
| 應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | 其他功能 |
| 35kV/10kV/ 6kV進線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | 操作回路、 雙以太網(wǎng)口、 雙485口、 2路4-20mA變 送輸出、 故障錄波、 GPS對時、 全電量測量 直流量測量 |
| 35kV/10kV/ 6kV饋線 | AM6-L | 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | ||
| 35kV主變 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 兩圈變/三圈變差動速斷保護、比例制動差動保護； | ||
| AM6-TB | 變壓器后備保護測控、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、非電量保護、啟動通風保護、PT斷線告警、遙調升檔、遙調降檔、遙調急停； | |||
| 35kV/10kV/ 6kV廠用變 | AM6-S | 三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、零序過流、過負荷保護（告警/跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、非電量保護； | ||
| 35kV電機 （2000kW以上） | AM6-MD | 差動速斷保護、比例差動保護、過流、過負荷、堵轉等電機綜合保護； | ||
| 10kV/6kV 異步電機 | AM6-M | 兩段式過流/零序過流/負序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、低電壓保護、PT斷線告警、堵轉保護、啟動超時、熱過載保護、電壓不平衡； | ||
| 35kV/10kV/6kV PT監(jiān)測 | AM6-UB | PT并列/解列、PT監(jiān)測； | ||
| 10kV/6kV 電容器 | AM6-C | 兩段式過流/零序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、PT斷線告警、過電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護； | ||
| 35kV/10kV/ 6kV母聯(lián) | AM6-B | 兩進線備投/母聯(lián)備投/自適應備投、聯(lián)切備投、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過負荷聯(lián)切/告警、檢同期、合環(huán)保護； |
井下采區(qū)變電所自動監(jiān)控無人值守系統(tǒng)實現(xiàn)了井下采區(qū)變電所集保護、監(jiān)控一體化。系統(tǒng)投入運行后，大幅提升井下變電所智能化水平和安全可靠性，減少了變電所事故率和故障影響時間，也減少了大量的人力、財力和物力的投入，體現(xiàn)出顯著的社會與經濟效益，保障了礦井的安全生產。
[1]侯剛.紅柳林煤礦智能化無人值守系統(tǒng)的設計及應用[J]．煤炭工程，2018，50(50)：21-24.
[2]楊順利.井下采區(qū)無人值守變電所綜合自動化系統(tǒng)設計.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版．
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