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更新時間：2024-07-22 
瀏覽次數：750安科瑞 陳聰
摘要：介紹基于以太網系統構建的煤礦井下采區變電所無人值守監控系統，該系統具有遠程監控和通信功能、遠程調控和保護功能、統計查詢和反饋功能、門禁管理等功能。應用實踐表明，該系統真正實現井下采區變電所的無人值守，有著顯著的社會與經濟效益。
關鍵詞：煤礦；采區變電所；無人值守；自動監控
目前，煤礦供電設備和電力監控系統日趨完善，不僅實現了井下變電所的無人值守，也實現了視頻監控功能。煤礦井下變電所主要包括水平主變電所和采區變電所，水平主變電主要承擔井下采掘、通風、供電、排水系統的配電工作，而采區變電所主要服務于該采區的各生產環節所需用電。采區變電所相比于水平主變電所而言，由于受采區位置的限制，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變電所故障排查難度大，停送電周期長，對采區的安全供電有一定程度的影響。目前，我國絕大多數礦井的采區變電所采用傳統人工值守方式進行管理，但受到變電所供電系統復雜性的影響，一旦采區變電所出現故障，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展，對采區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合研發了采區變電所自動監控無人值守系統，將監控、保護和無人值守進行融合，真正實現了采區變電所的無人值守和高效管理。
1變電所自動監控無人值守系統結構
常村煤礦為實現井下采區變電所無人值守，首先要對采區變電所進行實施監控，且能夠及時自動處理故障、定位故障和報警，因此，采區變電所自動監控無人值守需要滿足對變電所的監測監控、保護等功能。研究設計的采區變電所自動監控無人值守系統主要可分為3個部分，即地面監控系統、井下傳輸 系統和綜保監測反饋遠動裝置。地面監控系統主要包括可視液晶屏，可實時顯示變電所內所監控設備的運行狀態，井下傳輸系統主要包括RS485通信線路、變電所設備監控通信分站、CAN光纜通信總線等，監測控制單元主要是指所需監測的各類機電設備，主要監測設備的電壓、電流、功率因數等參數。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，該系統增加了門禁管系統，實現了變電所人員進出的有效管理。其工作原理為：監測控制單元將監測數據通過RS485通信線路傳輸至變電所分站，各分站數據經CAN光纜通信總線傳輸至地面監控系統，監控人員根據監控情況發出指令，實現了遠程監控、遠程通信和遠程調控，真正實現了采區變電所自動監控無人值守。
2系統功能和特點
2.1遠程監控和通信功能
平地監控系統所用監控主機采用內存64MB的型號為PIII500的處理器，處理功能強大，且監控系統可實現監控主機退出工作時也可不影響井下監控的功能，可以實現遠程監控，實時掌握監控設備的電壓、電流、功率因數等相關參數和存在的故障類型，且設備運行狀態以數據或者圖標的形式在地面 監控系統平臺上顯示。
2.2遠程調控和保護功能
監控人員通過地面監控系統可以實時掌握變電所設備運行狀態，當監測到某臺監測設備出現故障時，監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統計查詢和反饋功能
該自動監控無人值守系統可對數據進行監測的同時實現數據存儲，監控人員可實時調出近期設備運行數據參數。另外，該系統具有故障報警和反饋功能，若監控人員未及時觀看監控屏時，所監控設備出現故障后會發出警報，警報信息則通過數據傳輸系統傳至地面監控系統，避免了平地值守人員因疏忽等原因未及時查看監控系統而引起的安全事故。
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，因此自動監控無人值守系統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控系統中顯示且變電所門開關可由監控人員地面遙控，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，監控人員遠程遙控開啟。
2.5軟件功能
無人值守系統涉及的軟件主要有監控主機所用Windows系統以及采用SCADA數據編寫的各類實用軟件。實用軟件可實現監控操作、數據報表繪制、參數設置、報警信息回饋、參數記錄、系統維護、數據打印、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”的發展理念，對井下采區變電所無人值守監控系統進行技術改造，系統投入運 行取得良好的生產效果，體現出顯著的社會與經濟效益，主要具有以下幾方面優點。
系統投入運行后變電所無需專人值守，監控人員可以根據變電所設備狀況進行調控和管理，維修人員只需根據監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，通過應用自動監控無人值守系統，可實時顯示監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進行統計分析，同時可對事故率進行統計分析，有助于合理制定檢修制度和確定檢修工作。
系統投入運行后，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，節約大量的人力與物力。另外，通過該系統的應用，掌握設備運行故障規律，重新制定了檢修工作計劃，變電所每年可節省材料費用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控系統在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統實現連接。站控層設備包括監控主機，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站監控，并與遠方監控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能。
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，監控系統由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。
4.2應用場所
適用于公共建筑、工業建筑、居住建筑等各行業35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統運行監視和控制管理。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。
監控系統具有事故報警功能。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、狀態異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1）事故報警。事故狀態方式時，事故報警立即發出音響報警（報警音量任意調節），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或開關拉閘到次數，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。監控系統具有操作監護功能，允許監護人員在操作員工作站上實施監護，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、執行，并在站級層設置操作員、監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）監控系統的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，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，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。
5系統硬件配置
| 應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | |
| 35kV變電站綜合自動化系統 | Acrel- 1000 |
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網絡運行，實現無人值班模式；根據順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協助運維人員實現快速故障分析、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，對配電系統和用電設備進行用能分析和能效管理 | |
| 網關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持斷點續傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GBSD卡（32GB）、支持不同協議向多平臺轉發數據；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。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域； | ||
| 35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監測 | 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、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，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以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議。 | |
| 35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態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、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傳輸的數據，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、合環保護、斷路器失靈保護； | 操作回路、 雙以太網口、 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監測 | AM6-UB | PT并列/解列、PT監測； | ||
| 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 | AM6-B | 兩進線備投/母聯備投/自適應備投、聯切備投、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過負荷聯切/告警、檢同期、合環保護； |
井下采區變電所自動監控無人值守系統實現了井下采區變電所集保護、監控一體化。系統投入運行后，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的設計及應用[J]．煤炭工程，2018，50(50)：21-24.
[2]楊順利.井下采區無人值守變電所綜合自動化系統設計.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版．
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