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淺談礦井下變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用研究

發(fā)布時間： 2023-11-06　　點擊次數(shù)： 344次

摘要：在從構成和設計原則兩個方面對煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)進行介紹和分析的基礎上，深入探究無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用，詳細分析其應用功能和應用價值，以期為無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用提供借鑒，提高煤礦的管理水平。

關鍵詞：煤礦；采區(qū)變電所；無人值守；監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

近年來，雖然中國已經(jīng)開始控制煤炭開采速度，但是煤炭在中國經(jīng)濟社會發(fā)展中所起到的作用仍舊是不容忽視，因此需要重視煤礦的開采和運輸。煤礦井下采區(qū)變電所是為煤礦的開采和運輸服務，在煤礦井下采區(qū)變電所應用無人值守監(jiān)控系統(tǒng)對于煤礦的開采和運輸具有重要意義，要予以高度重視。

1煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)構成

煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)由三個部分組成，分別是地面監(jiān)控中心、遠距離傳輸信道和井下分站及測控單元(即綜保遠動裝置)。簡單來說，就是地面監(jiān)控中心相當于總指揮，由煤礦井下采區(qū)的各個測控單元進行具體監(jiān)控，然后通過遠距離傳輸信道與煤礦井下分站進行數(shù)據(jù)和信息的匯總和傳輸。

無人值守監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面上位機、傳輸信道、煤礦井下采區(qū)變電所通訊分站和煤礦井下采區(qū)變電所高低壓防爆開關構成。煤礦井下采區(qū)變電所高低壓防爆開關的信息由485通訊傳輸?shù)矫旱V井下采區(qū)變電所分站，再由煤礦井下采區(qū)變電所分站進行匯總后通過CAN總線傳輸?shù)降孛嫔衔粰C，*后地面上位機中的“組態(tài)王"工控軟件對煤礦井下采區(qū)變電所高低壓防爆開關進行實時監(jiān)控，掌握高低壓防爆開關的實際狀況，從而真正實現(xiàn)遙測、遙信、遙控和遙調這四個功能。

1.2煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則

a)煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)實質上是電網(wǎng)調度自動化中的子系統(tǒng)。因此，無人值守監(jiān)控系統(tǒng)需要要符合電網(wǎng)調度自動化的整體設計要求，并在具體設計過程中，能夠在將成本控制在一定額度的同時，遵守高質、安全的信息傳輸和資源共享的原則；

b)在設計煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)具體功能時，可以遵守下放原則，即將一切能夠在間隔層進行的功能都下放到間隔層，省略傳輸?shù)骄W(wǎng)絡和監(jiān)控主機的環(huán)節(jié)，節(jié)省再次傳輸?shù)臅r間，提高工作效率；

c)兼?zhèn)溥h方和就地兩種控制操作，以就地控制輔助遠方控制，并設定在同一個時間內僅能選擇一種控制方式，避免二者發(fā)生沖突；

d)推動保護和測控的一體化，保證保護功能能夠獨立運行，提高動作的可靠性；

e)以測量的準確度為設計的重點，使用交流采樣技術，并通過計算機進行信號的實時監(jiān)控，保證信息采集的精準度，增強信息的實時性和真實性；

f)由于煤礦井下采區(qū)變電所中的電磁場是很強的，會產(chǎn)生很大的干擾，所以在設計過程中，需要要對電磁干擾進行深入思考，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，比如選擇光纖作為通信介質；

g)由于該系統(tǒng)強調“無人值守",因此推動保護和測控的一體化可以一定程度上簡化相對復雜的設備，從而縮減設備的維護成本；

h)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的目的是將煤礦井下采區(qū)變電所有人值守的工作模式轉變?yōu)闊o人值守，所以為了

保證系統(tǒng)的安全性，需要要推行遙視警戒技術的實施，避免盜竊、浸水等問題的發(fā)生。

2煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

2.1模擬量交流采集電路的設計

2.1.1互感器的選擇

為了提高煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的精度，微機保護部分和測量部分的模擬量輸入通道選擇了分開設計的形式，其中微機保護部分選了P級電壓電流互感器，以更好地滿足微機保護的快速性。測量部分選擇了精度高的電壓電流互感器，其精度可以達到0.1級。對漏電保護中三相線路的零序電流和零序電壓選擇了零序電流互感器與零序電壓互感器。

2.1.2A/D轉換器的選取

煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)中選擇了DSP(數(shù)字信號處理)內嵌A/D轉換器，其精度為12位，具有12.5MS/s的轉換速率，能夠成功接入16通道模擬量。圖1描述的是模擬量交流采集電路。

2.2開關量輸入輸出回路設計

在煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)中，開關量輸入模塊的主要任務是完成對現(xiàn)場線路中隔離開關和斷路器運

多路開關

A/DDSP

多路開關

圖1模擬量輸入通道結構圖

電壓信號電流信號

零序電壓信號零序電流信號

電壓/電流互感器

零序電壓/零序電流互感器

前置模擬濾波

采樣保持

電壓形成

行狀態(tài)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。而開關量輸出模塊則是收集地面監(jiān)控中心的遙控指令，并對相應回路的跳閘或合閘進行控制。開關量輸入輸出模塊設計過程中選擇了光電耦合器，其可以降低來自于大電流、現(xiàn)場高電壓對微機系統(tǒng)造成的電磁干擾。

2.3其他模塊

2.3.1電源模塊

電源模塊選擇了帶失壓延時功能的寬電壓輸入、高可靠性開關電源的供電方式，在正常工作狀態(tài)下由控制變壓器引入。

2.3.2顯示模塊

顯示模塊可以完成保護裝置的鍵盤處理、信息顯示和人機交互、紅外遙控接收等功能。顯示窗口選擇了4.3英寸的漢字液晶顯示器，同時配備了燈光指示信息，其不僅可以使人機界面清晰易懂，而且還可以更為直觀地呈現(xiàn)出保護裝置的運行信息。同時，顯示模塊可以借助按鈕、鍵盤和紅外遙控器來完成一系列操作，使操作方便、可靠、安全。

3煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控軟件系統(tǒng)選擇C語言進行編程，由主程序和一系列功能模塊子程序構成模塊化結構設計。功能模塊子程序包括了測控部分計算模塊、系統(tǒng)初始化模塊、顯示模塊、人機接口模塊、故障處理模塊、中斷服務模塊、串行通信中斷模塊等。主程序既可以完成裝置自檢和系統(tǒng)初始化等任務，還可以完成電流、功率、電壓等因數(shù)的計算和液晶顯示、溫度測量及鍵盤掃描等操作。由于欠壓和過壓保護并未對時間提出較高的要求，因此也可以借助

主程序完成。采樣中斷模塊需要完成對模擬量的采集，并且每個通道的采集都需要分別保存差分數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)。采樣中斷程序中每完成一個采樣周期都需要調用一次故障檢測模塊，以確保系統(tǒng)安全、高效運行。

4煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用

4.1煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用功能

煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠應用于無人值守變電所，而且能夠促進改進傳統(tǒng)變電所。無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用功能十分多樣，下面從保護功能、報警功能、測控功能、軟功能件及其他功能五個方面進行分析。

a)保護功能。煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)電流瞬時速斷和速斷，而且能夠很大程度地避免漏電，并通過自動重合閘對系統(tǒng)和設備進行保護，實現(xiàn)過電流保護和電機保護；

b)報警功能。煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)對電流進行了設置，一旦電流超過限制額度就會自動報警。另外，無人值守監(jiān)控系統(tǒng)還會對斷路器和瓦斯進行監(jiān)控和監(jiān)測，如果斷路器發(fā)生故障或瓦斯超過限定額度，該無人值守監(jiān)控系統(tǒng)也會發(fā)出警報，提醒地面監(jiān)控中心及時處理問題和故障；

c)測控功能。應用煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)遙信、遙調、遙控及交流采樣遙測的測控功能；

d)軟件功能。煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)除了能夠對主接線圖及設備運行狀況進行遠程監(jiān)視、及時顯示綜合自動化裝置傳輸?shù)母鞣N遙信數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)外，還可以對設備的狀況進行實時監(jiān)測，憑借邏輯識別對自動分合閘下達命令并進行控制。同時，無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能還對故障和問題進行遠

程診斷及對各種事故、越限、報警進行詳細記錄等；

e)其他功能。煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)除了具備上述保護、報警、測控、軟件功能外，還具備事故錄波等功能，通過交流采樣技術進行動態(tài)跟蹤，省略直流變送器的環(huán)節(jié)，詳細記錄故障波型，分辨故障種類和位置，遠程掌控變電所的實際狀況

4.2煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用價值

煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用對于經(jīng)濟效益、社會效益和技術水平的提高均具有積極意義。

a)應用該無人值守監(jiān)控系統(tǒng)之后，煤礦值班人員可以根據(jù)實際情況使用地面監(jiān)控主機對生產(chǎn)進行調控和管理，設備維修人員也能夠依據(jù)相應的故障報警對故障予以針對性的解決，主要的是管理層可以憑借無人值守監(jiān)控系統(tǒng)提供的詳細數(shù)據(jù)和各種信息提高決策的合理性和科學性；

b)煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用可以有效促進煤礦生開采和運輸?shù)挠行蜻M行，降低由于操作失誤而導致事故發(fā)生的幾率，據(jù)現(xiàn)階段調查研究可以得出，該無人值守監(jiān)控系統(tǒng)可以降低六成～八成的事故；

c)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)中使用的優(yōu)質工業(yè)控制機不僅可以增強煤礦井下采區(qū)變電所的可靠性，保證變電所的安全，提升變電所解決問題和事故的能力，而且能夠彌補低壓開關存在的顯示方面和記憶存儲方面的不足；

d)煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)在實際應用過程中，憑借系統(tǒng)操作簡便、維護難度低、自動化水平高的優(yōu)勢，為煤礦井下采區(qū)變電所節(jié)約了大量人力、物力和財力，減少了維護設備和系統(tǒng)所需的人數(shù)。詳細來說，在應用該無人值守監(jiān)控系統(tǒng)時，變電所僅安排相應的巡視人員就可以滿足需要，相比于原本的人員安排，變電所就可以減少4名員工，如果以年計算，每一個變電所則可以節(jié)省大約6×10?元的人工工時運行費用。另外，應用該無人值守監(jiān)控系統(tǒng)每年還可以降低八成左右的停電事故，提高煤礦的開采總量和開采效率，促使每年的煤礦開采總量增加1×10?t左右，進而增加500×10?元的經(jīng)濟收益。

總之，煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)控系統(tǒng)具有很高的應用價值，在應用該無人值守監(jiān)控系統(tǒng)之后，可以有效增強地面對井下采區(qū)的控制，在及時發(fā)現(xiàn)問題和故障的同時，為問題和故障的處理提供了更多時間，提高監(jiān)控監(jiān)測的可靠程度，并為煤礦井下供電系統(tǒng)的自動化管理提供了可能。

5安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

5.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了堅實的保障。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

5.3系統(tǒng)架構

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。

5.4.2電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

5.4.3曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

5.4.4運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數(shù)。

5.4.5實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

5.4.6歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.4.7電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。

5.4.8用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

5.4.9網(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。

5.4.10電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。

5.4.11遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。

5.4.12故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

5.4.13事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。

5.4.14Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

5.4.15APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

5.5系統(tǒng)硬件配置

應用場合	型號	圖片	保護功能
電力監(jiān)控系統(tǒng)	Acrel- 2000Z		電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
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 微機保護裝置	AM6-AM5SE-		適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護
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 高壓柜智能操控、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 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；

35kV/10kV/6kV 高壓柜除凝露溫濕度控制器	WHD72面板式	支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。
35kV/10kV/6kV 高壓柜除凝露溫濕度控制器	WHD20R導軌式	支持測量并顯示2路溫度，2路濕度。
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；
0.4KV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；
0.4KV低壓進出線柜接頭測溫	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；
0.4KV低壓柜內環(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）
0.4KV低壓柜內環(huán)境溫濕度	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。
0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表	AEM96	三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表	AEM72	三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級