浅析井下采区无人值守变电所综合自动化系统设计及应用

摘要：介绍基于以太网系统构建的煤矿井下采区变电所无人值守监控系统，该系统具有远程监控和通信功能、远程调控和保护功能、统计查询和反馈功能、门禁管理等功能。应用实践表明，该系统真正实现井下采区变电所的无人值守，有着显著的社会与经济效益。

关键词：煤矿；采区变电所；无人值守；自动监控

0引言

目前，煤矿供电设备和电力监控系统日趋完善，不仅实现了井下变电所的无人值守，也实现了视频监控功能。煤矿井下变电所主要包括水平主变电所和采区变电所，水平主变电主要承担井下采掘、通风、供电、排水系统的配电工作，而采区变电所主要服务于该采区的各生产环节所需用电。采区变电所相比于水平主变电所而言，由于受采区位置的限制，更容易遭受煤尘、瓦斯和水火等有害介质的影响，故此事故率较高且采区变电所故障排查难度大，停送电周期长，对采区的安全供电有一定程度的影响。目前，我国绝大多数矿井的采区变电所采用传统人工值守方式进行管理，但受到变电所供电系统复杂性的影响，一旦采区变电所出现故障，值守人员处理不及时，必然会对生产造成影响，甚至引发重大安全事故。随着煤矿设备集约化、大功率化和智能化的发展，对采区变电所的供电质量提出了更高的要求。因此，常村煤矿与移动通信公司联合研发了采区变电所自动监控无人值守系统，将监控、保护和无人值守进行融合，真正实现了采区变电所的无人值守和高效管理。

1变电所自动监控无人值守系统结构

常村煤矿为实现井下采区变电所无人值守，首先要对采区变电所进行实施监控，且能够及时自动处理故障、定位故障和报警，因此，采区变电所自动监控无人值守需要满足对变电所的监测监控、保护等功能。研究设计的采区变电所自动监控无人值守系统主要可分为3个部分，即地面监控系统、井下传输 系统和综保监测反馈远动装置。地面监控系统主要包括可视液晶屏，可实时显示变电所内所监控设备的运行状态，井下传输系统主要包括RS485通信线路、变电所设备监控通信分站、CAN光缆通信总线等，监测控制单元主要是指所需监测的各类机电设备，主要监测设备的电压、电流、功率因数等参数。另外，为了避免闲杂人员进入变电所和检修人员及时进入变电所处理故障，该系统增加了门禁管系统，实现了变电所人员进出的有效管理。其工作原理为：监测控制单元将监测数据通过RS485通信线路传输至变电所分站，各分站数据经CAN光缆通信总线传输至地面监控系统，监控人员根据监控情况发出指令，实现了远程监控、远程通信和远程调控，真正实现了采区变电所自动监控无人值守。

2系统功能和特点

2.1远程监控和通信功能

平地监控系统所用监控主机采用内存64MB的型号为PIII500的处理器，处理功能强大，且监控系统可实现监控主机退出工作时也可不影响井下监控的功能，可以实现远程监控，实时掌握监控设备的电压、电流、功率因数等相关参数和存在的故障类型，且设备运行状态以数据或者图标的形式在地面 监控系统平台上显示。

2.2远程调控和保护功能

监控人员通过地面监控系统可以实时掌握变电所设备运行状态，当监测到某台监测设备出现故障时，监控人员可远程实施调控，如可远程对高低压电缆开关进行断电和送电操作，对综保设备进行复位操作等。

2.3统计查询和反馈功能

该自动监控无人值守系统可对数据进行监测的同时实现数据存储，监控人员可实时调出近期设备运行数据参数。另外，该系统具有故障报警和反馈功能，若监控人员未及时观看监控屏时，所监控设备出现故障后会发出警报，警报信息则通过数据传输系统传至地面监控系统，避免了平地值守人员因疏忽等原因未及时查看监控系统而引起的安全事故。

2.4门禁管理功能

对无人值守的变电所而言，若关门加锁容易则造成检修人员处理故障滞后，因此自动监控无人值守系统将门禁管理纳入其中，首先对矿井能够进入变电所的专职检修人员进行人像采集，当专职人员需要进入变电所时，检修人员只需将面部对准变电所门口安设的摄像头进行人像识别，通过人像识别后，变 电所门将自动开启，检修人员可直接进入。该过程始终在地面监控系统中显示且变电所门开关可由监控人员地面遥控，如因摄像头故障等因素导致无法进入人像识别，检修人员可通过语音通话进行确认，监控人员远程遥控开启。

2.5软件功能

无人值守系统涉及的软件主要有监控主机所用Windows系统以及采用SCADA数据编写的各类实用软件。实用软件可实现监控操作、数据报表绘制、参数设置、报警信息回馈、参数记录、系统维护、数据打印、个别领导和部门分控等功能。

3 效益分析

常村煤矿秉持“机械化换人，自动化减人”的发展理念，对井下采区变电所无人值守监控系统进行技术改造，系统投入运 行取得良好的生产效果，体现出显著的社会与经济效益，主要具有以下几方面优点。

1. 系统投入运行后变电所无需专人值守，监控人员可以根据变电所设备状况进行调控和管理，维修人员只需根据监控人员调令进入变电所，提升了工作效率。
2. 大幅度降低了因工人操作失误造成故障的概率。另外，通过应用自动监控无人值守系统，可实时显示监测设备故障类型和故障位置，减少了检修人员排查故障的难度和时间。
3. 通过系统的软件功能、信息反馈功能等可对一段时期内的设备运行参数进行统计分析，同时可对事故率进行统计分析，有助于合理制定检修制度和确定检修工作。
4. 系统投入运行后，大幅提升变电所的自动化与智能化水平，检修维护成本降低，节约大量的人力与物力。另外，通过该系统的应用，掌握设备运行故障规律，重新制定了检修工作计划，变电所每年可节省材料费用4万元；提高了煤矿开采量，采面每年增加产量2万t，按照当前煤价 450元/t计算，可提前增加收入900万元。

4安科瑞Acrel-1000变电站综合自动化系统

4.1方案综述

Acrel-1000变电站综合自动化监控系统在逻辑功能上由站控层、间隔层二层设备组成，并用分层、开放式网络系统实现连接。站控层设备包括监控主机，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全站监控，并与远方监控、调度通信；间隔层由若干个二次子系统组成，在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。

针对工程具体情况，设计方案具有高可靠性，易于扩充和友好的人机界面，性能价格比优越，监控系统由站控层和间隔层两部分组成，采用分层分布式网络结构，站控层网络采用TCP/IP协议的以太网。站控层网络采用单网双机热备配置。

4.2应用场所

适用于公共建筑、工业建筑、居住建筑等各行业35kV以下电压等级的用户端配、用电系统运行监视和控制管理。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

Acrel-1000变电站综合自动化系统，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。

4.4.2报警处理

监控系统具有事故报警功能。事故报警包括非正常操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号；预告报警包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量或温度量越限等。

1）事故报警。事故状态方式时，事故报警立即发出音响报警（报警音量任意调节），操作员工作站的显示画面上用颜色改变并闪烁表示该设备变位，同时弹窗显示红色报警条文，报警分为实时报警和历史报警，历史报警条文具备选择查询并打印的功能。

事故报警通过手动，每次确认一次报警。报警一旦确认，声音、闪光即停止。

次事故报警发生阶段，允许下一个报警信号进入，即次报警不覆盖上一次的报警内容。报警处理具备在主计算机上予以定义或退出的功能。

2）对每一测量值（包括计算量值），由用户序列设置四种规定的运行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分别定义作为预告报警和事故报警。

3）开关事故跳闸到指定次数或开关拉闸到指定次数，推出报警信息，提示用户检修。

4）报警方式。

报警方式具有多种表现形式，包括弹窗、画面闪烁、声光报警器、语音、短信、电话等但不限于以上几种方式，用户根据自己的需要添加或修改报警信息。

4.4.3调节与控制

操作员对需要控制的电气设备进行控制操作。监控系统具有操作监护功能，允许监护人员在操作员工作站上实施监护，避免误操作。

操作控制分为四级：

控制，设备就地检修控制。具有优先的控制权。当操作人员将就地设备的远方/就地切换开关放在就地位置时，将闭锁所有其他控制功能，只进行现场操作。

级控制，间隔层后备控制。其与三级控制的切换在间隔层完成。

三级控制，站控层控制。该级控制在操作员工作站上完成，具有远方/站控层的切换。

四级控制，远方控制，优先。

原则上间隔层控制和设备就地控制作为后备操作或检修操作手段。为防止误操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即选择、返校、执行，并在站级层设置操作员、监护员口令及线路代码，以确保操作的性和正确性。对任何操作方式，保证只有在上一次操作步骤完成后，才进行下一步操作。同一时间只允许一种控制方式。

纳入控制的设备有：35kV及以下断路器；35kV及以下隔离开关及带电动机构的接地开关；站用电380V断路器；主变压器分接头；继电保护装置的远方复归及远方投退连接片。

3）定时控制。操作员对需要控制的电气设备进行定时控制操作，设定启动和关闭时间，完成定时控制。

4）监控系统的控制输出。控制输出的接点为无源接点，接点的容量对直流为110V（220V）、5A，对交流为220V、5A。

4.4.4用户权限管理

系统设置了用户权限管理功能，通过用户权限管理能够防止未经授权的操作系统可以定义不同操作权限的权限组（如管理员、维护员、值班员组等），在每个权限组里添加用户名和密码，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。

5系统硬件配置

应用场合	型号	图 片	保护功能
35kV变电站综合自动化系统	Acrel- 1000		可显示变电站主接线图，模拟配电网络运行，实现无人值班模式；根据顺序事件记录、历史曲线、故障录波，协助运维人员实现快速故障分析、定位和排除问题，尽量缩短停电时间；实时采集各回路、设备的电流、电压、功率、电能以及谐波、电压波动等参数，对配电系统和用电设备进行用能分析和能效管理
网关	ANet- 2E8S1		8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等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GBSD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC220V，导轨式安装。
35kV/10kV/6kV 弧光保护	ARB5-M		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
	ARB5-E		扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
	ARB5-S		弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测	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。
35kV/100kV/6kV 间隔智能操控、 节点测温	ASD500		5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35kV/10kV/ 6kV传感器	ATE400		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℃；无线传输距离空旷150米；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量	APM830		三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示；
变压器绕组 温度检测	ARTM-8		8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出；
变压器接头测温低压进出线柜接头测温	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
柜内环境温湿度	AHE100		无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换）
	ATC600		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AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。

应用场合	型号	图 片	保护功能	其他功能
35kV/10kV/ 6kV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；	操作回路、 双以太网口、 双485口、 2路4-20mA变 送输出、 故障录波、 GPS对时、 全电量测量 直流量测量
35kV/10kV/ 6kV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；
35kV主变 （2000kVA以上）	AM6-D2/ AM-3		两圈变/三圈变差动速断保护、比例制动差动保护；
	AM6-TB		变压器后备保护测控、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、非电量保护、启动通风保护、PT断线告警、遥调升档、遥调降档、遥调急停；
35kV/10kV/ 6kV厂用变	AM6-S		三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、零序过流、过负荷保护（告警/跳闸）、控故障告警、PT断线告警、非电量保护；
35kV电机 （2000kW以上）	AM6-MD		差动速断保护、比例差动保护、过流、过负荷、堵转等电机综合保护；
10kV/6kV 异步电机	AM6-M		两段式过流/零序过流/负序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、低电压保护、PT断线告警、堵转保护、启动超时、热过载保护、电压不平衡；
35kV/10kV/6kV PT监测	AM6-UB		PT并列/解列、PT监测；
10kV/6kV 电容器	AM6-C		两段式过流/零序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、PT断线告警、过电压/欠电压跳闸、不平衡电压/电流保护；
35kV/10kV/ 6kV母联	AM6-B		两进线备投/母联备投/自适应备投、联切备投、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、PT断线告警、过负荷联切/告警、检同期、合环保护；

6结语

井下采区变电所自动监控无人值守系统实现了井下采区变电所集保护、监控一体化。系统投入运行后，大幅提升井下变电所智能化水平和安全可靠性，减少了变电所事故率和故障影响时间，也减少了大量的人力、财力和物力的投入，体现出显著的社会与经济效益，保障了矿井的安全生产。

参考文献

[1]侯刚.红柳林煤矿智能化无人值守系统的设计及应用[J]．煤炭工程，2018，50(50)：21-24.

[2]杨顺利.井下采区无人值守变电所综合自动化系统设计.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版．

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审核编辑 黄宇