礦井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)的探討與產品選型

安科瑞 陳聰

 摘要：為了探討井下無人值守變電所的電力監(jiān)控系統(tǒng)技術，以西山煤電馬蘭礦為背景，詳細闡述了井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)技術的各項基本參數(shù)，如額定工作電壓及整機輸入視在功率、交換機或監(jiān)控分站的傳輸口、高壓配電裝置的傳輸口、真空饋電開關的傳輸口、RS485光信號傳輸口、報警聲強、視頻信號輸入口、后備電池參數(shù)、模擬量傳輸處理誤差等。研究表明，該系統(tǒng)為井下供電系統(tǒng)提供了各種保護監(jiān)視和控制功能，并且通過可靠的通訊信號傳輸?shù)降孛嬲{度中心，使值班人員對井下電網(wǎng)運行情況有詳細的了解，該系統(tǒng)在馬蘭礦運行效果良好，有效保證井下供電系統(tǒng)的供電安全和供電可靠性，并且為馬蘭礦帶來了較高的經濟效益和很好的社會效益，該系統(tǒng)具有非常廣闊的應用前景。

   關鍵詞：井下；無人值守變電所；電力自動化；監(jiān)控系統(tǒng)

1研究背景

   井下供電是煤礦“六大件"之一，其重要性不言而喻，但是井下供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性一直是困擾煤礦安全的一項重要因素，煤礦企業(yè)本身也采取了很多方法和措施進行解決。國內外學者也對其進行了大量研究，從整個系統(tǒng)的安全方面，通過分析煤礦井下目前狀況下存在的安全問題，提出了諸多能提高井下可靠性的方法；分析井下供電系統(tǒng)跳閘的原因，提出了一種防止供電跳閘的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用“三位一體"防越系統(tǒng)，能有效提高整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；分析陽煤集團井下出現(xiàn)過的常見供電故障，并將其分類，針對各類型提出了相應的保護供電系統(tǒng)的方法和措施；針對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)失壓保護，分析了其具體的原因，并針對其原因，對綜合失壓保護裝置進行了改造和升級，保證了井下供電系統(tǒng)的安全和可靠。通過研究，取得了大量研究成果，但是這些針對井下供電系統(tǒng)都是泛泛而談，沒有從根本上解決井下供電系統(tǒng)安全可靠性問題。

   本研究基于馬蘭礦研究井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)技術，該技術是在地面綜合自動化技術的基礎上發(fā)展起來的，同時也是基于井下實際條件專門針對供電系統(tǒng)的一種監(jiān)測監(jiān)控設備。井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)技術為井下供電安全提供了保護和監(jiān)控等功能，通過可靠的信號將井下情況反應到井上，從而使得井上技術人員能清晰準確的判斷井下供電情況，保證井下供電系統(tǒng)的供電安全。因此，2017年5月在馬蘭礦井下變電所、南一下組煤變電所、南翼變電所、南五變電所、麻家口變電所、南七變電所、南六變電所、北三下組煤變電所、北翼變電所安裝了井下電力監(jiān)控分站，并取得了良好的效果，有效保證了井下供電系統(tǒng)安全可靠性。

2井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)技術

2.1額定工作電壓及整機輸入視在功率

   額定工作電壓：AC127V；整機輸入視在功率：≤150VA。

2.2交換機或監(jiān)控分站的傳輸口

   與地面MIEN6208工業(yè)以太網(wǎng)交換機或同型號電力監(jiān)控分站的傳輸口如下。

（1）傳輸口數(shù)量為2路。

（2）傳輸方式為TCP／IP以太網(wǎng)光信號傳輸。

（3）連接形式為SC。

（4）傳輸速率為10／100Mbps自適應。

（5）傳輸距離上限。10km（發(fā)射功率-13~3dBm，接收靈敏度-28dBm，使用MGTSV4B礦用單模光纜；光纖接點總數(shù)22個，其中熱熔接點10個，冷熔接點10個，活動連接點2個）。

2.3高壓配電裝置的傳輸口

   與PBG型礦用隔爆兼本安型永磁機構高壓配電裝置（內置ZBT-11高開綜合保護器）的傳輸口（本安）如下。

（1）傳輸口數(shù)量為2路（P3和P4口）。

（2）傳輸方式為主從式，半雙工，RS485。

（3）數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps。

（4）傳輸距離。1km（使用MHYVR電纜或MHYVP電纜，導線截面不小于1.5mm2）。

（5）監(jiān)控容量上限。每個傳輸口可掛接8臺PBG型礦用隔爆兼本安型永磁機構高壓配電裝置（內置ZBT-11高開綜合保護器）。

2.4真空饋電開關的傳輸口

   與KJZ16型礦用隔爆兼本安型真空饋電開關的傳輸口（本安）如下。

（1）傳輸口數(shù)量為2路（P5和P6口）。

（2）傳輸方式為主從式，半雙工，RS485。

（3）數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps。

（4）傳輸距離。1km（使用MHYVR電纜或MHYVP電纜，導線截面不小于1.5mm2）。

（5）監(jiān)控容量上限。每個傳輸口可掛接8臺KJZ16R型礦用隔爆兼本安型真空饋電開關。

2.5 RS485光信號傳輸口

（1）傳輸口數(shù)量為1路×2纖（P3口，可改配為RS485電傳輸）。

（2）傳輸方式為主從式，半雙工，RS485光傳輸。

（3）連接形式為單模、SC。

（4）傳輸速率為為9600bps。

（5）傳輸距離上限。

         10km（發(fā)射功率-13~3dBm，接收靈敏度-28dBm，使用MGTSV4B礦用單模光纜；光纖接點總數(shù)22個，其中熱熔接點10個，冷熔接點10個，活動連接點2個）。

2.6報警聲強

   報警聲強為不小于80dB（A）

2.7視頻信號輸入口。

           1路視頻信號輸入。連接方式：ST。接收靈敏度：-28dBm（單模光信號，光波長1310nm）

2.8后備電池參數(shù)

   使用2組鎳氫電池串聯(lián)作為備用電源。電池數(shù)量為2節(jié)串聯(lián)。電網(wǎng)斷電后，后備電池保證設備連續(xù)工作時間不小于2h。

2.9顯示范圍

（1）單相電流。0~630A（過流120％，ZBT-11型保護器采集）；顯示單相電壓：0~10kV（過壓120％，ZBT-11型保護器采集）。

（2）單相電流。0~630A（過流120％）；顯示的單相電壓：0~1140V（過壓120％）。

2.10模擬量傳輸處理誤差

   高低壓保護器的電流、電壓傳輸誤差不大于0.5％（F.S.）。馬蘭礦井下變電所、南一下組煤變電所、南翼變電所、南五變電所、麻家口變電所、南七變電所、南六變電所、北三下組煤變電所、北翼變電所安裝了井下電力監(jiān)控分站。通過實踐發(fā)現(xiàn)，該井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)具有以下幾個功能特點：①，具有與上位機雙向通信功能；②，具有與高低壓保護器雙向通信及工作狀態(tài)顯示功能；③，具有顯示高壓保護器和低壓保護器采集的電流、電壓值；④，具有顯示高壓保護和低壓保護的分、合閘狀態(tài)；⑤，具有預告報警和事故報警功能，報警方式為聲音報警；⑥，電力監(jiān)控分站能與專用遙控器配合使用，通過遙控器控制，可直接下發(fā)指令信息到高低壓保護器。現(xiàn)以上各變電所，均能在電力調度中心實現(xiàn)遙控、遙調、遙信、遙測、遙視。

3應用情況及效益分析

3.1應用情況及經濟效益

   該系統(tǒng)為實現(xiàn)無人值守變電所打下了基礎。節(jié)約人工每天約15人，人均一天費用按照200元，則全年節(jié)約人工費用為1095000元。同時該監(jiān)控系統(tǒng)是一次性投資，長久性使用。

3.2社會效益

   該系統(tǒng)經過調研，設計，現(xiàn)場使用和多次改進、完善，達到預期設計目標，大大地提高了供電系統(tǒng)的運行質量，為礦井的安全生產提供了有力的保障。

（1）實現(xiàn)了減員增效。實現(xiàn)井下變電所無人值守，每個變電所可以節(jié)約用工半數(shù)以上。

（2）可以及時發(fā)現(xiàn)故障。通過該系統(tǒng)的語音報警、視頻監(jiān)視和界面顯示能夠及時發(fā)現(xiàn)故障點和故障類型，便于現(xiàn)場值班維護人員及時予以處理，減少了事故處理時間，提高了礦井供電的安全可靠性。

（3）方便電量統(tǒng)計和系統(tǒng)運行情況分心。通過調閱、打印電量和運行情況的小時、日、月等報表，對供電系統(tǒng)運行情況分析，為提供供電管理水平提高依據(jù)。

（4）提高安全意識，避免違章操作。應用井下電力監(jiān)控系統(tǒng)，規(guī)范了各項電氣試驗、檢查的操作程序，并有詳細的記錄備查，提高了現(xiàn)場人員的安全意識，可有效避免違章操作。

（5）可實現(xiàn)快速故障診斷，保證控制的實時性、確定性和可靠性。

4推廣應用前景

   該系統(tǒng)為井下供電系統(tǒng)提供了各種保護監(jiān)視和控制功能，并且通過可靠的井上，井下通訊，將監(jiān)視與控制延伸到地面電力調度中心，使地面值班人員可以清楚的了解井下電網(wǎng)的供電狀況，可將井下固定值班方式轉變?yōu)樯贁?shù)人巡檢的方式。自從馬蘭礦各變電所安裝了井下電力監(jiān)控系統(tǒng)后，供電更加穩(wěn)定、可靠。為實現(xiàn)井下變電所無人值班打下基礎。同時，在煤礦井下電力自動化應用中具有非常廣闊的應用前景。

5 安科瑞產品介紹

5.1概述

          Acrel-2000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、計算機技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等多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)、農網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站多方位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經濟運行提供了堅實的保障。

5.2 系統(tǒng)結構

          Acrel-2000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。

圖5電力監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式

5.2.1 實時監(jiān)測

   安科瑞Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)人機界面友好，能夠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。其中，10kV配電系統(tǒng)中監(jiān)測的開關量主要有：斷路器分、合閘信號，手車工作、試驗位置信號，遠方/就地切換位置信號、彈簧儲能狀態(tài)信號、接地刀合分信號、變壓器超溫跳閘信號、高溫報警信號，保護跳閘信號和事故預告信號；400V低壓進線回路電參量主要有：開關狀態(tài)、三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、頻率和正向有功電能累計值；400V低壓出線回路主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警、三相（單相）電流、三相功率。

5.2.2 詳細電參量查詢

   在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線。

5.2.3運行報表

   查詢各回路或設備相應時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

5.2.4 實時告警

   安科瑞Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。系統(tǒng)還具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語音告警。

5.2.5 歷史事件查詢

   安科瑞Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等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。

5.2.6 電能統(tǒng)計報表

安科瑞Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)以豐富的報表體支撐量體系的完整性。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，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。

5.2.7 用戶權限管理

安科瑞Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，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（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.2.8 電能質量監(jiān)測

安科瑞Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)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。例如配電系統(tǒng)維護人員可以通過諧波分析界面掌握配電系統(tǒng)的諧波含量，及時采取相應的措施提高配電系統(tǒng)的可靠性，減少因諧波造成的供電事故的發(fā)生。

5.2.9 Web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。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信、視頻切換到需要查看的界面。

實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的線纜溫度、電壓、電流、功率曲線信息。實時變壓器曲線可監(jiān)測變壓器的狀態(tài)，某天的電壓、電流、功率、用電量等曲線信息。接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括遙測、遙信等信息(遙信信號需要斷路供輔助觸點支持)，刷新的時間<=5s。能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比， 用電排名。運維管理-通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設備的通信狀態(tài)。

5.2.10 APP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。

5.3 相關產品

6結語

   綜上所述，在馬蘭礦井下變電所、南一下組煤變電所、南翼變電所、南五變電所、麻家口變電所、南七變電所、南六變電所、北三下組煤變電所、北翼變電所安裝了井下電力監(jiān)控分站和井下無人值守變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)，該電力監(jiān)控系統(tǒng)為井下供電安全提供了保護和監(jiān)控等功能，通過可靠的信號將井下情況反應到井上，從而使得井上技術人員能清晰準確地判斷井下供電情況，運行效果良好，有效保證井下供電系統(tǒng)的供電安全和供電可靠性。

參考文獻

[1]王金華.煤礦井下無人值守變電所技術研究與應用［J］.工礦自動化，2015，41（5）：100-103.

[2]范明棟，張彬，宋波，等.淺談煤礦井下變電所無人值守的安全管理［J］.能源技術與管理，2017，42（1）：179-180.

[3]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全（產品報價手冊）.2023.01版

[4]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.