付志勇

(上海山源電子科技股份有限公司，上海201612)

0 引言

電力是煤礦生產(chǎn)的唯一能源，煤礦供電系統(tǒng)的安全性和運行狀態(tài)直接影響煤礦的生產(chǎn)和安全。目前主要存在的問題：

1) 煤礦井下供電情況復(fù)雜，易發(fā)生絕緣破壞、短路等事故，造成井下大面積停電，不僅嚴重影響生產(chǎn)，而且很容易誘發(fā)事故，威脅礦井的安全。

2) 煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)對比分析、工具診斷，排查隱患，減少故障發(fā)生，提高煤礦供電系統(tǒng)的可靠性，降低各類事故對煤礦生產(chǎn)的影響。但目前大多煤礦沒有井下供電無人值守系統(tǒng)，而有些應(yīng)用系統(tǒng)只具備初步的監(jiān)控功能，要進一步提高供電可靠性、減員增效，需要充分應(yīng)用更智能的煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)。

2015年，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局要求在煤礦等重點行業(yè)領(lǐng)域開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，通過自動化、智能監(jiān)測的無人值守系統(tǒng)，代替人工井下現(xiàn)場值守,要減少原有值守系統(tǒng)工作人員數(shù)量60%以上；2016年《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中也明確了要和供電監(jiān)控系統(tǒng)的融合聯(lián)動，也需要基于自動化、智能化的井下供電監(jiān)控系統(tǒng)；煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)對比分析、工具診斷，排查隱患，減少故障發(fā)生，是信息化高效礦井井下供電新系統(tǒng)智慧化管理手段。因此，解決煤礦井下供電系統(tǒng)無人值守問題，對煤礦安全生產(chǎn)非常必要，值得探討。

1 煤礦井下無人值守變電所建設(shè)具體要求和條件

建設(shè)煤礦井下無人值守的變電所，需要從設(shè)備的可靠性，通信通道的穩(wěn)定，強大的平臺和齊全的系統(tǒng)功能，以及結(jié)合行業(yè)最新要求的融合聯(lián)動功能，整個系統(tǒng)形成一體化的解決方案，才是實現(xiàn)無人值守的有效保證。

1)設(shè)備的可靠性。井下高低壓設(shè)備及智能終端綜合保護器的性能至關(guān)重要，供電的可靠建立在設(shè)備的可靠性上，井下設(shè)備是無人值守的根基，必須選擇性能可靠、運行穩(wěn)定的設(shè)備，如果設(shè)備性能不穩(wěn)定，可靠性差，整個系統(tǒng)做得再好，無人值守的真正實現(xiàn)也無從談起。井下供電設(shè)備要從選型、研發(fā)設(shè)計、加工制造環(huán)節(jié)來確保設(shè)備的優(yōu)良性能；尤其自動化智能終端設(shè)備，更要從設(shè)備的抗干擾能力，各器件可靠性和性能的選擇、電路板電路的設(shè)計，處理器的處理能力、軟件的編寫和邏輯算法、故障自檢閉鎖等方面精細選擇、深度設(shè)計，才能保證設(shè)備的高可靠性。

2)穩(wěn)定的通信?，F(xiàn)在煤礦基本建設(shè)了光纖冗余的千兆環(huán)網(wǎng)甚至萬兆環(huán)網(wǎng)，通信可靠性比較高；同時隨著煤礦井下自動化建設(shè)越來越高，很多煤礦建設(shè)了高清視頻的遠程監(jiān)控，高清視頻占用通信通道的資源特別明顯，故現(xiàn)在新上礦井基本會建設(shè)視頻專網(wǎng)，給井下其他子系統(tǒng)通信留下可靠的通信數(shù)據(jù)通道。隨著煤礦井下各系統(tǒng)自動化程度的不斷迭代升級，系統(tǒng)之間的融合聯(lián)動也寫入了行業(yè)規(guī)范的要求，所以實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、融合聯(lián)動，而且需要的不再是以往部分數(shù)據(jù)的相互交換，而是系統(tǒng)之間深度高效的數(shù)據(jù)共享和相互銜接，更是需要可靠的通信平臺才能實現(xiàn)。

3)強大的平臺，齊全的系統(tǒng)功能。地面集控中心的井下電網(wǎng)監(jiān)控平臺，既要具備傳統(tǒng)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙”功能，又可以進一步實現(xiàn)遙視和遙脈(計量上傳)，使監(jiān)控平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的音視頻聯(lián)動、能效管控和節(jié)能減排。

(1) 井下電網(wǎng)的監(jiān)控平臺要模塊化設(shè)計，具備高級的DA功能，通過組態(tài)軟件對各項數(shù)據(jù)表、曲線記錄、操作記錄進行統(tǒng)計、歸類、存貯、處理，形成電力系統(tǒng)運行的動態(tài)擬圖和趨勢圖表；并可進行各種操作、預(yù)報預(yù)警，具備用電管理的各種功能、電量考核計算、操作權(quán)限定義、告警功能記錄、存儲管理檢索、故障定位報告和診斷功能、保護動作行為分析；系統(tǒng)平臺的操作要具備安全性、便捷性、可擴展性。

(2) 故障預(yù)判和處理方面有故障波形軟件自動分析工具,用于查找供電系統(tǒng)隱患，分析故障產(chǎn)生的原因和責(zé)任認定，協(xié)助運維人員準(zhǔn)確直觀地進行事故分析，快速定位故障，及時恢復(fù)供電，輔助定值整定等。事件順序記錄協(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；音視頻聯(lián)動系統(tǒng)立即自動調(diào)用現(xiàn)場畫面，調(diào)整攝像機姿態(tài)，捕捉現(xiàn)場目標(biāo)，減少運行人員分析響應(yīng)時間，大幅度提升響應(yīng)速度和工作效率。

4)完善的聯(lián)動和一體化的解決方案。煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)覆蓋要全面，能覆蓋到所有用電設(shè)備，從高、低壓開關(guān)到具備通信功能的照明綜保、移動變壓器等設(shè)備，要具備100%遠控的功能；與行業(yè)規(guī)范要求的其他系統(tǒng)和設(shè)備實現(xiàn)就地的融合和聯(lián)動；煤安監(jiān)函[2016]5號《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的通知也明確要求，支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合，供電監(jiān)控系統(tǒng)需要一并融入；并要完善報警、斷電等控制功能。

2 煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)的基本保障分析

煤礦井下電力系統(tǒng)的安全性和運行狀態(tài)直接影響煤礦的生產(chǎn)和安全。煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，采掘面地質(zhì)情況復(fù)雜，負載變化大，采掘設(shè)備移動工作、供電線路在反復(fù)拖拽；易發(fā)生絕緣破壞、短路等難以避免的事故。短路造成的越級跳閘引起大面積停電，漏電引起無規(guī)律誤跳，也嚴重威脅生產(chǎn)安全。另外，在開關(guān)出口短路、大電機啟動或者地面有雷擊時會造成系統(tǒng)電壓波動，容易造成脫扣線圈失壓脫扣，也會造成大面積的停電事故。如要實現(xiàn)無人值守，必須解決煤礦供電系統(tǒng)可靠性問題的技術(shù)關(guān)鍵。

1)高低壓開關(guān)配套綜合保護器的選擇。高低壓開關(guān)機構(gòu)及斷路器需要穩(wěn)定可靠，除動作迅速外，核心部件智能終端綜合保護器的性能優(yōu)劣對開關(guān)線路的影響至關(guān)重要；綜合保護器必須將抗干擾性能強、高可靠性作為首選，電力規(guī)程對繼電保護可靠性的要求最高；綜合保護器還必須具備滿足煤礦供電特點的各項功能，如防越級跳閘、漏電精準(zhǔn)選擇性以及電壓波動時抗“晃電”的功能，這樣才能保證高低壓開關(guān)動作的準(zhǔn)確性，進而保證井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2)防越級跳閘系統(tǒng)的實現(xiàn)。越級跳閘的發(fā)生基本都是因為煤礦地面到井下各變電所之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)的誤動作而造成越級跳閘；將地面到井下變電所的各個聯(lián)絡(luò)開關(guān)通過一個千兆光纖專用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間的快速數(shù)據(jù)交換，從而迅速準(zhǔn)確確定故障點，依據(jù)事先設(shè)置的拓撲關(guān)系，故障點動作區(qū)域開關(guān)切斷故障并隔離故障點，其他聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉鎖等待故障切除電網(wǎng)恢復(fù)，從而實現(xiàn)煤礦供電全網(wǎng)的防越級；目前這種方案是國內(nèi)多數(shù)煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)廠家選擇的防越級實現(xiàn)方案，符合現(xiàn)場實際情況，也符合電網(wǎng)公司的變電站技術(shù)導(dǎo)則；依照煤礦現(xiàn)場幾年的運行情況來看，方案的合理性和功能保障得到了很好的驗證，不同廠家的系統(tǒng)應(yīng)用時間長短和細節(jié)優(yōu)化都有所不同。

3)提高系統(tǒng)漏電選擇準(zhǔn)確性。常規(guī)漏電保護方式需要的判據(jù)零序電流、零序電壓及零序功率方向受煤礦實際作業(yè)特點和系統(tǒng)自身的影響，每次接地時電氣量特征變化較大，判據(jù)的不穩(wěn)定導(dǎo)致難保護器以作出準(zhǔn)確判斷。為此，可以參考一種注入診斷信號的辦法來避免常規(guī)保護方式受到的影響，具體實現(xiàn)方法：在煤礦供電系統(tǒng)接地時，地面變電所向供電系統(tǒng)注入診斷信號，診斷信號通過系統(tǒng)中接地線路的接地點與注入裝置構(gòu)成回路，只有接地線路才會有診斷信號的流過，分散在開關(guān)中的保護器才能捕捉注入的診斷信號，診斷信號注入法經(jīng)過仿真實驗室仿真試驗及煤礦井下現(xiàn)場實際接地故障試驗，漏電選擇準(zhǔn)確率100%。隨著更多現(xiàn)場項目的實施，相信會有一種改變煤礦井下接地漏電保護準(zhǔn)確性的新措施。

4)消除電壓波動的影響。在開關(guān)附近短路或大電機啟動或雷電等都會引起電壓波動，由于開關(guān)中都有失壓脫扣線圈，這樣就會造成電壓波動時，失壓脫扣線圈動作而誤跳開關(guān)。只有增加后備電源來抑制電壓波動對失壓脫扣線圈的影響，才能確保電壓波動時失壓脫扣線圈不動作，真正沒電時失壓脫扣線圈才跳開開關(guān)。

3 煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)平臺的功能

無人值守系統(tǒng)建設(shè)之后，煤礦的通信平臺、監(jiān)控平臺已趨于完善，接下來就可以利用無人值守系統(tǒng)搭建起的通信平臺、監(jiān)控平臺以及得到的數(shù)據(jù)進行進一步的功能拓展。

1)綠色能效管控解決方案。煤礦井下無人值守系統(tǒng)通過采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實時采集全礦電能數(shù)據(jù)并歸集、創(chuàng)建數(shù)據(jù)倉庫，在線為能源調(diào)度服務(wù)，離線為能源分析管理服務(wù)；數(shù)據(jù)來源可以通過具有電能計量認證的綜合保護器，也可通過電能負控終端取得。主要是：

(1) 通過能源預(yù)測、指標(biāo)管理以控制預(yù)算。

(2) 通過能耗分析可以優(yōu)化能源使用時段，采取有效措施避峰就谷。

(3) 通過能耗預(yù)警可以早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，避免事故。

(4) 通過能耗分析，使管理者直觀掌握企業(yè)能源管理的薄弱環(huán)節(jié)、能源消耗的趨勢，優(yōu)化企業(yè)節(jié)能降耗措施。

2)井下設(shè)備定位管理系統(tǒng)。煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)可以更進一步管理與系統(tǒng)密切配合的各種用電設(shè)備；利用無源定位技術(shù)，移動通信技術(shù)和云傳輸技術(shù)，通過系統(tǒng)中各個變電所的通信分站，安裝無線模塊覆蓋變電所，配備智能手持機可以掃描安裝在各個需要管理用電設(shè)備上的無源標(biāo)簽卡，系統(tǒng)即可對用電設(shè)備自動定位、自動部署到該變電所，同時實現(xiàn)用電設(shè)備的臺賬檔案管理、設(shè)備故障管理、設(shè)備維修管理，設(shè)備巡檢提醒管理。設(shè)備定位管理系統(tǒng)可以方便在實現(xiàn)用電設(shè)備從入井、安裝、巡檢、維修、搬遷到報廢的全生命周期管理。

3)設(shè)備壽命監(jiān)測。自動化設(shè)備的應(yīng)用還能自動檢測開關(guān)的故障電流跳閘統(tǒng)計和正常分合統(tǒng)計，從而核算出開關(guān)的使用壽命監(jiān)測，作為設(shè)備管理中設(shè)備壽命統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來源。

4)視頻巡檢和音視頻聯(lián)動。隨著高清視頻的廣泛應(yīng)用，高清云臺彩色攝像儀應(yīng)用到井下變電所，可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程可視化巡檢，任意設(shè)定時間進行自主和遙控巡視，能對用電設(shè)備圖像信息無死角采集，并對圖像信息進行智能分析，聯(lián)合聲音識別系統(tǒng)、在線測溫、測瓦斯和煙霧傳感器等設(shè)備對井下變電所的運行狀況進行全面掌握，移動偵測和區(qū)域偵測與報警模塊實現(xiàn)了聯(lián)動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時能及時報警，可大大提高井下變電所的智能化管理水平。

5)門禁管控(可視對講，本地開鎖，遠程開鎖)。變電所安裝門禁系統(tǒng)，可以實現(xiàn)井下門禁的視頻信號、刷卡信號、進入人員信息等上傳給地面調(diào)度平臺，并能遠程授權(quán)開鎖功能、緊急開鎖功能、圖像抓取等，地面調(diào)度人員實時掌控井下個變電所門的開閉狀態(tài)，還可以配合區(qū)域自動化管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)支持融合和協(xié)同工作。

6)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。煤礦井下變電所實現(xiàn)無人值守后，變電所的溫度、濕度、各種氣體、開關(guān)觸頭溫度以及其他需要監(jiān)測監(jiān)控的信號，均可通過無人值守系統(tǒng)實現(xiàn)，更精準(zhǔn)、更安全。

7)移動辦公功能遠程維護功能。在煤礦機電運維人員手機安裝煤礦無人值守系統(tǒng)云服務(wù)APP軟件，無論運維人員是否當(dāng)班還是出差，都能將平臺監(jiān)控的所有數(shù)據(jù)全部通過授權(quán)展現(xiàn)在運維人員手機上，在第一時間訪問系統(tǒng)的各項功能，并對系統(tǒng)告警故障等信息隨時掌握，及時作出反饋和處理，以最快速度解決系統(tǒng)各種問題；無論身處何地，一機在手，掌控所有。

4 煤礦井下供電無人值守系統(tǒng)管理的保障體系

目前現(xiàn)場服務(wù)施工人員的水平參差不齊，對于系統(tǒng)的了解和掌握水平不同，最后的系統(tǒng)實施效果會有較大差別。雖然有標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一要求，但是細節(jié)方面不可能完全一致。因此，一套完整的煤礦無人值守監(jiān)控系統(tǒng)從設(shè)備到通信網(wǎng)絡(luò)，以及地面的平臺監(jiān)控、上級調(diào)度的數(shù)據(jù)共享，所有設(shè)備的實施必須通過現(xiàn)場人員的精心調(diào)試設(shè)置，才能發(fā)揮最好的系統(tǒng)應(yīng)用效果。系統(tǒng)如能實現(xiàn)遠程維護和調(diào)試，由廠家的實施專家統(tǒng)一遠程對系統(tǒng)進行設(shè)置、制作、調(diào)試以及維護，這樣統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)要求，能最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)功能，現(xiàn)場安裝人員負責(zé)接線和遠程通信連接實現(xiàn)，這樣可降低對現(xiàn)場人員素質(zhì)的要求，而且系統(tǒng)性能在實施專家的精心調(diào)試制作下可以實現(xiàn)最高效能，同時對于現(xiàn)場運行維護時出現(xiàn)的所有問題，可以由最專業(yè)人員來解決。煤礦供電無人值守系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦供電無人值守系統(tǒng)架構(gòu)

5 展望

煤礦供電無人值守系統(tǒng)建設(shè)是一套復(fù)雜的系統(tǒng)工程，建設(shè)可靠、穩(wěn)定、功能齊全的無人值守監(jiān)控系統(tǒng)，需要從煤礦的建設(shè)規(guī)劃同步實施和推進，從設(shè)備選型，現(xiàn)場實施、后期維護、系統(tǒng)升級及人員培訓(xùn)等多方面做好工作:

1)如果煤礦具備基本的煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，而系統(tǒng)整體不具備無人值守的條件，但要從終端設(shè)備高可靠性選擇，對通信通道的可靠性以及應(yīng)用平臺的功能提出規(guī)劃和要求，列入每年的資金計劃，根據(jù)計劃資金情況一步到位或分步實施，最終實現(xiàn)煤礦供電無人值守系統(tǒng)。

2)如果煤礦不具備無人值守實施條件，也需要做好長遠規(guī)劃，在設(shè)備選型和更替時，對于未來要實現(xiàn)的無人值守系統(tǒng)，從終端設(shè)備的選擇、通信通道的規(guī)劃、平臺設(shè)備的安裝條件預(yù)留等方面做好選型預(yù)留要求，為將來的無人值守系統(tǒng)做好實施的基礎(chǔ)條件；不至于具備實施條件時，需要將正在生產(chǎn)運行的設(shè)備重新選型替換，造成重復(fù)投資，影響正常生產(chǎn)。

3)無人值守系統(tǒng)的實施，尤其是生產(chǎn)中的礦井改造，更要精心準(zhǔn)備，分步實施，既要保證正常生產(chǎn)，又要做好系統(tǒng)的穩(wěn)步推進。

煤礦供電無人值守系統(tǒng)建成后，可實現(xiàn)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)和用電設(shè)備的系統(tǒng)自動化監(jiān)控管理，可以提高煤礦供電系統(tǒng)的供電可靠性和系統(tǒng)設(shè)備的運維效率，降低運維人員工作強度，是信息化高效礦井井下供電系統(tǒng)必要的現(xiàn)代化管理手段。