煤礦井下供電系統無人值守發展方向

付志勇

(上海山源電子科技股份有限公司，上海201612)

0 引言

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

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

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

2015年，國家安全生產監督管理總局要求在煤礦等重點行業領域開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，通過自動化、智能監測的無人值守系統，代替人工井下現場值守,要減少原有值守系統工作人員數量60%以上；2016年《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中也明確了要和供電監控系統的融合聯動，也需要基于自動化、智能化的井下供電監控系統；煤礦井下供電無人值守系統可通過數據對比分析、工具診斷，排查隱患，減少故障發生，是信息化高效礦井井下供電新系統智慧化管理手段。因此，解決煤礦井下供電系統無人值守問題，對煤礦安全生產非常必要，值得探討。

1 煤礦井下無人值守變電所建設具體要求和條件

建設煤礦井下無人值守的變電所，需要從設備的可靠性，通信通道的穩定，強大的平臺和齊全的系統功能，以及結合行業最新要求的融合聯動功能，整個系統形成一體化的解決方案，才是實現無人值守的有效保證。

1)設備的可靠性。井下高低壓設備及智能終端綜合保護器的性能至關重要，供電的可靠建立在設備的可靠性上，井下設備是無人值守的根基，必須選擇性能可靠、運行穩定的設備，如果設備性能不穩定，可靠性差，整個系統做得再好，無人值守的真正實現也無從談起。井下供電設備要從選型、研發設計、加工制造環節來確保設備的優良性能；尤其自動化智能終端設備，更要從設備的抗干擾能力，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、深度設計，才能保證設備的高可靠性。

2)穩定的通信。現在煤礦基本建設了光纖冗余的千兆環網甚至萬兆環網，通信可靠性比較高；同時隨著煤礦井下自動化建設越來越高，很多煤礦建設了高清視頻的遠程監控，高清視頻占用通信通道的資源特別明顯，故現在新上礦井基本會建設視頻專網，給井下其他子系統通信留下可靠的通信數據通道。隨著煤礦井下各系統自動化程度的不斷迭代升級，系統之間的融合聯動也寫入了行業規范的要求，所以實現系統之間的互聯互通、融合聯動，而且需要的不再是以往部分數據的相互交換，而是系統之間深度高效的數據共享和相互銜接，更是需要可靠的通信平臺才能實現。

3)強大的平臺，齊全的系統功能。地面集控中心的井下電網監控平臺，既要具備傳統的遙測、遙信、遙控、遙調“四遙”功能，又可以進一步實現遙視和遙脈(計量上傳)，使監控平臺實現系統的音視頻聯動、能效管控和節能減排。

(1) 井下電網的監控平臺要模塊化設計，具備高級的DA功能，通過組態軟件對各項數據表、曲線記錄、操作記錄進行統計、歸類、存貯、處理，形成電力系統運行的動態擬圖和趨勢圖表；并可進行各種操作、預報預警，具備用電管理的各種功能、電量考核計算、操作權限定義、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；系統平臺的操作要具備安全性、便捷性、可擴展性。

(2) 故障預判和處理方面有故障波形軟件自動分析工具,用于查找供電系統隱患，分析故障產生的原因和責任認定，協助運維人員準確直觀地進行事故分析，快速定位故障，及時恢復供電，輔助定值整定等。事件順序記錄協助運維人員，實現快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；音視頻聯動系統立即自動調用現場畫面，調整攝像機姿態，捕捉現場目標，減少運行人員分析響應時間，大幅度提升響應速度和工作效率。

4)完善的聯動和一體化的解決方案。煤礦井下供電無人值守系統覆蓋要全面，能覆蓋到所有用電設備，從高、低壓開關到具備通信功能的照明綜保、移動變壓器等設備，要具備100%遠控的功能；與行業規范要求的其他系統和設備實現就地的融合和聯動；煤安監函[2016]5號《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知也明確要求，支持多網、多系統融合，供電監控系統需要一并融入；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的基本保障分析

煤礦井下電力系統的安全性和運行狀態直接影響煤礦的生產和安全。煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，采掘面地質情況復雜，負載變化大，采掘設備移動工作、供電線路在反復拖拽；易發生絕緣破壞、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，漏電引起無規律誤跳，也嚴重威脅生產安全。另外，在開關出口短路、大電機啟動或者地面有雷擊時會造成系統電壓波動，容易造成脫扣線圈失壓脫扣，也會造成大面積的停電事故。如要實現無人值守，必須解決煤礦供電系統可靠性問題的技術關鍵。

1)高低壓開關配套綜合保護器的選擇。高低壓開關機構及斷路器需要穩定可靠，除動作迅速外，核心部件智能終端綜合保護器的性能優劣對開關線路的影響至關重要；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動作的準確性，進而保證井下供電監控系統的穩定可靠。

2)防越級跳閘系統的實現。越級跳閘的發生基本都是因為煤礦地面到井下各變電所之間的聯絡開關的誤動作而造成越級跳閘；將地面到井下變電所的各個聯絡開關通過一個千兆光纖專用網絡實現各聯絡開關之間的快速數據交換，從而迅速準確確定故障點，依據事先設置的拓撲關系，故障點動作區域開關切斷故障并隔離故障點，其他聯絡開關閉鎖等待故障切除電網恢復，從而實現煤礦供電全網的防越級；目前這種方案是國內多數煤礦供電監控系統廠家選擇的防越級實現方案，符合現場實際情況，也符合電網公司的變電站技術導則；依照煤礦現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，不同廠家的系統應用時間長短和細節優化都有所不同。

3)提高系統漏電選擇準確性。常規漏電保護方式需要的判據零序電流、零序電壓及零序功率方向受煤礦實際作業特點和系統自身的影響，每次接地時電氣量特征變化較大，判據的不穩定導致難保護器以作出準確判斷。為此，可以參考一種注入診斷信號的辦法來避免常規保護方式受到的影響，具體實現方法：在煤礦供電系統接地時，地面變電所向供電系統注入診斷信號，診斷信號通過系統中接地線路的接地點與注入裝置構成回路，只有接地線路才會有診斷信號的流過，分散在開關中的保護器才能捕捉注入的診斷信號，診斷信號注入法經過仿真實驗室仿真試驗及煤礦井下現場實際接地故障試驗，漏電選擇準確率100%。隨著更多現場項目的實施，相信會有一種改變煤礦井下接地漏電保護準確性的新措施。

4)消除電壓波動的影響。在開關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。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。

3 煤礦井下供電無人值守系統平臺的功能

無人值守系統建設之后，煤礦的通信平臺、監控平臺已趨于完善，接下來就可以利用無人值守系統搭建起的通信平臺、監控平臺以及得到的數據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通過采用大數據技術，實時采集全礦電能數據并歸集、創建數據倉庫，在線為能源調度服務，離線為能源分析管理服務；數據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) 通過能源預測、指標管理以控制預算。

(2) 通過能耗分析可以優化能源使用時段，采取有效措施避峰就谷。

(3) 通過能耗預警可以早期發現設備故障，避免事故。

(4) 通過能耗分析，使管理者直觀掌握企業能源管理的薄弱環節、能源消耗的趨勢，優化企業節能降耗措施。

2)井下設備定位管理系統。煤礦井下供電無人值守系統可以更進一步管理與系統密切配合的各種用電設備；利用無源定位技術，移動通信技術和云傳輸技術，通過系統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備上的無源標簽卡，系統即可對用電設備自動定位、自動部署到該變電所，同時實現用電設備的臺賬檔案管理、設備故障管理、設備維修管理，設備巡檢提醒管理。設備定位管理系統可以方便在實現用電設備從入井、安裝、巡檢、維修、搬遷到報廢的全生命周期管理。

3)設備壽命監測。自動化設備的應用還能自動檢測開關的故障電流跳閘統計和正常分合統計，從而核算出開關的使用壽命監測，作為設備管理中設備壽命統計的數據來源。

4)視頻巡檢和音視頻聯動。隨著高清視頻的廣泛應用，高清云臺彩色攝像儀應用到井下變電所，可以實現設備的遠程可視化巡檢，任意設定時間進行自主和遙控巡視，能對用電設備圖像信息無死角采集，并對圖像信息進行智能分析，聯合聲音識別系統、在線測溫、測瓦斯和煙霧傳感器等設備對井下變電所的運行狀況進行全面掌握，移動偵測和區域偵測與報警模塊實現了聯動，當發現異常時能及時報警，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，可以實現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度平臺，并能遠程授權開鎖功能、緊急開鎖功能、圖像抓取等，地面調度人員實時掌控井下個變電所門的開閉狀態，還可以配合區域自動化管理實現數據支持融合和協同工作。

6)環境參數監測。煤礦井下變電所實現無人值守后，變電所的溫度、濕度、各種氣體、開關觸頭溫度以及其他需要監測監控的信號，均可通過無人值守系統實現，更精準、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云服務APP軟件，無論運維人員是否當班還是出差，都能將平臺監控的所有數據全部通過授權展現在運維人員手機上，在第一時間訪問系統的各項功能，并對系統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管理的保障體系

目前現場服務施工人員的水平參差不齊，對于系統的了解和掌握水平不同，最后的系統實施效果會有較大差別。雖然有標準化的統一要求，但是細節方面不可能完全一致。因此，一套完整的煤礦無人值守監控系統從設備到通信網絡，以及地面的平臺監控、上級調度的數據共享，所有設備的實施必須通過現場人員的精心調試設置，才能發揮最好的系統應用效果。系統如能實現遠程維護和調試，由廠家的實施專家統一遠程對系統進行設置、制作、調試以及維護，這樣統一了標準要求，能最大限度地發揮系統功能，現場安裝人員負責接線和遠程通信連接實現，這樣可降低對現場人員素質的要求，而且系統性能在實施專家的精心調試制作下可以實現最高效能，同時對于現場運行維護時出現的所有問題，可以由最專業人員來解決。煤礦供電無人值守系統架構如圖1所示。

圖1 煤礦供電無人值守系統架構

5 展望

煤礦供電無人值守系統建設是一套復雜的系統工程，建設可靠、穩定、功能齊全的無人值守監控系統，需要從煤礦的建設規劃同步實施和推進，從設備選型，現場實施、后期維護、系統升級及人員培訓等多方面做好工作:

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

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

3)無人值守系統的實施，尤其是生產中的礦井改造，更要精心準備，分步實施，既要保證正常生產，又要做好系統的穩步推進。

煤礦供電無人值守系統建成后，可實現煤礦供電網絡和用電設備的系統自動化監控管理，可以提高煤礦供電系統的供電可靠性和系統設備的運維效率，降低運維人員工作強度，是信息化高效礦井井下供電系統必要的現代化管理手段。