基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全供電智能分析系統(tǒng)研究與應(yīng)用

周 剛

（山東能源集團技術(shù)研究總院，山東 濟南 250014）

0 引言

礦山供電系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的重要動力保障，煤礦生產(chǎn)離不開電力供應(yīng)，建立煤礦電力物聯(lián)網(wǎng)，打造多維數(shù)據(jù)耦合的煤礦安全用電AI系統(tǒng)，是推進“三化融合”建設(shè)的重要內(nèi)容。礦井高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)礦山供電系統(tǒng)及設(shè)備的全面感知、智能狀態(tài)分析與協(xié)同控制，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的多維數(shù)據(jù)耦合的煤礦安全用電AI系統(tǒng)勢在必行。

我國礦井高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為分層分布式結(jié)構(gòu)，一般采用從地面到井下三級結(jié)構(gòu)：地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所。隨著煤礦生產(chǎn)機械化自動化推進和煤礦企業(yè)的不斷發(fā)展，供電系統(tǒng)朝著高電壓、大容量、自動化、協(xié)調(diào)化、智能化、區(qū)域化方向快速發(fā)展，對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求變得越來越高。采區(qū)供電容量不斷增大，進一步加大了礦井電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

中央變電所是煤礦井下供電系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是井下供電的樞紐，其工作狀態(tài)的好壞直接影響井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。目前，變電所日常巡檢維護占用大量人力物力，且變電所現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備存在監(jiān)控死角，使得變電所運行中存在一定的安全隱患，給煤礦正常安全生產(chǎn)帶來不利因素。中央變電所的高壓斷路柜、PT柜、各配電柜中的斷路器、電壓互感器、變壓器、高壓線纜、高壓觸頭等長期高壓運行，容易出現(xiàn)疲勞老化，進而引發(fā)供電設(shè)備故障。現(xiàn)有的礦山變電所設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)停留在傳感數(shù)據(jù)可視化顯示和簡單閾值分析層面，如果不能在故障發(fā)生的前期階段做出及時準(zhǔn)確的判斷處理，就有可能引發(fā)更嚴重的事故，最終導(dǎo)致通風(fēng)、排水、運輸、采掘等系統(tǒng)性供電異常，甚至還會造成人身傷亡，影響整個煤礦系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。

采用物聯(lián)網(wǎng)智能感知技術(shù)，針對興隆莊煤礦供電系統(tǒng)特點，對輸變電設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及全壽命周期管理研究，建立煤礦6 kV以上高壓變電所供電設(shè)備遠程集控平臺,提高了輸變電設(shè)備與系統(tǒng)的運行可靠性與利用率。

1 礦井供電系統(tǒng)概況

目前興隆莊煤礦變電所集控有2套獨立的系統(tǒng)平臺,是針對煤礦現(xiàn)有2套變電所的繼保系統(tǒng)設(shè)計的。2套平臺相互獨立,供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散,無法進行綜合分析,不利于供電系統(tǒng)的集成化管控和數(shù)據(jù)的智能化分析服務(wù)。井上35 kV變電所、東風(fēng)井變電所、西風(fēng)井變電所、壓風(fēng)機房電所、新北區(qū)變電所井下中央變電所、270變電所為南瑞集控平臺。變電所采用的是RCS9600系列微機保護裝置，通訊裝置為RCS9698型號,經(jīng)常出現(xiàn)通訊鏈路不穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定,遙測、遙信數(shù)據(jù)丟失,控制命令下發(fā)失敗等問題。井下西翼變電所、十采三橫變電所、一采石門變電所采區(qū)變電所,通過山源的KJ360-F隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站接入井下以太環(huán)網(wǎng),具備集控條件，七采配電點等采區(qū)變電所不具備聯(lián)網(wǎng)分站,預(yù)留分站的接入配置接口,方便后續(xù)擴展。

2 研究開發(fā)內(nèi)容

2.1 總體思路

建立統(tǒng)一的煤礦6 kV以上高壓變電所供電設(shè)備遠程集控平臺，兼容原有系統(tǒng),實現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、可視化控制、故障狀態(tài)告警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能。研發(fā)中央變電所配電柜分布式實時采集與控制系統(tǒng),實現(xiàn)在線監(jiān)測和實時控制。研發(fā)煤礦供電安全狀態(tài)知識庫,建設(shè)供電系統(tǒng)全生命周期健康管理系統(tǒng),提高供電管理效率和安全供電效率。分布式智能采集分析系統(tǒng)見圖1。

圖1 分布式智能采集分析系統(tǒng)

2.2 主要研究內(nèi)容

1）中央變電所多源信息分布式智能感知系統(tǒng)。研制智能采集與分析終端，完成中央變電所運行過程信息的集成，兼容RS232、RS485、CAN、Profinet、以太網(wǎng)、WiFi等通信接口，完成母線和輸出電壓電流、開關(guān)狀態(tài)、節(jié)點溫度、母線頻率、有功功率、無功功率、接地電阻等實時信息接入；增加紅外熱成像、行程、振動、局放、噪聲等傳感器，完成關(guān)鍵部件狀態(tài)信息的實時感知；增加自動巡檢攝像機和環(huán)境信息采集裝置，完成計算機視覺巡檢和環(huán)境感知信息的接入；智能終端具備傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理和邊緣計算分析能力，采用分布式集成架構(gòu)，實現(xiàn)對現(xiàn)場多源感知信息初步分析診斷，提高系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。

2）供電設(shè)備狀態(tài)智能分析與實時診斷模型與系統(tǒng)研發(fā)。在變電所多源傳感信息集成的基礎(chǔ)上，建立供電設(shè)備狀態(tài)分析機理模型，形成各監(jiān)測類型信息的規(guī)范值、警戒值、預(yù)警值的量化分析方法，厘清設(shè)備狀態(tài)與多源感知信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合機理特性參數(shù)和專家知識，研究狀態(tài)知識動態(tài)建模方法，建立供電設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)體系與知識庫。研究信號分析、特征分析、語義網(wǎng)絡(luò)、知識推理、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等人工智能方法，融合經(jīng)驗知識與數(shù)據(jù)特征，建立礦山供電設(shè)備及關(guān)鍵部件狀態(tài)實時分析診斷模型和系統(tǒng)，實現(xiàn)礦山供電設(shè)備及關(guān)鍵部件狀態(tài)在線分析與早期故障識別。

3）礦山供電設(shè)備數(shù)據(jù)集成分析平臺研發(fā)。接入中央變電所多源感知信息，完成各變電所運行感知信息、設(shè)備用電系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控、點檢巡檢、維護保養(yǎng)、經(jīng)驗知識等分散系統(tǒng)信息的集成。研發(fā)礦山供電設(shè)備數(shù)據(jù)集成分析平臺，針對異構(gòu)分散的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、維護管理服務(wù)系統(tǒng)、傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，建立高效數(shù)據(jù)存取、標(biāo)記與管理機制。建立面向礦山供電設(shè)備綜合監(jiān)測與控制的實時異構(gòu)數(shù)據(jù)快速可靠交換、多源/多層次數(shù)據(jù)的分布式協(xié)同處理及服務(wù)系統(tǒng)。構(gòu)建礦山供電設(shè)備狀態(tài)演變規(guī)律分析模型，研發(fā)礦山供電設(shè)備及關(guān)鍵部件狀態(tài)演化分析平臺。

4）供電設(shè)備系統(tǒng)智能化應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)研發(fā)。研發(fā)供電設(shè)備遠程智能監(jiān)控與“四遙”服務(wù)系統(tǒng)等面向礦山供電設(shè)備的智能化監(jiān)測、分析、管控和決策服務(wù)系統(tǒng)。供電設(shè)備智能集控平臺框架設(shè)計見圖2。

圖2 供電設(shè)備智能集控平臺框架設(shè)計

3 實施應(yīng)用效果

1）在設(shè)備各傳感器數(shù)據(jù)的合理范圍工作區(qū)間，分析不同運行環(huán)境、工作階段、負載條件下，多傳感器數(shù)據(jù)間的相關(guān)作用機制和關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)合設(shè)備長期工作的參數(shù)積累和專家知識積累，利用數(shù)據(jù)分析建模技術(shù)，通過多傳感器數(shù)據(jù)的融合在線分析，實時感知設(shè)備系統(tǒng)的顯性異常工作狀態(tài)。基于電流信號分析的設(shè)備狀態(tài)評估見圖3。

圖3 基于電流信號分析的設(shè)備狀態(tài)評估

2）結(jié)合傳感信號時頻特性參數(shù)和專家經(jīng)驗知識，分析供電設(shè)備系統(tǒng)斷路器、電壓互感器、變壓器、高壓線纜、高壓觸頭、連接裝置等關(guān)鍵部件的損傷和退化機理，建立關(guān)鍵部件早期故障狀態(tài)知識庫。實時分析設(shè)備系統(tǒng)關(guān)鍵部件內(nèi)部損傷狀態(tài)，實現(xiàn)了供電設(shè)備系統(tǒng)的預(yù)測性維護。

3）針對礦山變配電系統(tǒng)的設(shè)備關(guān)鍵部件，平臺提供部件退化分析與早期故障預(yù)測功能。對相關(guān)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行分析診斷，進而推測出其壽命，便于生產(chǎn)過程中設(shè)備維護、保養(yǎng)的進行，同時也能根據(jù)設(shè)備部件老化程度和變化趨勢及時進行部件升級，從而保障設(shè)備運行的安全和效率。設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)變化監(jiān)測與分析見圖4。

圖4 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)變化監(jiān)測與分析

4）通過從設(shè)備選型采購、組裝調(diào)試、運維、保養(yǎng)、技改、更新、報廢的全信息集成，形成了礦山設(shè)備唯一標(biāo)識編碼，提高了設(shè)備信息感知的有效性、可靠性，實現(xiàn)了設(shè)備的全生命周期集成評價。設(shè)備故障情況統(tǒng)計見圖5。

圖5 設(shè)備故障情況統(tǒng)計

5）設(shè)備運維流程管控與視頻聯(lián)動系統(tǒng)。結(jié)合智能終端、軌道巡檢攝像頭、智能視頻處理和機器視覺目標(biāo)跟蹤算法，研發(fā)設(shè)備運維流程智能管控系統(tǒng)和運維人員視頻監(jiān)測與跟蹤服務(wù)，實現(xiàn)運維流程的數(shù)字化管控和運維行為的智能監(jiān)控。變配電系統(tǒng)智能視頻巡檢見圖6。

圖6 變配電系統(tǒng)智能視頻巡檢

6）系統(tǒng)性能指標(biāo)。采用目前國內(nèi)外先進的、成熟的軟件開發(fā)平臺和基礎(chǔ)框架，平臺軟件應(yīng)具備良好的兼容性、可擴展性和可維護性。任意30 min內(nèi)，服務(wù)器CPU的平均負荷率≤20%，從儀表到后臺工作站顯示，運行狀態(tài)變位傳送時間≤3s，系統(tǒng)年可用率≥99.9%，后續(xù)可擴展不少于100 000個數(shù)據(jù)點。

4 結(jié)論

1）在現(xiàn)有狀態(tài)數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)上，增加了高性能傳感裝置，研發(fā)智能采集分析系統(tǒng)實現(xiàn)輸變電設(shè)備多源異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，提高了傳感器系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，拓寬感知邊界，獲得了長期準(zhǔn)確全面的傳感數(shù)據(jù)。研究傳感知識的表達、抽取和推理技術(shù)，將工作人員能夠理解的傳感器信息含義，轉(zhuǎn)化為機器可以理解的知識表達，傳統(tǒng)的“人－機”交互監(jiān)控模式提升為“多源數(shù)據(jù)－機器認知”的傳感數(shù)據(jù)感知模式。

2）基于海量數(shù)據(jù)融合分析，建設(shè)了礦山供電設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成分析平臺，實現(xiàn)了設(shè)備智能協(xié)同管控、全生命周期管理、設(shè)備能耗和狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)分析和智能故障診斷預(yù)測等應(yīng)用服務(wù)。運用協(xié)同理論，挖掘供電設(shè)備運行和環(huán)境、人工運維及管理方法之間的協(xié)同關(guān)系，實現(xiàn)了多設(shè)備的高效、低能耗、安全的協(xié)同管控，將傳統(tǒng)的“人－機”交互監(jiān)控模式提升為“傳感數(shù)據(jù)－機器認知－機器控制”的智能化控制模式，實現(xiàn)了設(shè)備智能控制和設(shè)備間的智能協(xié)同控制。

3）基于物聯(lián)網(wǎng)的云計算、大數(shù)據(jù)、AI人智能相關(guān)技術(shù),通過煤礦井上、井下各級高壓變電所的硬件配置、監(jiān)控系統(tǒng)和運維狀態(tài)分析,實現(xiàn)了礦山供電系統(tǒng)智能化監(jiān)測、遠程控制與全周期健康管理，為礦山供電設(shè)備系統(tǒng)運行狀態(tài)精準(zhǔn)感知、智能分析、預(yù)防性維護以及“四型礦井”建設(shè)提供了基礎(chǔ)支撐。