煤矿井下无人值守变电所技术研究与应用.pdf
第 4 l 卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on V0 L 4l NO . 5 M a y 2 0 1 5 文 章编 号 1 6 7 1 ~ 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 1 0 0 0 4 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 5 . 0 5 . 0 2 4 王金华. 煤矿井下无人值守变 电所技术研究与应用E J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 5 1 0 0 1 0 3 . 煤矿井下无入值守变电所技术研究与应用 王金 华 中 国煤 炭科 工集 团有 限公 司 ,北京1 0 0 0 1 3 摘要 针 对 目前 煤矿 电力监 控 系统 主要 实现 变 电所 供 配 电设备 的监 控 , 未对 变电 所环 境 和 人 员进 行 监 测 , 存在 无人值 守安 全 隐 患问题 , 提 出了煤矿 无人值 守变 电所 监控 系统的技 术架 构 , 重 点分 析 和研 究 了无人 值 守 变电所 环境监 测及联 动技 术要 求 , 介 绍 了无人 值 守 变电 所环境 监 测 和 门禁 联 动 、 语 音 联 动 、 环 境 联 动及 视 频联 动技 术的具 体 实施方 案 。无人值 守变 电所 环境监 测及 联动 技 术的 实施 完善 了煤矿无人 值 守变电所监 控技 术 , 提 高 了煤矿 供 电的安 全性 和 可靠性 。 关键 词 井 下变 电所 ;无人值 守变 电所 ;环境监 测 ; 联 动技 术 中图分类 号 TD 6 1 1 文 献标 志码 B 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 4 3 0 0 8 5 5 网络 出版 地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP. 2 0 1 5 0 4 3 0 . 0 8 5 5 . 0 2 4 . h t ml Re s e a r c h a nd a pp l i c a t i o n o f u nd e r g r o u n d u na t t e n d e d s u bs t a t i o n t e c h no l o g y W ANG J i n h u a Ch i n a Co a l Te c h n o l o g y a n d En g i n e e r i n g Gr o u p Co r p o r a t i o n ,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ,Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f s e c u r i t y p r o bl e m o f una t t e n de d s u bs t a t i on f or t ha t c ur r e n t c o a l po we r mon i t o r i ng s y s t e m i s m a i n l y r e a l i z e m o ni t o r i ng f o r p o w e r s up pl y e qu i p m e nt , bu t t he s u bs t a t i o n e nv i r o n m e n t a nd hu m a n f a c t or s a r e un de t e c t e d,a t e c h ni c a l a r c h i t e c t u r e o f un de r gr o un d un a t t e nd e d s ub s t a t i o n mon i t o r i ng s y s t e m W3 S p r e s e nt e d.Th e s u bs t a t i on e nv i r o nme n t a nd l i nka ge t e c h no l og y r e qu i r e m e n t s of t he u na t t e nd e d s ub s t a t i on mon i t o r i ng s y s t e m we r e r e t r os p e c t i v e l y a na l y z e d a nd r e s e a r c he d.The i mpl e m e nt a t i o n p l a ns o f un a t t e n de d s ub s t a t i o n e n vi r on m e nt a l m o n i t o r i ng, a c c e s s c o nt r o l l i nka g e, s pe e c h l i n ka g e, e nv i r o nme nt a l l i nk a ge a n d v i de o l i n ka g e t e c hn ol o gy we r e i n t r o duc e d.Thr o ug h t he i mpl e m e nt a t i o n o f t he s e t e c hn o l o g i e s , t he un a t t e n de d s ub s t a t i o n m o ni t or i ng t e c hno l o gy i s i mpr o ve d, s a f e t y a nd r e l i a b i l i t y o f c oa l m i n e p owe r s up pl y a r e e nh a nc e d. Ke y wo r ds un de r gr o und s u bs t a t i on; u na t t e nd e d s ub s t a t i on; e n v i r on m e nt a l mo ni t or i n g; l i nka ge t e c hno l o gy 0 引言 煤 矿井 下变 电所 是煤 矿供 配 电系统 的重要组 成 部 分 , 它 的安全 可靠 运 行 是 煤矿 安 全 生 产 的基 本 保 证 。井下 负荷种 类繁 多 , 区域分 布广 , 工作 场所 地质 条 件 复杂 , 安全 隐患 多 , 故 障排 查 、 停 送 电周期 长 , 供 电故障严重影响了煤矿安全生产 。随着数字化矿 山建设 进程 的逐 步推 进 , 煤 矿用 户对井 下变 电所 “ 无 人 值守 , 有 人巡视 ” 的需 求 变 得 比较迫 切 , 但 目前 国 内煤矿 电力 监控 系统 主要解 决供 配 电网络 的监 测监 控 问题 ] , 而井下 变 电所仍 然 存 在 安 全 隐 患 , 如 变 电所 环境 因素 、 人 为 因素 等还未 纳入 系统监 控 范 围 , 变 电所 内的安 全 监 控 范 围 尚需 完 善 ] 。为 此 , 本 文 提 出一种 以层 次架构 为基 础 的煤矿井 下无 人值 守变 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 2 2 9 ; 修 回日期 2 0 1 5 - 0 3 2 0 ; 责任编辑 张强。 基金项 目 中国煤炭科工集 团有限公司科技创新基 金项 目 2 0 1 3 Z D 0 1 0 。 作者简介 王金华 1 9 5 7 一 , 男 , 河北衡水人 , 研究员 ,博士研究生导师 , 博士,主要从事煤炭技术的研究 工作 。 2 0 1 5年 第 5期 王金 华 煤矿 井 下无人 值 守变电所技 术研 究与应 用 1 0 1 电所 监 控 系统 技 术 实 现 方 案 , 以 环 境 监 测 、 门禁 联 动 、 语音 对讲 、 视 频 监 控 等 技 术 手段 , 将 多 种 不 同业 务数 据 流统 一 到 同一 软 件 平 台上 处理 , 实 现 自动 逻 辑判 断 和协 同控 制 , 能 实 现 真 正 意 义 上 的 无 人 值 守 变 电所 , 从 而 完 善 了 现 有 的 煤 矿 供 电 监 控 系 统 功 能[ 6 ] , 提高了煤矿供电的安全性与可靠性。 1无 人值 守变 电所 监控 系统 的技术 架构 由于 供 电系 统有 严 格 的技 术要 求 和 管 理 规 范 , 所 以 , 以现 有煤 矿 电力监 控 系统 为基 础 , 将 无 人值 守 变 电所 监控 系 统分 为感 知 层 、 网 络层 、 应 用 层 、 决 策 层 4层 结 构方 式实 现 , 如 图 1 所 示 。 决策层 丽 而 i ’ - - -.. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. .一 , ’ , - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . /’ - - - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . /- 面 i ’ - _ _-__ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____/’ ‘ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 , - 匦回 回 t 应用层 一数据 共享交换平台 数据抽取、 转换、 装载 ; 服务总线 ..... 。 。 。 。 。 ‘ 。 ‘ ‘ 。 ‘ ‘ ‘ 。 ‘ ‘ ‘ ‘ 。 一 . . 一 . . i 塾 塑 壁 笪 堡 至 竺 竺 兰 i 亟 互五 i r⋯⋯⋯⋯一 ⋯⋯⋯⋯⋯‘ 亟圃 圃 回 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 苗⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ i ; 石 g J P L C j ’ ’ - ._________________- ,’ ’ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ,’ ’ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 一 l 感知层主要 由智能开关 、 传感器及其 终端通信 网络组成, 可实现电网参数、 环境参数 以及开关量信 息采 集 , 并 与执行 终 端智 能结 合 , 实现 测控 一体 化 。 网络层包 括物理通信 网络及 其 中间层通信设 备 , 如监 控分 站 、 通信 管理 机 、 联动 接人 装 置等 , 主要 解决系统数据传输问题 , 可利用现有的数据传输网 络来 实 现 。 应 用层包 括 基 础 层 、 数 据 共 享 交 换 平 台 。基 础 层可 运 行 在 W i n d o ws , L i n u x等 操 作 系 统 上 , 支 持 Or a c l e , S q l S v e r v e r 等 数 据 库 管 理 系 统 。数 据 共 享 交换 平 台包 括数 据抽 取 、 转换 和归 一 化等 过程 ; 服 务 总线 进行 实 时 的数据 交换 。 决 策层 包括 数据 分析 、 预警告 警 机制 、 控 制逻 辑 以及 预 案处理 等 。 本 文 主要 介 绍 无 人值 守 变 电所环 境 监 测 、 门禁 联 动 、 语 音对 讲 、 视频 监控 等技 术 。 2无 人值 守变 电所 的环 境监 测技 术 煤 矿井 下变 电所 内一 些环 境参 数对 变 电所 的安 全 运行 至关 重要 , 包 括瓦 斯 、 温 度 、 烟雾 等参 数 , 人 员 问题也 是不 容忽 视 的 因素 , 因此 , 对 变 电所相 关参 数 实 施全 面监 测 十分必 要 。 2 . 1 瓦斯 监 测 变 电所 实 行 瓦 斯 监 测 主 要 有 两 方 面 的 目的 一 是监 测变 电所 环 境 中的 瓦 斯浓 度 , 保 障变 电所 本 身 运行 维 护 的安 全 ; 二 是 监 测 开 关馈 电 区域 的瓦 斯 浓度 , 保证停送 电操作安全。瓦斯传感器安装在变 电所 的关键 位置 , 通 过现 场 总线 RS 4 8 5 , C AN 或 模 拟信号 传输 至 系统 联 动 接 入 装 置 , 由该 联 动接 入 装 置完成数据采集和通信协议 转换 , 最终传输 至系统 后 台进入实时数据库。 2 . 2 温度 监 测 变电所内设备 比较集 中, 且设备发热量较大, 导 致环境 温 度相 对较 高 , 对 环境 实行 温度 监测 , 保证 了 设 备 运行 的合 理 温 度 条件 。同 时 , 可 对 发 热量 大 或 易产 生 明火 的设 备 单 独 设 置 温 度 传感 器 进 行 监 测 , 预防事故发生 。温度传感器应根据环境状况及功能 需求 进行 布置 , 温 度 实 时数 据 通 过 联 动 装 置 或 电力 监控 分 站接入 监控 系统 。 2 . 3 烟 雾监 测 变 电所 设 备 在 受潮 、 接触 不 良或故 障状 况 下可 能导致放 电或着火, 产生烟雾 , 可通过烟雾传感器进 行监测 , 防止事故进一步扩大。烟雾传感器适当布 置 在靠 近设备 侧 , 数 据 通 过联 动装 置 或 电力 监 控分 站 接人 监控 系统 。 2 . 4 门禁监 测 人 员 管 理 也是 实 现 无 人 值 守 变 电所 的关 键 点 之 一 。门禁 监测 采用 行 程 开 关 、 红 外 线 传 感 器 以及 人 员定 位 系统对 进 出变 电所 的人 员 实 施严 格监 管 , 对 人员 的进 入 、 离 开 时 间 以及 在 变 电所 内活 动 状 况 进 行监 视 和记 录 , 并 能 对 巡 视 人 员 的巡 视 情 况 进 行 记 录考 核 。 2 . 5视 频 监 视 在 变 电所 无 人 值 守 情况 下 , 地 面 集 控 中 心 的远 程 监控 不仅 要监 测 电 网数 据 , 同 时 也要 对 变 电所 的 设 备 、 环境 和人 员 能有 直 观 的视 觉 监 视 , 因此 , 在 变 电所 中设置 视频 摄像 仪 。一般 在变 电所 中设 置 2台 摄 像仪 , 一 台对 出入 变 电所人 员进行 监 视 , 另一 台对 1 O 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 变 电所 设备 状况 进行 监视 。 3预 警 与联动 技术 通 过 对煤矿 电力 监控 软件进 行 功能扩 展 与二次 开发 , 使得煤矿电力监控软件能通过通信网络获得 所有 电 网监 控之 外 的监 测数 据 , 包 括 瓦 斯 、 温 度 、 烟 雾、 门禁 、 语音、 视频等 , 软件增加报警 阈值设定功 能 、 顺 序控 制逻 辑判 断功 能 、 视频 解码 与 云台控 制功 能 , 并 能在 进行 电 网一 次设 备远 程 操 作 之 前完 成 环 境数据逻辑处理和判断, 根据诊断结果发出联动动 作指令 , 变 电所 内 的声 光 、 语 音 、 显 示 设 备 在 收 到指 令后 执行 动作或 发 出预警 信 号 , 并 将 执 行 结果 传 送 到监 控后 台 , 监 控 后 台可 实 时 记 录 、 推送 监 控 画 面 , 发出语音告警和提示信息等。 3 . 1 环境 联动 系统 实 时监 测 环 境参 数 , 进 行 一 系列 阈值 和逻 辑 判 断 , 如果 有 超 限情 况发 生 , 系统将 立 即启动 紧急 预案 , 并且 向变 电所 附近 的人员进 行语 音广 播 , 发 出 声 光报 警 , 提示该 变 电所发 生意外 状 况 , 必 须马 上采 取 必要 的控 制措 施 , 防止事 故扩 大 , 从 而确 保变 电所 运 行安 全 。 3 . 2 门禁联动 变 电所 电力监控站中联动模块实时监测门禁状 态 , 当人员进入时, 触发红外传感器, 监控站将信息 上传至地面监控 中心 , 监控后台自动记录和录像 , 并 推 送 出变 电所视 频 图像 , 系 统管 理 员 能 及 时 了解 人 员 活动 , 并 可 进 行 语 音 对 讲 , 从 而 实 现 变 电 所 远 程 监 控 。 3 . 3语音联 动 当系 统诊 断 出有 事件 发 生 时 , 地 面监 控后 台和 变 电所语音设备 同时联动 , 语音设备播报事件 , 将提 醒 相关 人员 及时 处理 。I P语 音 对讲装 置 采用 VO I P 语音通信技术, 以 UDP组播方式实时传输信号 , 可 实 现多 方实 时对 讲 。 3 . 4视 频 联 动 当系 统诊 断 出有 事件 发 生 时 , 推送 出该 变 电所 视 频 , 地面监 控后 台对 事件 发生 的现 场 状况 进 行 影 像录像 , 以便事故 回放 和调查 。摄像仪具备 网络接 口, 通 过就地 环 网交换 机或 电力监 控分 站接 人 系统 , 视 频数 据采 用客 户/ 服务 器 模 式 , 以 UD P组 播 方 式 传输至系统后台, 系统软件采用视频解码 S D K以及 Ac t i v e X控 件显 示 界 面 上 的控 制 视 频 窗 口, 并 结 合 逻辑控 制算 法实 现变 电所 的视频 监视 。 4无 人值 守变 电所 技术应 用 煤矿无 人值 守变 电所 监控技 术在 天地 王坡矿 数 字化 矿 山系统 中投 入 实 际应 用 , 该 项 目建立 了 电力 分控中心平台, 实施 了 6个变 电所 的监控 。电力分 控 中心配置 了连 接服务 器 、 属性 服务器 、 客 户端 服务 器和视频服务器 , 并配备工程师工作站和 E OW 超 级 操作 员平 台 , 配置 一 套 AC 8 0 0 M 控 制 器 实 现 与 电力监 控 站 数 据 交 互 , 所 有 电力 监 控操 作 在 E O W 上 实 现 。各 变 电 所 中 配 置 了 KJ F 9 9电力 监 控 站 、 KB A4本安 摄 像 仪 、 GHW5本 安 型 红 外 线 传 感 器 、 KGN1烟雾 传感 器 、 KG3 0 0 7 A 温度 传 感 器 、 KX T2 3 语 音 报 警 装 置 、 KX B 1 8声 光 报 警 器 、 KXH3 21 2 8 信号显示牌等环境监测 和联动设备 。系统结构如 图 2所 示 。 图 2 无 人值 守变电所 环境 监测 与联 动系统实例 将 变 电所 内的高压 开关 综合 保护器 改造 为数 字 化 微机 综合 保 护 器 , 采 用 RS 4 8 5信 号 线 接入 主 站 , 这是实现井下无人值守变电所的通信基础 。 2路本安摄像仪通过光纤接入 K J F 9 9电力监控 站 , 实 现在地 面调 度 中心对井 下 变 电所 的远 程监 视 , 并通过软件配合实现一系列视频联动功能 。一旦有 供 电开关故 障 、 变 电所 环境 参 数 变 化 或有 人 员 进 入 变 电所 , 系统 会 自动切 换至 相关 视频信 号 , 后 台值 班 人员可随时掌握变电所 的运行状态, 并可通过计算 机 麦 克风 直 接 与 进 入 井 下 变 电所 的人 员 进 行 语 音 对 话 。 语 音通 信装 置 与 KJ F 9 9电 力 监 控 站 间 通 过 以 太 网方式连 接 , 实现 地 面 调度 中心 与 井 下 变 电所 之 间 的语 音 报 警功 能 , 达 到地 面 与井 下 变 电所 之 间声 第 4 1卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 . 41 NO . 5 M a y 2 01 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 1 0 3 0 3 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 5 . 0 5 . 0 2 5 汪正进 , 李国民, 武风波 , 等. 矿井无线音视频终端设计[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 5 1 0 3 1 0 5 . 矿井无线音视频终端设计 汪正进 , 李 国民 , 武风 波 , 邹振 华 , 陈淋超 西安科技大学 通信与信息工程学 院, 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘 要 介 绍 了一种 矿 井无 线音视 频 终 端的 结构及 软硬 件 设计 方 案 。该 终 端 的收发 端 均 采 用 3 C6 4 1 0处 理 器 , 成 本较低 ; 软 件 基 于 L i n u x嵌 入 式操 作 系统 , 实 时性 及 稳 定 性 好 ; 收发 端 通过 无 线 Wi F i网络传 输 数 据 。测试 结果 表 明 , 该 终 端正 常传 输音视 频 数据 时 , C P U 占用率 不超 过 5 ; 室 内信 号传 输距 离约 为 1 0 0 m, 室外信 号 传输 距 离约为 3 0 0 m。 关键 词 矿 井 ;音视 频 终端 ;无线传 输 ; Wi F i ; 嵌 入 式 系统 中 图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 4 ~ 3 O 0 8 5 5 网络 出版 地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 5 0 4 3 0 . 0 8 5 5 . 0 2 5 . h t ml De s i gn o f wi r e l e s s a ud i o a nd v i de o t e r mi n a l o f mi n e W ANG Z h e n g j i n , L I Gu o mi n , WU F e n g b o , Z OU Z h e n h u a , C HE N L i n c h a o C o l l e g e o f C o mmu n i c a t i o n a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ,Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y,Xi a n 7 1 0 0 5 4 ,Ch i n a Ab s t r a c t S t r u c t ur e a nd d e s i gn s c he me s of ha r d wa r e a n d s o f t wa r e o f a wi r e l e s s a u di o a n d v i d e o t e r m i n a l 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 3 ; 修回 日期 2 0 1 5 0 3 - 0 9 ; 责任编辑 李 明。 基金 项 目 陕西省科技攻关项 目 2 0 0 9 K0 8 3 6 。 作者简 介 汪正进 1 9 8 1 一 , 男 , 安徽庐江人 , 工程师 , 硕士 , 研究方向为煤矿通信和视频监控系统 , E - ma i i j i n 7 8 1 6 3 . c o rn 音信 息 同步 的效果 。 2路门禁开关量信号、 2路红外传感器信号以电 信 号 方式 直 接 接 入 KJ F 9 9电力 监 控 站 。 门禁 开 关 和红外传感器用于探测是否有人 员进入该变 电所 , 可与 视频 信号 实 现联 动 。 烟雾 、 温 度 等 传 感 器 通 过 R S 4 8 5总 线 接 入 K J F 9 9电力 监 控 站 , 实 时 监 测 变 电所 环 境 参 数 , 实 现环 境监 测联 动 与 闭锁 。一旦 变 电所 发生 温度 超 限 或火 灾 , 系统 可实 现 自动 跳 闸闭锁 , 保 护供 电安 全 。 通过 项 目实 施 , 天地 王坡 矿实 现 了变 电所 “ 五 遥 四联动” 功能 , 即遥信 、 遥调、 遥测 、 遥控 、 遥视以及门 禁 联 动 、 语音 联动 、 视 频联 动 、 环境 联动 , 提 高 了井下 变 电所 无 人值 守 的安 全性 。 5 结语 随着 数字 化 矿 山建设 步伐 进 一 步 加快 , 煤 矿对 井下无人值守变电所的需求将越来越多 , 无人值守 变 电所 环 境监 测 和联 动技 术完 善 了煤 矿井 下无 人值 守 变 电所 监 控系 统 功 能 , 为 矿 山供 电提 供 了安 全 保 障 , 必将 得 到广泛 的应 用 和推广 , 也 为煤 矿 电力 监 控 系统技术 的发展 以及煤矿变 电所 建设提供 了技术 保证 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王彦 文 , 高彦. 煤矿供 电技术E M] . 北京 中国矿 业大学 出版社 , 2 0 1 2 . E 2 ] 乔 淑云 , 李德 臣 , 邵 晓根. 煤矿 电网灾 害监控 预警 系统 的设 计与实现[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 0 9 , 3 5 1 5 7 5 9 . [ 3 ] 王敏 , 杨旭彬. 无人值守变电所在煤矿井 下的应用 [ J ] . 煤 , Z O l 2, 2 1 4 3 0 3 1 . [ 4 ] 钱继学. 基 于 P L C的井下变电所 自动控制系统应用 r J ] . 煤矿 机械 , 2 0 1 1 6 2 3 1 ~ 2 3 3 . [ 5 3 高建勋 , 周丹 . 变 电站视频 及环境监 控系统在 S C AD A 系统 中 的应 用 [ J ] .电力 系 统 通 信 , 2 0 1 1 , 3 2 2 2 8 39 43 . [ 6 ] 王海波 , 史友仁. 煤 矿电力监控系统 的研 究与应用 [ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 0 9 , 3 5 7 1 3 0 1 3 2 .