井下智能變電所關鍵技術研究與應用

張磊 王海燕 衛雷杰

（中煤華晉集團有限公司，山西河津 043300）

0.引言

由于能源行業市場競爭加劇，煤炭企業的長遠發展取決于原煤成本，降本增效越來越重要。要實現煤礦智能化減人、降低原煤成本的目標，必須堅定不移地推進智能化技術在井下的應用。煤礦井下供電系統具有負載多、戰線長、面積廣等特點，同時井下環境惡劣，影響供電系統安全穩定運行的因素多。為了響應井下變電所設備固定崗位無人值守、減人提效和機器代人的變電所建設目標，中煤華晉集團華寧公司崖坪煤礦建設了740智能變電所，利用光纖電流縱聯差動保護技術、無線溫度監測、YOLOV3深度訓練網絡等技術，建立算數平均值算法、最小二乘法算法和消除奇異值算法，結合“六遙”功能和手機App，實現變電所的遠程監控、無人值守和智能供電建設目標[1-2]。

1.供電系統簡介

中煤華晉集團華寧公司崖坪煤礦變電所采用兩回路高壓系統雙母線分段運行方式，740變電所承擔礦井井下主要負荷，一回路進線電纜引自地面35kV變電站Ⅰ段10kV 625柜，二回路進線引自地面35kV變電站Ⅱ段10kV624柜，分段運行。高壓系統共26臺智能型高壓開關，配套保護。其中，兩臺進線開關，Ⅰ-8701為一段進線開關，Ⅱ-8702為二段進線開關，兩臺母聯開關分別為8700、8700-1，22臺出線開關，目前有18臺在使用，4臺備用。低壓系統分為2段，通過兩臺500kVA變壓器分別為一二段供電。

2.頂層設計

本供電系統基于B/S架構和分布式存儲的物聯網平臺開發設計，創新性地采用感知層、傳輸層、平臺層和應用層的層級架構，本平臺可以部署在私有云和公網專有云上，實現機電設備的實時監控、安全運轉與操作分析、設備動態管理；利用大數據、云計算實現能效與節能分析、設備診斷預警、高效運維等功能的云監控、云診斷、云管理、云維護[3]。供電系統架構圖如圖1所示。

圖1 供電系統架構圖

3.關鍵技術

3.1 “六遙”技術

“六遙”包括遙測、遙信、遙控、遙調、遙脈、遙視功能。遙脈裝置通過采集脈沖量信號、計量脈沖數，并存入Flash RAM，預防斷電后數據的丟失。采用cRc循環冗余校驗，利用RPA32光電隔離模塊的RS-485總線接口與上級管理系統實現數據傳輸通信，增強系統抗干擾的能力，可以有效防止遙脈裝置的內部電路受到外界高電壓的干擾信號而出現故障。同時，使用高可靠性抗雷擊接口芯片能夠降低線路中產生的瞬時過電壓，防止接口電路的損壞，增加通信的可靠性[4]。

遙控裝置是基于礦井智能化萬兆環網的繼電輸出裝置，通過軟件平臺系統輸出指令來實現遠程遙控操作。脈沖和自保為繼電器輸出的兩大方式。脈沖型輸出控制方式可實現繼電器觸點先閉合2s后自動斷開狀態，自保持型控制輸出方式可實現繼電器觸點持續保持閉合或斷開狀態。

遙測裝置是基于礦井智能化萬兆環網的模擬量采集裝置，用于采集配電設備的電壓、電流、功率、溫濕度、壓力、流量等模擬量信號。遙測裝置可以同時采集AC或DC電流信號，通過RS-485總線接口與上級管理系統實現數據傳輸通信，并將各類模擬量信號傳輸至地面。另外，本裝置無需另配電流變送器直接與ABB和LNS互感器配合。

遙信裝置是基于礦井智能化萬兆環網的開關量采集裝置，通過采集無源開關量信號，可以實時采集高低壓配電設備斷路器小車的位置和通斷狀態、各種開關量不部件的位置量，以及保護動作信號等，能記錄存儲32個事件順序記錄（SOE）信息，實時精準記錄開關量的狀態以及動作時間。

遙視裝置通過安裝AI視頻監控系統，對檢修行為、設備外觀和設備關鍵部位動作進行可視監控，并具有聚焦功能，對算法識別異常部位進行聚焦并報警，利用運動監測算法和Cauchy模型參數進行估計與維護，達到遙視的目的。

遙調裝置將模擬量和開關量利用井下環網傳輸數據中心地面核心交換機，實現地面遠程調整設備參數。

3.2 防越級跳閘技術

建立分層采樣和集中控制的防越級跳閘系統架構，將各類信號進行層級處理，防越級跳閘系統架構圖，如圖2所示。在遠端采集設備開關量信號和模擬量信號并進行數字化處理，通過光纖上傳至供配電設備的智能綜合保護測控裝置。

圖2 煤礦防越級跳閘系統架構

智能綜合保護測控裝置通過計算比對采集到的各種信息，判斷線路是否出現故障，是否需要進行跳閘動作保護。防越級跳閘系統架構采用3層兩網式架構，從圖2中可以看出3層分別是系統工作站組成的站控層，包含各種電氣單元的間隔層，實現測控功能的過程層。兩網分別是過程層與間隔層之間聯通的網絡，以及間隔層與站控層之間聯通的網絡。防越級跳閘系統采用光纖電流縱差技術，實現光纖電流差動保護、瞬時電流采樣值差動保護、故障分量電流差動保護、光纖電流縱差保護采樣同步，實現煤礦供系統的綜合防越級跳閘。

光纖電流縱聯差動保護技術主要基于光纖介質以及霍夫電流原理來實現，具有傳送質量強于抗干擾強度的特點，并且不易衰減。光纖電流縱差保護原理示意圖，如圖3所示。圖3中KD為差動繼電器，在正常狀態下或者短路點發生在MN線路之外的K2點或其他點時，根據圖中規定的正方向可以得出，線路中的電流在M側為正值，在N側為負值。M側和N側的電流大小相等方向相反，即當短路發生線路內部K1點時，兩側故障電流均為正方向即為線路中K1處的短路電流值。當被保護線路外部和內部分別短路時，一處的短路電流很大，另一個幾乎為0，便構成了電流縱差保護。

圖3 電流縱差保護原理示意圖

相量電流差動保護實時響應速度慢，瞬時電流采樣值差動保護是通過固定判據形成的差動保護可以大幅度提升其瞬時響應速度。使用瞬時電流采樣值差動保護采樣，首先對故障進行相應判斷，其次兩端的電流采樣瞬時絕對值的和需要符合兩種條件：要比整定值大，如公式1所示；要是大大高于兩者之差，如公式2所示。

式中，i1、i2表示的是線路兩端的瞬時電流采樣值；i0表示的是線路的整定值；K表示系統的制動系數。

當線路正常工作運行時，線路中的電流瞬時值不斷變化著，通過相應的判斷依據可實現差動保護。保護動作靈敏度效果由采樣周期決定。不同的采樣周期效果不同。

假設有一輸電線，其線路兩端的電流分別是i1=A×sin(ωt)和i2=Asin(ωt-Δθ)，并且他們之間的相位差為Δθ=π/180，按照公式2就能夠得到動作電流公式，如公式3所示；制動電流公式，如公式4所示。

式中，ω表示角頻率；A表示的是整定值；K表示制動系數。

當分析半個周期內的差動保護性能時，時間和采樣角度都會影響到制動作用。其保護效果十分接近常規量的電流差動保護制動公式，如公式5所示。

當采樣的判斷依據超過90°時，就可以在最佳的采樣角度45°采集到瞬時電流，不然就不能確保制動效果和差動保護的常規狀態相一致，某些采樣進行制動之后會出現錯誤。如果在越級跳閘保護系統中，其一個周期要進行N次采樣，那么采樣點數S就要符合公式6。

3.3 供電監控體系

設計一套信息智能采集板，安裝在高壓隔爆型配電開關中，智能采集板與高壓開關原有的繼電保護裝置的獨立運行，互不影響。智能信息采集板負責采集監測開關的電壓、電流、功率、內腔的溫濕度，并將采集的數據通過電力監控分站傳輸至地面控制上位機站。信息智能采集板通過控制上位機站可以對高壓隔爆型配電開關電壓、電流、短路、過載等保護進行整定，遠程對高壓開關狀態進行實時監測控制。信息智能采集板系統結構圖，如圖4所示。

圖4 信息智能采集板系統結構圖

系統通過各類傳感器采集供電設備運行狀態信息數據，利用算數平均值、最小二乘法和消除奇異值法有效減小干擾造成數據偏大或偏小的情況，實現供電系統的有效監控。

3.4 AI視頻融合供電系統

雖然傳統的跟蹤算法能夠實現對井下變電所人員位置的檢測跟蹤定位，但受外部環境、粉塵、燈光等諸多外在環境的影響，無法提取到完整的有效特征。人的面部特征、膚色、姿態等也會受衣服遮擋、光線的影響難以捕捉到具體特征，效果不佳。除此之外，傳統的生成類跟蹤算法對于初始幀或檢測到的目標準確性要求較高，此類方法的效果在準確性上誤差較大。尤其在煤礦井下中央變電所、水泵房等要害場所，更需要精確的人員準確檢測、跟蹤，以預防事故發生，保證安全生產。而采用深度學習網絡可以更好地滿足這些特定的場景需求。深度學習YOLOv3網絡結構圖，如圖5所示[5]。

圖5 YOLOv3網絡結構圖

利用YOLOv3網絡進行5次采樣（即32倍降采樣）來實現要害場所人物圖像的特征提取，并將不同層提取的特征疊加，獲得的740變電所監控視頻為超高清畫質，像素分辨率為1920×1080，但 Darknet53 網絡本身網絡深度深、層數多，大尺寸的圖像送入網絡訓練，會使網絡訓練緩慢，收斂較慢，故需對視頻數據進行預處理。為保證畫面清晰度與訓練網絡處理速度，利用OpenCV中resize函數功能，將原視頻縮放至856×480尺寸后截取視頻。對于模型在測試集上的結果可以通過P-R曲線進行形象展示和分析，在有225張圖片的測試集下，每張圖片對應于一個精確率和召回率，得到最終的P-R曲線，其AP值表示為藍線下方面積，為97.78%。測試集的P-R曲線，如圖6所示。

圖6 測試集P-R曲線圖

同樣的檢測模型的多尺度訓練效果，其置信度分數從左到右分別為1.00、0.89和0.95，代表礦工在直立、彎腰以及下蹲時不同姿勢的檢測。可以看出模型在多尺度及小目標檢測的工況下置信度分數在0.85以上；在有粉塵、不同光照等外界因素干擾的工況下，置信度分數降低，保持在0.5以上，高于設定的0.25。實現滯留跟蹤判別、越界跟蹤判別和操作情況判別。

4.系統建設內容

4.1 設備選型

740智能變電所選用PJG770A-10Y型礦用隔爆兼本質安全型永磁機構高壓真空配電裝置（630A進線柜）2臺、PJG770A-10Y型礦用隔爆兼本質安全型永磁機構高壓真空配電裝置（雙母聯開關柜）2臺、PJG770A-10Y型礦用隔爆兼本質安全型永磁機構高壓真空配電裝（400A饋出線柜）22臺、KBSG-500/10型礦用隔爆型干式變壓器2臺。

4.2 實現功能

（1）建設無人值守變電所遠程監控平臺（如圖7所示）。實現供電系統集中管理和“六遙”功能，完成變電所供電設備運行數據實時采集上傳、設備的狀態監視、遠程集中控制，存儲、查詢和統計整個系統的運行數據、故障預警診斷、歷史曲線、報表、打印輸出、故障定位、故障錄波、電纜絕緣實時監測預警，網絡拓撲結構自動識別、一鍵式快速恢復供電等管理功能，進一步實現供電系統高效安全運行、無人值守，提高管理水平[6]。

圖7 遠程監控平臺

（2）建設計量系統。高壓保護器計量精度不低于0.5S級，實現電能消耗量的自動抄表記錄以及峰平谷3個階段分時計量，可提供各單位、各設備任何時間段內的電能消耗統計情況，自動生成多種形式報表。

（3）建設防越級跳閘系統。該系統可提高供電系統的供電可靠性。

（4）建設高壓精準漏電保護系統。實現井下高壓供電系統的診斷信號法漏電保護功能，漏電保護方式不受電網運行方式影響，徹底解決井下高壓漏電保護亂跳、誤跳、選擇性不準確的問題。

（5）建設變電所工況環境監測系統。該系統能夠實現變電所溫度、煙霧監控，與電力監控系統進行聯防聯動，對異常情況進行報警。

（6）建設變電所音、視頻監控系統。該系統能夠對變電所無盲點視頻監控，并對異常情況進行報警；能夠與電力監控系統進行聯防聯動，實現監控中心與井下各變電所之間的音、視頻聯動。

（7）建設智能門禁管理系統。該系統具有變電所無人值守后的門禁管理功能，以及要害區域人員的出入管理及告警聯動功能[7]。

（8）實現高壓開關斷路器觸頭溫度監測和電纜終端接頭溫度監測，具有超溫預警和溫度傳感器故障自動預警等功能，以及供電系統的手機App管理功能、系統廠家遠程云服務、云維護功能，實現數據共享，定期對電網運行情況進行巡檢，給出電網運行的合理化建議[8]。

4.3 先進性

（1）母聯采用銅母排整體連接，如圖8所示。簡化了母線連接電纜及電纜頭制作，提高了母線載流量、安全性。

圖8 銅母排整體連接

（2）配置動靜觸頭音、視頻實時監測和觸頭無線測溫裝置，如圖9所示。受強電磁、高壓絕緣等級、開關內部空間等限制，無線測溫裝置采用LoRa進行高壓開關腔內的溫度信號傳輸，測溫傳感器固定在高壓設備內腔上，與接收設備無線傳輸，將徹底解決高壓設備關鍵點運行溫度實時在線監測難的問題。

圖9 動靜觸頭視頻監控

（3）齊全、可靠的“五防”功能，可避免操作失誤潛在的風險。所有蓋板和門帶有電磁閉鎖功能，手車處于工作位置時蓋板和門無法打開，手車處于檢修位置時蓋板和門才能打開，防止人員誤帶電開蓋。具有接地刀閘閉鎖功能，當接地刀閘處于分閘位置時斷路器才能從試驗或斷開位置移至工作位置，當斷路器手車處于試驗或斷開位置時接地刀閘才能進行合閘操作，這樣實現了防止帶電誤合接地刀閘及防止刀閘處于閉合位置時關合斷路器。及接地刀閘處于合閘位置時后蓋和前門可以打開，處于分閘位置時后蓋和前門無法打開。

（4）具有防越級跳閘、選擇性漏電保護、電纜絕緣實時監測預警功能。

（5）可在地面遠程分合斷路器、接地刀閘和遠程進退斷路器小車。智能開關綜合控制器能實現對電動手車的控制和保護，具有遠方和就地兩種操作模式。控制模塊包含過流保護、電機正反轉控制等功能。過流保護則能根據底盤車動作特性設定保護電流值，當電動手車驅動電機運轉受阻、搖入工作位置及搖出工作位置出現卡死等工況達到保護條件時，立即對電機制動，并逆向驅動電機解除悶車卡死現象，并且不影響底盤車手動搖進工作位置。控制模塊可實現對接地刀電動機構的控制和保護，控制器可在電動機構驅動接地刀運轉受阻（如安裝不到位或機構卡死）達到保護條件時立即對電機制動，并逆向驅動電機解除悶車卡死狀態。

（6）全面實現手機App終端監控，從而實現變電所供電系統無人值守，保障供電系統高效可靠運行。

5.結論

（1）通過建設740智能變電所提高了中煤華晉集團華寧公司崖坪煤礦井下供電系統的穩定性和安全性。

（2）利用數字化通信、完善的綜合保護、遠程操控和遠程音視頻功能、觸頭在線無線測溫、開關柜內音視頻監控、遠程開關柜斷路器手車進出、高壓接地刀分合閘操控、檢修接地保護裝置、安全五防閉鎖等設備功能達到井下變電所無人值守的基礎硬件要求。

（3）利用光纖電流縱聯差動保護技術實現防越級跳閘，構建供電系統體系，利用算數平均值、最小二乘法和消除奇異值法有效減少干擾，實現供電系統的有效監控。

（4）通過AI攝像儀利用YOLOv3網絡進行特征提取并進行訓練，實現變電所人員操作流程的智能識別。建設“遠程監控為主，人工巡查為輔”的新型智能變電所，開創了井下變電所的智能化建設先河[9]。