井下智能变电所关键技术研究与应用

张磊 王海燕 卫雷杰

（中煤华晋集团有限公司，山西河津 043300）

0.引言

由于能源行业市场竞争加剧，煤炭企业的长远发展取决于原煤成本，降本增效越来越重要。要实现煤矿智能化减人、降低原煤成本的目标，必须坚定不移地推进智能化技术在井下的应用。煤矿井下供电系统具有负载多、战线长、面积广等特点，同时井下环境恶劣，影响供电系统安全稳定运行的因素多。为了响应井下变电所设备固定岗位无人值守、减人提效和机器代人的变电所建设目标，中煤华晋集团华宁公司崖坪煤矿建设了740智能变电所，利用光纤电流纵联差动保护技术、无线温度监测、YOLOV3深度训练网络等技术，建立算数平均值算法、最小二乘法算法和消除奇异值算法，结合“六遥”功能和手机App，实现变电所的远程监控、无人值守和智能供电建设目标[1-2]。

1.供电系统简介

中煤华晋集团华宁公司崖坪煤矿变电所采用两回路高压系统双母线分段运行方式，740变电所承担矿井井下主要负荷，一回路进线电缆引自地面35kV变电站Ⅰ段10kV 625柜，二回路进线引自地面35kV变电站Ⅱ段10kV624柜，分段运行。高压系统共26台智能型高压开关，配套保护。其中，两台进线开关，Ⅰ-8701为一段进线开关，Ⅱ-8702为二段进线开关，两台母联开关分别为8700、8700-1，22台出线开关，目前有18台在使用，4台备用。低压系统分为2段，通过两台500kVA变压器分别为一二段供电。

2.顶层设计

本供电系统基于B/S架构和分布式存储的物联网平台开发设计，创新性地采用感知层、传输层、平台层和应用层的层级架构，本平台可以部署在私有云和公网专有云上，实现机电设备的实时监控、安全运转与操作分析、设备动态管理；利用大数据、云计算实现能效与节能分析、设备诊断预警、高效运维等功能的云监控、云诊断、云管理、云维护[3]。供电系统架构图如图1所示。

图1 供电系统架构图

3.关键技术

3.1 “六遥”技术

“六遥”包括遥测、遥信、遥控、遥调、遥脉、遥视功能。遥脉装置通过采集脉冲量信号、计量脉冲数，并存入Flash RAM，预防断电后数据的丢失。采用cRc循环冗余校验，利用RPA32光电隔离模块的RS-485总线接口与上级管理系统实现数据传输通信，增强系统抗干扰的能力，可以有效防止遥脉装置的内部电路受到外界高电压的干扰信号而出现故障。同时，使用高可靠性抗雷击接口芯片能够降低线路中产生的瞬时过电压，防止接口电路的损坏，增加通信的可靠性[4]。

遥控装置是基于矿井智能化万兆环网的继电输出装置，通过软件平台系统输出指令来实现远程遥控操作。脉冲和自保为继电器输出的两大方式。脉冲型输出控制方式可实现继电器触点先闭合2s后自动断开状态，自保持型控制输出方式可实现继电器触点持续保持闭合或断开状态。

遥测装置是基于矿井智能化万兆环网的模拟量采集装置，用于采集配电设备的电压、电流、功率、温湿度、压力、流量等模拟量信号。遥测装置可以同时采集AC或DC电流信号，通过RS-485总线接口与上级管理系统实现数据传输通信，并将各类模拟量信号传输至地面。另外，本装置无需另配电流变送器直接与ABB和LNS互感器配合。

遥信装置是基于矿井智能化万兆环网的开关量采集装置，通过采集无源开关量信号，可以实时采集高低压配电设备断路器小车的位置和通断状态、各种开关量不部件的位置量，以及保护动作信号等，能记录存储32个事件顺序记录（SOE）信息，实时精准记录开关量的状态以及动作时间。

遥视装置通过安装AI视频监控系统，对检修行为、设备外观和设备关键部位动作进行可视监控，并具有聚焦功能，对算法识别异常部位进行聚焦并报警，利用运动监测算法和Cauchy模型参数进行估计与维护，达到遥视的目的。

遥调装置将模拟量和开关量利用井下环网传输数据中心地面核心交换机，实现地面远程调整设备参数。

3.2 防越级跳闸技术

建立分层采样和集中控制的防越级跳闸系统架构，将各类信号进行层级处理，防越级跳闸系统架构图，如图2所示。在远端采集设备开关量信号和模拟量信号并进行数字化处理，通过光纤上传至供配电设备的智能综合保护测控装置。

图2 煤矿防越级跳闸系统架构

智能综合保护测控装置通过计算比对采集到的各种信息，判断线路是否出现故障，是否需要进行跳闸动作保护。防越级跳闸系统架构采用3层两网式架构，从图2中可以看出3层分别是系统工作站组成的站控层，包含各种电气单元的间隔层，实现测控功能的过程层。两网分别是过程层与间隔层之间联通的网络，以及间隔层与站控层之间联通的网络。防越级跳闸系统采用光纤电流纵差技术，实现光纤电流差动保护、瞬时电流采样值差动保护、故障分量电流差动保护、光纤电流纵差保护采样同步，实现煤矿供系统的综合防越级跳闸。

光纤电流纵联差动保护技术主要基于光纤介质以及霍夫电流原理来实现，具有传送质量强于抗干扰强度的特点，并且不易衰减。光纤电流纵差保护原理示意图，如图3所示。图3中KD为差动继电器，在正常状态下或者短路点发生在MN线路之外的K2点或其他点时，根据图中规定的正方向可以得出，线路中的电流在M侧为正值，在N侧为负值。M侧和N侧的电流大小相等方向相反，即当短路发生线路内部K1点时，两侧故障电流均为正方向即为线路中K1处的短路电流值。当被保护线路外部和内部分别短路时，一处的短路电流很大，另一个几乎为0，便构成了电流纵差保护。

图3 电流纵差保护原理示意图

相量电流差动保护实时响应速度慢，瞬时电流采样值差动保护是通过固定判据形成的差动保护可以大幅度提升其瞬时响应速度。使用瞬时电流采样值差动保护采样，首先对故障进行相应判断，其次两端的电流采样瞬时绝对值的和需要符合两种条件：要比整定值大，如公式1所示；要是大大高于两者之差，如公式2所示。

式中，i1、i2表示的是线路两端的瞬时电流采样值；i0表示的是线路的整定值；K表示系统的制动系数。

当线路正常工作运行时，线路中的电流瞬时值不断变化着，通过相应的判断依据可实现差动保护。保护动作灵敏度效果由采样周期决定。不同的采样周期效果不同。

假设有一输电线，其线路两端的电流分别是i1=A×sin(ωt)和i2=Asin(ωt-Δθ)，并且他们之间的相位差为Δθ=π/180，按照公式2就能够得到动作电流公式，如公式3所示；制动电流公式，如公式4所示。

式中，ω表示角频率；A表示的是整定值；K表示制动系数。

当分析半个周期内的差动保护性能时，时间和采样角度都会影响到制动作用。其保护效果十分接近常规量的电流差动保护制动公式，如公式5所示。

当采样的判断依据超过90°时，就可以在最佳的采样角度45°采集到瞬时电流，不然就不能确保制动效果和差动保护的常规状态相一致，某些采样进行制动之后会出现错误。如果在越级跳闸保护系统中，其一个周期要进行N次采样，那么采样点数S就要符合公式6。

3.3 供电监控体系

设计一套信息智能采集板，安装在高压隔爆型配电开关中，智能采集板与高压开关原有的继电保护装置的独立运行，互不影响。智能信息采集板负责采集监测开关的电压、电流、功率、内腔的温湿度，并将采集的数据通过电力监控分站传输至地面控制上位机站。信息智能采集板通过控制上位机站可以对高压隔爆型配电开关电压、电流、短路、过载等保护进行整定，远程对高压开关状态进行实时监测控制。信息智能采集板系统结构图，如图4所示。

图4 信息智能采集板系统结构图

系统通过各类传感器采集供电设备运行状态信息数据，利用算数平均值、最小二乘法和消除奇异值法有效减小干扰造成数据偏大或偏小的情况，实现供电系统的有效监控。

3.4 AI视频融合供电系统

虽然传统的跟踪算法能够实现对井下变电所人员位置的检测跟踪定位，但受外部环境、粉尘、灯光等诸多外在环境的影响，无法提取到完整的有效特征。人的面部特征、肤色、姿态等也会受衣服遮挡、光线的影响难以捕捉到具体特征，效果不佳。除此之外，传统的生成类跟踪算法对于初始帧或检测到的目标准确性要求较高，此类方法的效果在准确性上误差较大。尤其在煤矿井下中央变电所、水泵房等要害场所，更需要精确的人员准确检测、跟踪，以预防事故发生，保证安全生产。而采用深度学习网络可以更好地满足这些特定的场景需求。深度学习YOLOv3网络结构图，如图5所示[5]。

图5 YOLOv3网络结构图

利用YOLOv3网络进行5次采样（即32倍降采样）来实现要害场所人物图像的特征提取，并将不同层提取的特征叠加，获得的740变电所监控视频为超高清画质，像素分辨率为1920×1080，但 Darknet53 网络本身网络深度深、层数多，大尺寸的图像送入网络训练，会使网络训练缓慢，收敛较慢，故需对视频数据进行预处理。为保证画面清晰度与训练网络处理速度，利用OpenCV中resize函数功能，将原视频缩放至856×480尺寸后截取视频。对于模型在测试集上的结果可以通过P-R曲线进行形象展示和分析，在有225张图片的测试集下，每张图片对应于一个精确率和召回率，得到最终的P-R曲线，其AP值表示为蓝线下方面积，为97.78%。测试集的P-R曲线，如图6所示。

图6 测试集P-R曲线图

同样的检测模型的多尺度训练效果，其置信度分数从左到右分别为1.00、0.89和0.95，代表矿工在直立、弯腰以及下蹲时不同姿势的检测。可以看出模型在多尺度及小目标检测的工况下置信度分数在0.85以上；在有粉尘、不同光照等外界因素干扰的工况下，置信度分数降低，保持在0.5以上，高于设定的0.25。实现滞留跟踪判别、越界跟踪判别和操作情况判别。

4.系统建设内容

4.1 设备选型

740智能变电所选用PJG770A-10Y型矿用隔爆兼本质安全型永磁机构高压真空配电装置（630A进线柜）2台、PJG770A-10Y型矿用隔爆兼本质安全型永磁机构高压真空配电装置（双母联开关柜）2台、PJG770A-10Y型矿用隔爆兼本质安全型永磁机构高压真空配电装（400A馈出线柜）22台、KBSG-500/10型矿用隔爆型干式变压器2台。

4.2 实现功能

（1）建设无人值守变电所远程监控平台（如图7所示）。实现供电系统集中管理和“六遥”功能，完成变电所供电设备运行数据实时采集上传、设备的状态监视、远程集中控制，存储、查询和统计整个系统的运行数据、故障预警诊断、历史曲线、报表、打印输出、故障定位、故障录波、电缆绝缘实时监测预警，网络拓扑结构自动识别、一键式快速恢复供电等管理功能，进一步实现供电系统高效安全运行、无人值守，提高管理水平[6]。

图7 远程监控平台

（2）建设计量系统。高压保护器计量精度不低于0.5S级，实现电能消耗量的自动抄表记录以及峰平谷3个阶段分时计量，可提供各单位、各设备任何时间段内的电能消耗统计情况，自动生成多种形式报表。

（3）建设防越级跳闸系统。该系统可提高供电系统的供电可靠性。

（4）建设高压精准漏电保护系统。实现井下高压供电系统的诊断信号法漏电保护功能，漏电保护方式不受电网运行方式影响，彻底解决井下高压漏电保护乱跳、误跳、选择性不准确的问题。

（5）建设变电所工况环境监测系统。该系统能够实现变电所温度、烟雾监控，与电力监控系统进行联防联动，对异常情况进行报警。

（6）建设变电所音、视频监控系统。该系统能够对变电所无盲点视频监控，并对异常情况进行报警；能够与电力监控系统进行联防联动，实现监控中心与井下各变电所之间的音、视频联动。

（7）建设智能门禁管理系统。该系统具有变电所无人值守后的门禁管理功能，以及要害区域人员的出入管理及告警联动功能[7]。

（8）实现高压开关断路器触头温度监测和电缆终端接头温度监测，具有超温预警和温度传感器故障自动预警等功能，以及供电系统的手机App管理功能、系统厂家远程云服务、云维护功能，实现数据共享，定期对电网运行情况进行巡检，给出电网运行的合理化建议[8]。

4.3 先进性

（1）母联采用铜母排整体连接，如图8所示。简化了母线连接电缆及电缆头制作，提高了母线载流量、安全性。

图8 铜母排整体连接

（2）配置动静触头音、视频实时监测和触头无线测温装置，如图9所示。受强电磁、高压绝缘等级、开关内部空间等限制，无线测温装置采用LoRa进行高压开关腔内的温度信号传输，测温传感器固定在高压设备内腔上，与接收设备无线传输，将彻底解决高压设备关键点运行温度实时在线监测难的问题。

图9 动静触头视频监控

（3）齐全、可靠的“五防”功能，可避免操作失误潜在的风险。所有盖板和门带有电磁闭锁功能，手车处于工作位置时盖板和门无法打开，手车处于检修位置时盖板和门才能打开，防止人员误带电开盖。具有接地刀闸闭锁功能，当接地刀闸处于分闸位置时断路器才能从试验或断开位置移至工作位置，当断路器手车处于试验或断开位置时接地刀闸才能进行合闸操作，这样实现了防止带电误合接地刀闸及防止刀闸处于闭合位置时关合断路器。及接地刀闸处于合闸位置时后盖和前门可以打开，处于分闸位置时后盖和前门无法打开。

（4）具有防越级跳闸、选择性漏电保护、电缆绝缘实时监测预警功能。

（5）可在地面远程分合断路器、接地刀闸和远程进退断路器小车。智能开关综合控制器能实现对电动手车的控制和保护，具有远方和就地两种操作模式。控制模块包含过流保护、电机正反转控制等功能。过流保护则能根据底盘车动作特性设定保护电流值，当电动手车驱动电机运转受阻、摇入工作位置及摇出工作位置出现卡死等工况达到保护条件时，立即对电机制动，并逆向驱动电机解除闷车卡死现象，并且不影响底盘车手动摇进工作位置。控制模块可实现对接地刀电动机构的控制和保护，控制器可在电动机构驱动接地刀运转受阻（如安装不到位或机构卡死）达到保护条件时立即对电机制动，并逆向驱动电机解除闷车卡死状态。

（6）全面实现手机App终端监控，从而实现变电所供电系统无人值守，保障供电系统高效可靠运行。

5.结论

（1）通过建设740智能变电所提高了中煤华晋集团华宁公司崖坪煤矿井下供电系统的稳定性和安全性。

（2）利用数字化通信、完善的综合保护、远程操控和远程音视频功能、触头在线无线测温、开关柜内音视频监控、远程开关柜断路器手车进出、高压接地刀分合闸操控、检修接地保护装置、安全五防闭锁等设备功能达到井下变电所无人值守的基础硬件要求。

（3）利用光纤电流纵联差动保护技术实现防越级跳闸，构建供电系统体系，利用算数平均值、最小二乘法和消除奇异值法有效减少干扰，实现供电系统的有效监控。

（4）通过AI摄像仪利用YOLOv3网络进行特征提取并进行训练，实现变电所人员操作流程的智能识别。建设“远程监控为主，人工巡查为辅”的新型智能变电所，开创了井下变电所的智能化建设先河[9]。