煤矿智能化是5G、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术与煤矿采、掘、机、运、通等全生产工艺流程的深度融合，是我国煤炭行业第四次重大技术变革。煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，是煤矿发展的必由之路。随着煤矿开采智能化水平越来越高，对矿井供电可靠性也提出了更高要求。目前，各矿井供电系统及电气设备仅能满足正常生产需要，可实现简单远程操作，普通故障隔离，但故障自动判别、设备健康状态分析、电网故障决策自动恢复等智能化技术不足。

为提高矿井供电可靠性，提升黄陵矿区整体智能化水平，针对矿区供电系统极易受到复杂条件下各种不确定因素影响而发生故障的现状，提出科学合理的智能化建设方案，并进行实践应用。

 黄陵矿区供电系统概述

黄陵矿区地处陕北高原南部，平均海拔1 100 m 左右，供电网络分布于山沟纵横、灌木丛生、雷电高发、森林覆盖率超过90%的子午岭桥山林区，每年雷暴天气多达30天，并伴有洪灾水患，相对全国其他大多数煤矿，安全供电压力明显较大。

黄陵矿区供电系统由电力调度主站、2座110 kV（鲁寺、西峪）、6座35 k V（花家庄、定周、侯庄、焦沟、北沟、香房）变电站、400余km的架空线路和26个箱配变组成。

目前，黄陵矿区供电系统存在以下主要问题：

（1）电力调度主站自动化系统监控软件功能单一，只能实现对数据、语音、视频信息的简单监控，后期无法接入智能采集、控制、计算、分析模块。

（2）供电所管辖的各变电站建设时间较长，大部分变电站运行超过10年，运行数据采集系统不完善，影响设备安全运行。

（3）矿区6~110 kV架空线路杆塔大部分穿越山林，运行环境复杂，出现故障时，需要维护人员撒网式寻找故障点，判断故障类型，耗费时间较长。

黄陵矿区智能供电系统改造目标

根据陕西陕煤黄陵矿业有限公司“智慧矿山”发展规划要求，陕西陕煤黄陵矿业有限公司机电公司以“智能引领”为主基调，“五个创新”为指导，整体规划智能供电系统建设框架（图1）。智能调度系统不应仅局限于某一专业或者场所，而应是一个全方面的综合调度系统，包括电气监控、调度通信、设备操作、视频监控等。智能供电应实现故障的预判和预处理、快速故障隔离。结合黄陵矿区现有供电系统的运行情况，利用AI（人工智能）、AR（现实增强）、大数据、一键顺控及无人机等先进技术，建设“调度中心+智慧系统”的供电网络，分别从电力调度、变电站、架空线路3部分进行改造，构建安全、智能的运行环境，实现电力调度中心对各变电站设备状态的全面监测、机器人智能巡视、输配电线路无人巡查、人机环风险动态管控以及供电系统的智能分析决策，提前发现供电系统潜在隐患，提高运维效率，降低运维成本，全面提升安全运行管控水平，保障供电系统安全、稳定运行。为实现“无人值守，无人巡视”的智能供电目标提供强有力的技术支撑。

图1 智能供电系统建设框架 

智能供电系统改造实施方案 

建立以电力调度为中心的智能体系

供电在矿山生产中的重要性不言而喻，发现任何供电问题都需要快速解决。电力调度监控的策略,在于加强技术性的操作水平，在各类监控理念、监控方法上不断地创新，对监控范围进一步扩大,为电力调度工作的开展奠定坚实的基础。电力调度主站作为矿区供电系统的“神经中枢”，负责传递和分析信息、集成全部服务器，以及实现虚拟化管理（图2）。

图2 智能供电系统系统配置

智能供电系统改造的硬件部分主要包括：2台数据库服务器、2台应用服务器、2台SCADA服务器、2台数据采集及代理服务器、2台保信服务器、2台WEB/生产服务器、1台辅助及监控平台服务器、1台智能分析服务器、1台AI开放平台专用超脑监控一体机、2台监控工作站、2台服务/报表工作站、2台保信/生产管理工作站、1台辅助平台主机、7套20G带宽光传输设备、8台交换机、2台防火墙，以及其他附件和配件等。显示屏幕采用2 块P1.2小间距LED、1块7.7 m×2.67 m的主屏，以及1块3.55 m×2 m的副屏。

智能供电系统改造的软件部分主要包括：安全操作系统、调配一体化支撑平台及SCADA软件、WEB功能软件、智能工作票和操作票软件、电网调度防误、调度智能辅助决策软件、保护信息处理、投屏拼接软件、AR鹰眼全景软件、“AI超脑”视频计算软件，以及视频联动系统等（图3）。

图3 智能供电系统软件功能

电力调度系统严格遵循I E C61970标准，支持变电站IEC61850标准规约设备接入，并为变电站及高压线路的智能监测、控制、分析平台预留接口，对后期供电系统智能化应用提供支持，使系统更开放、更稳定可靠、更安全、实时性更高；应用功能充分利用可视化技术、信息按责任分区、智能报警等技术，使调度员能够迅速察觉电网的重要异常信息。具体实现内容如下：

（1）实现电网状态实时监控

通过电力自动化调度系统对电网运行情况进行实时监控，包括电压、电流、负荷等参数的实时监测，开关位置、刀闸状态、压板投退等位置信号实时监控。一旦发现异常，立刻通过自动化报警系统向工作人员进行预警，并收集故障相关信息，便于维护人员进行故障分析和排查。同时，还可以对所用变压器低压侧、UPS运行情况以及通信设备运行状态等进行实时监测。

借助变电站保护监控系统、光纤测温系统，生成电气设备模型，通过对设备电气特性、机械特性及温度特性的参数监测，得出设备健康状态，针对健康状态的严重程度进行“隐患、告警、故障”等提示，直观地显示各类设备指标和监测数据，以状态检修代替常规例行巡检，为工作人员进行设备监测提供强有力的管理支持。

（2）实现电网调度智能防误

电网调度智能防误模拟系统主要由智能操作票系统、防误模拟系统组成。防误模拟系统采用全网拓扑、潮流计算和操作仿真技术，以一次接线模拟图的形式实现调度操作的模拟和误操作识别报警功能。智能操作票系统实现调度操作票拟票—审核— 预令—监护—执行的全过程计算机规范化管理，该系统能够智能辨识操作票中调度操作指令（一次及二次设备），并在电网调度智能防误模拟系统中自动演示、防误校验和模拟预演，确保命令票准确无误。电网调度智能防误功能界面如图5所示。

图4 电力自动化调度系统

图5 电网调度智能防误功能界面

（3）实现电网AI决策分析

对黄陵矿区地面供电网络进行建模，基于对电网潮流、短路电流等专业参数的综合计算，帮助定位故障点。通过AI分析给出故障决策意见及处理建议，预留执行接口，必要时由智能调度系统进行操作，能够根据实际情况进行一些自处理，实现电网的自救。同时也可以根据情况对发生的故障进行选择性的区域隔离, 能够尽量减少对整个矿区电力网络的影响，最大程度地降低停电故障造成的损失。电网决策分析逻辑如图6所示。

图6 电网决策分析逻辑

（4）实现智能电网能效分析

对重点用能单位的能耗在线监测是国家推进生态文明建设、加强能耗精准管控、提高企业能效水平、落实“十四五”规划纲要，以及“碳达峰碳中和”目标要求的一项重要举措。改变以往人工定时抄表的方式统计用电及能源消耗状况，通过能效管理信息系统在线监测各个矿井单位的生产能耗动态信息，并将能耗数据与相对应的设备、班站生产数据相结合，现场运行管理人员可了解和掌握生产环节和设备的实时能耗状况、单位能耗数据、能耗变化趋势和实时运行参数等信息。通过能耗分析，最终实现能耗数据化、数据可视化、节能指标化、管理动态化、决策科学化、服务人性化的 “六化” 目标。电网能效分析界面如图7所示。

图7 电网能效分析界面

（5）搭建变电站辅控平台

电网系统智能化的发展是为了广泛推广变电站无人值班管理模式，电力远程辅助平台系统的建设已变得至关重要。远视频监控中心可实现变电站远程实时监控、远程告警处理，并集成变电站各辅助子系统，实现任何自定义的设备联动，包括现场设备显示及操作火灾消防、五防、门禁、SF6监测、电缆沟监测、环境监测、报警等相关设备联动，提高变电站运行和维护的安全性和可靠性，实现电网的可视化监控和调度，使电网运行更为安全、可靠。变电站辅控平台效果如图8所示。

图8 变电站辅控平台效果

（6）实现AR鹰眼全景监控及视频联动

利用变电站加装的AR鹰眼全景摄像机，实现变电站360°全景实时视频浏览，在视频画面中添加虚拟标签，点击界面中的标签，摄像机会触发联动功能，转到对应标签位置的相机子界面。当视频监控与联动系统收到故障、开关变位信息后，电子标签发生变色，并将现场摄像头自动转向动作间隔，重点监控动作设备的实时状态。视频监控与联动系统界面、AR鹰眼全景监控界面分别如图9、图10所示。

 图9 视频监控与联动系统界面

图10 AR鹰眼全景监控界面

（7）实现AI超脑+NOSA现场风险智能识别

基于不同智能红外热成像监控设备，利用双视融合技术，提供故障设备定点监测、多点巡航监测、终端设备监测、室内机房综合监测等边界清晰图像，为监控平台分析提供基础数据支撑。通对AI超脑对变电站现场进行实时监测及深度计算， 判别人员、设备和环境的隐患及不安全状态；通过实时与现场人员位置数据比对分析，可以快速、准确地识别误入带电间隔、侵犯安全带电距离、进入非工作区域（例如检修人员进入试验区域）等安全越限行为，并根据不同的风险等级，以不同颜色来进行告警。变电站风险智能分析效果如图11所示。

图11 变电站风险智能分析效果 

（8）实现AR智能巡检

利用原有变电站摄像机建立设备运行数据通道，加入AR现实增强技术，对变电站内各电气设备添加实时AR电子标签，标签内显示设备主要参数及运行数据，点击后还可呈现设备详细资料等。通过摄像机实现变电站AR智能巡视，巡视过程中调用设备运行数据并与监控视频画面进行比对，对数据准确性进行分析，并将不匹配的结果进行弹窗告警。

（9）完善电力管理系统

完善电力管理系统，提高电力系统管理效率， 主要包括以下5点：保护定值管理：能够远程召唤保护定值、控制字以及故障信息，并且可以修改保护定值、控制字、软压板状态，并可通过变电站定值单，定期自动进行定值在线校核。

两票管理：工作人员根据调度命令和工作实际情况填写操作票和工作票，管理人员通过系统进行两票审批和签发，确保操作和工作安全。

缺陷、故障管理：确保设备缺陷及时、有效处理，对缺陷进行统计分析，为设备选型、反事故措施与状态检修提供依据。

设备管理：以电网的设备为基本管理对象，覆盖所有重要设备的台帐管理，为生产运行管理提供信息基础。

调度管理：对调度员交接班和调度日志进行管理，确保交接班事项准确无误，避免交接班不清楚出现调度事故。

（10）建立调度员仿真培训系统

按实际电力系统的数学模型，模拟各种调度操作和故障后的系统工况，并将这些信息送到电力系统控制中心的模型内，为调度培训人员提供逼真的培训环境，以达到既不影响实际电力系统的运行又能培训调度员的目的。

此外，培训系统还可设置线路故障、主变故障、母线故障等类型。反事故演习开始时，随机选择设置的故障类型，仿真培训系统模拟跳开相应的开关，弹出对应的保护动作光字牌，如果涉及自投开关也会执行正确动作，培训系统进入事故后的状态，系统潮流也会根据故障类型发生变化，变电所失电和设备过载也有相应的告警信息。培训人员在看到事故信息和事故后的潮流情况后，针对事故情况进行处理，对于设备的操作按智能操作票的方式进行操作，仿真培训系统对操作命令进行误操作判断，然后执行命令。反事故演习结束后，在培训机上可以回放全部事故及处理过程，作为分析考评的依据。

（11）实现 WEB及APP浏览

可以通过网页、手机APP等方式随时随地访问智能供电系统软件，实时浏览电网信息，方便远程指挥抢险和故障处理。 

建立智慧供电识别系统

（1）具备AI识别功能的一键顺控系统

将35 k V变电站普通开关柜升级为智能化开关柜，为每台开关更换电动手车底盘与电动接地刀闸机构，配置智能组件；为断路器安装检测传感器和光纤测温系统，断路器仓与接地刀闸仓加装微型摄像机，并建立一键顺控操作平台，以实现全程视频监控下的一键顺控和设备状态监测；监控系统可根据下发的指令完成开关冷备用、热备用、运行、检修状态的一键转换。在遥控命令执行的过程中，实现操作的可视化，并在一键顺控系统中增加AI识别功能，智能判断手车、刀闸和地刀状态，与辅助节点的状态判断一起实现双确认，保证倒闸操作“零失误”，避免操作发生意外时可能引起的人员伤亡及设备损伤事故，提高设备运行的安全性。一键顺控系统配置、显示控制界面分别如图12、图13所示。

图12 一键顺控系统配置

图13 一键顺控显示控制界面

 （2）光纤测温智能报警系统

在矿区6~35 k V高压开关柜、变压器安装光纤测温装置，实时监测开关柜电缆头、电缆三叉接头、上下触头，以及变压器铁芯、油面、三侧绕组等温度。利用光纤测温仪发出一束光脉冲，通过耦合器调制后射入光纤传感器中。光纤测温仪信号处理电路对该光信号进行分析、计算后得出被测点的实际温度；高温联动变电站消防报警设备，可实现就地报警或灭火；同时实时温度通过数据处理单元（DTU）设备无线传输至调度中心，实现实时监控，温度过高、开关跳闸均可触发报警门槛，并将告警或故障短信发送至相关人员手机终端，便于第一时间赶赴现场处理故障。光纤测温智能报警系统可解决高压开关柜、变压器等高压设备无源精准测温的问题，以及测温设备在高压、高温、高磁场中信号传输不稳定不可靠的问题。光纤测温智能报警系统如图14所示。

图14 光纤测温智能报警系统

（3）智能巡检机器人系统

为每个变电站配置智能巡检机器人，包括户外机器人1台、户内机器人2台，以解决变电站巡视工作强度较大，且受环境因素、人员素质等各方面影响而无法对设备环境情况进行采集和分析的问题。

巡检机器人可从后台下达日常及特殊巡检任务，在使用视觉摄像机的同时，引入声音、气体等多种传感器，以实现对巡检范围内的声纹、气体浓度进行监测。加入智能算法，使机器人可以进行机械表计数据读取，开关/刀闸位置判别设备外观破损判别、异物判别等，对测得的数据转化为数值并生成报表，对发现的异常情况进行记录并发出报警报文，完成变电站设备巡检的无纸化与信息化， 真正使设备巡检工作更有效率和质量。户外、户内巡检机器人如图15、图16所示，变电站机器人监控系统如图17所示。

图15 户外轮式巡检机器人

图16 户内轮式巡检机器人

（a）监控系统平台界面

（b）可视与热成像巡检

图17 变电站机器人监控系统

（4）无人机巡检系统

为线路维护班配置行业无人机2 台（搭配热成像双目、地形测绘、激光雷达负载和毫米波雷达），便携式无人机6台，3D地形测绘建模软件1 套等。使用测绘负载及测绘软件对高频巡检线路地形进行三维建模，在模型上进行可视化巡视航点设置，生成自动巡检任务，并导入无人机后，可实现一键巡检；对低频巡检线路可利用无人机自带精准复拍功能，通过手动飞行记录巡线航点，生成巡检任务，导入无人机，可实现线路自动化巡检； 对非常规巡检线路可通过手动控制便携式无人机巡检，提升高压线路巡视工作的效率与质量，保障供电系统的稳定运行。无人机巡视及各项目界面如图18、图19所示。

图18 无人机巡视

图19 无人机巡视各项目界面

（5）35 kV线路通道AI风险防控系统

为了保障架空线路安全运行，在西峪至焦沟变电站之间线路通道AI风险防控系统，在该条线路铁塔上安装12个高清摄像机，使用无线网络设备进行通信，由光伏发电系统提供电源；该系统可以对架空导线、铁塔、塔件金具、绝缘子等进行实时视频监控，智能分析线路状态、周边隐患及树障情况，提高线路巡视效率，确保线路安全运行，保障矿井安全生产。

利用调度信息化平台，通过通信传输系统与下级故障指示器、配电终端等智能设备通信，收集、转发其数据，详细分析开关分合位置变化信息、线路故障内容、故障时间、故障动作等内容，判别故障范围，自动隔离故障区间，并通过手机短信立即通知维检人员，缩短排查故障、处理故障的时间， 减少线路停电时间。线路AI风险防控系统界面如图20所示。

图20 线路AI风险防控系统界面

（6）AR（现实增强）+NOSA智慧运检系统

AR+ NOSA智慧运检系统包含MR（ 混合现实）智能设备2台、智慧运检系统1套，通过MR设备及AR技术的应用，提升变电站内各项工作任务的安全性，提前发现电气设备故障隐患，提高设备故障处理的速度与效率。将实际工作与NOSA安健环风险管控系统相融合，当有设备倒闸操作、检修、抢修或进行其他工作任务时，智慧运检系统能快速导航至待操作设备旁，防止人员走错间隔，并在设备内显示当前工作任务、现场存在的风险与需要做的安全措施，防止对人员和系统造成伤害。在检修人员遇到未知故障无法处理时，可以呼叫技术能手进行远程协作，专家通过登录PC端或手机端，收到MR设备传回的实时画面，对现场检修人员进行语音或画面标注指导，也可通过后台服务器获取到类似故障资料，快速处理故障。智慧运检系统现场应用如图21所示。

图21 智慧运检系统现场应用

实践应用效果

黄陵矿区智能供电系统的应用，实现了变电站及高压线路巡视智慧巡检，以及4个变电站无人值守，减少值班人员数量10人， 解决了随着矿区供电系统扩大所带来的人员不足问题；AI一键顺控系统的应用将人员从现场高压操作的危险环境中解放到更加安全的主控室及调度集中操作，大幅降低了人员的工作强度及危险系数；智能电力调度及电力线路防控系统的应用，大幅提升了系统故障时响应及事故恢复处理速度，让矿井安全管理上升到一个新台阶。

结语

传统以人为中心的电力模式面临诸多挑战，新一代信息技术的创新发展正在引发链式突破，为提升电力技术支撑能力提供了新的途径。黄陵矿区供电系统智能化建设方案，具有减人提效、供电可靠性高、故障恢复快等优点，可在煤炭行业广泛推广应用。

供电系统智能化改造过程中，面对黄陵矿区供电系统的复杂性、电力系统的不确定性和难预测性，充分对各项智能技术进行充分融合应用，增加电力系统中采集各项数据与内容的交互利用率，建立以智慧组件和智能系统为主体的新型供电网络， 提升了黄陵矿区电力供应的稳定性和有效性，推进了黄陵矿区智能化建设的进一步发展。

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