龔永波
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對目前煤礦電力監控系統主要實現變電所供配電設備的監控，未對變電所環境和人員進行監測，存在無人值守安全隱患問題，提出了煤礦無人值守變電所監控系統的技術架構，重要分析和研究了無人值守變電所環境監測及聯動技術要求，介紹了無人值守變電所環境監測和門禁聯動、語英聯動、環境聯動及視屏聯動技術的具體實施方案。無人值守變電所環境監測及聯動技術的實施完善了煤礦無人值守變電所監控技術，提高了煤礦供電的安全性和可靠性
關鍵詞：井下變電所；無人值守變電所；環境監測；聯動技術
0、引言
煤礦井下變電所是煤礦供配電系統的重要組成部分，它的安全可靠運行是煤礦安全生產的基本保證。井下負荷種類繁多，區域分布廣，工作場所地質條件復雜，安全隱患多，故障排查、停送電周期長，供電故障嚴重影響了煤礦安全生產。隨著數字化礦山建設進程的逐步推進，煤礦用戶對井下變電所“無人值守，有人巡視”的需求變得比較迫切，但目前國內煤礦電力監控系統主要解決供配電網絡的監測監控問題,而井下變電所仍然存在安全隱患，如變電所環境因素、人為因素等還未納入系統監控范圍，變電所內的安全監控范圍尚需完善。為此，本文提出一種以層次架構為基礎的煤礦井下無人值守變電所監控系統技術實現方案，以環境監測、門禁聯動、語英對講、視屏監控等技術手段，將多種不同業務數據流統一到同一軟件平臺上處理，實現自動邏輯判斷和協同控制，能達到真正意義上的無人值守變電所，從而完善了現有的煤礦供電監控系統功能,提高了煤礦供電的安全性與可靠性。
1、無人值守變電所監控系統的技術架構
由于供電系統有嚴格的技術要求和管理規范，所以，以現有煤礦電力監控系統為基礎，將無人值守變電所監控系統分為感知層、網絡層、應用層、決策層4層結構方式實現，如圖1所示。
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煤礦 安全 規程 標準 規范 技術 要求 |
決策層 事故 人員( 供電 安全監控系統 人員定位系統 視屏監控系統 電力監控系統 應用層——數據共享交換平臺 數據抽取、轉換、裝載 服務總線 應用層—基礎層 數據庫管理系統： Oracle,Sq|Sever, Mysql等 操作系統系統：Windows,Linux, Unix 等 網絡層 數據通信網關 其他通信和末端系統) 網絡 GANBu Modu RFID 數據采集 感知層 運程終端單元R 數據終端設備D RFID] 其他智能 播像頭等 可編程控制PL |
物理' 場所 安全 通信 安全 網絡 安全 應 用 層 安全， 狀態 監控 容災 備份 |
管理規范
安全體系
圖1無人值守變電所監控系統架構
感知層主要由智能開關、傳感器及其終端通信網絡組成，可實現電網參數、環境參數以及開關量信息采集，并與執行終端智能結合，實現測控一體化。
網絡層包括物理通信網絡及其中間層通信設備，如監控分站、通信管理機、聯動接入裝置等，主要解決系統數據傳輸問題，可利用現有的數據傳輸網絡來實現。
應用層包括基礎層、數據共享交換平臺。基礎層可運行在Windows,Linux等操作系統上，支持Oracle,SqlSverver等數據庫管理系統。數據共享交換平臺包括數據抽取、轉換和歸一化等過程；服務總線進行實時的數據交換。
決策層包括數據分析、預警告警機制、控制邏輯以及預案處理等。本文主要介紹無人值守變電所環境監測、門禁聯動、語英對講、視屏監控等技術。
煤礦井下變電所內一些環境參數對變電所的安全運行至關重要，包括瓦斯、溫度、煙霧等參數，人員問題也是不容忽視的因素，因此，對變電所相關參數實施全面監測十分必要。
2.1瓦斯監測
變電所實行瓦斯監測主要有兩方面的目的：一是監測變電所環境中的瓦斯濃度，保障變電所本身運行維護的安全；二是監測開關饋電區域的瓦斯濃度，保證停送電操作安全。瓦斯傳感器安裝在變電所的關鍵位置，通過現場總線(RS485,CAN)或模擬信號傳輸至系統聯動接入裝置，由該聯動接入裝置完成數據采集和通信協議轉換，*終傳輸至系統后臺進入實時數據庫。
2.2溫度監測
變電所內設備比較集中，且設備發熱量較大，導致環境溫度相對較高，對環境實行溫度監測，保證了設備運行的合理溫度條件。同時，可對發熱量大或易產生明火的設備單獨設置溫度傳感器進行監測，預防事故發生。溫度傳感器應根據環境狀況及功能需求進行布置，溫度實時數據通過聯動裝置或電力監控分站接入監控系統。
2.3煙霧監測
變電所設備在受潮、接觸不良或故障狀況下可能導致放電或著火，產生煙霧，可通過煙霧傳感器進行監測，防止事故進一步擴大。煙霧傳感器適當布置在靠近設備側，數據通過聯動裝置或電力監控分站接入監控系統。
2.4門禁監測
人員管理也是實現無人值守變電所的關鍵點之一。門禁監測采用行程開關、紅外線傳感器以及人員定位系統對進出變電所的人員實施嚴格監管，對人員的進入、離開時間以及在變電所內活動狀況進行監視和記錄，并能對巡視人員的巡視情況進行記錄考核。
2.5視屏監視
在變電所無人值守情況下，地面集控中星的遠程監控不僅要監測電網數據，同時也要對變電所的設備、環境和人員能有直觀的視覺監視，因此，在變電所中設置視屏攝像儀。一般在變電所中設置2臺攝像儀，一臺對出入變電所人員進行監視，另一臺對變電所設備狀況進行監視。
通過對煤礦電力監控軟件進行功能擴展與二次開發，使得煤礦電力監控軟件能通過通信網絡獲得所有電網監控之外的監測數據，包括瓦斯、溫度、煙霧、門禁、語英、視屏等，軟件增加報警閾值設定功能、順序控制邏輯判斷功能、視屏解碼與云臺控制功能，并能在進行電網一次設備遠程操作之前完成環境數據邏輯處理和判斷，根據診斷結果發出聯動動作指令，變電所內的聲光、語英、顯示設備在收到指令后執行動作或發出預警信號，并將執行結果傳送到監控后臺，監控后臺可實時記錄、推送監控畫面，發出語英告警和提示信息等。
3.1 環境聯動
系統實時監測環境參數，進行一系列閾值和邏輯判斷，如果有超限情況發生，系統將立即啟動緊急預案，并且向變電所附近的人員進行語英廣播，發出聲光報警，提示該變電所發生意外狀況，必要馬上采取必要的控制措施，防止事故擴大，從而確保變電所運行安全。
3.2 門禁聯動
變電所電力監控站中聯動模塊實時監測門禁狀態，當人員進入時，觸發紅外傳感器，監控站將信息上傳至地面監控中星，監控后臺自動記錄和錄像，并推送出變電所視屏圖像，系統管理員能及時了解人員活動，并可進行語英對講，從而實現變電所遠程監控。
3.3 語英聯動
當系統診斷出有事件發生時，地面監控后臺和變電所語英設備同時聯動，語英設備播報事件，將提醒相關人員及時處理。IP語英對講裝置采用VOIP語英通信技術，以UDP組播方式實時傳輸信號，可實現多方實時對講。
3.4 視屏聯動
當系統診斷出有事件發生時，推送出該變電所視屏，地面監控后臺對事件發生的現場狀況進行影像錄像，以便事故回放和調查。攝像儀具備網絡接口，通過就地環網交換機或電力監控分站接入系統，視屏數據采用客戶/服務器模式，以UDP組播方式傳輸至系統后臺，系統軟件采用視屏解碼SDK以及ActiveX控件顯示界面上的控制視屏窗口，并結合邏輯控制算法實現變電所的視屏監視。
煤礦無人值守變電所監控技術在天地王坡礦數字化礦山系統中投入實際應用，該項目建立了電力分控中星平臺，實施了6個變電所的監控。電力分控中星配置了連接服務器、屬性服務器、客戶端服務器和視屏服務器，并配備工程師工作站和EOW(超過操作員平臺),配置一套AC800M控制器實現與電力監控站數據交互，所有電力監控操作在EOW上實現。各變電所中配置了KJF99電力監控站、KBA4本安攝像儀、GHW5本安型紅外線傳感器、KGN1煙霧傳感器、KG3007A溫度傳感器、KXT23語英報警裝置、KXB18聲光報警器、KXH32×128信號顯示牌等環境監測和聯動設備。系統結構如圖2所示。
EOW
操作平臺i
核心交換機
工業環網
環網交換機
KJF991
KBA4
四聯動設備
KXFB2×128KXT23KG3007AKXB18
KONIGHW5
中央變電所
KJF99
三采區
變電所
KJF991
高壓開關
重量低壓開關
環網交換機
高壓開關
低壓開關
工程師工作站，
環網交換機
三采區變電所
22
KG3007AKXBI8
核心交換機
四聯動設備
四聯動設備
服務器
KG3007AKXBIX
KONIGHW5
KGNIGHW5
高壓開關
KBA4
KBA4
圖2無人值守變電所環境監測與聯動系統實例
將變電所內的高壓開關綜合保護器改造為數字化微機綜合保護器，采用RS485信號線接入主站，這是實現井下無人值守變電所的通信基礎。
2路本安攝像儀通過光纖接入KJF99電力監控站，實現在地面調度中星對井下變電所的遠程監視，并通過軟件配合實現一系列視屏聯動功能。一旦有供電開關故障、變電所環境參數變化或有人員進入變電所，系統會自動切換至相關視屏信號，后臺值班人員可隨時掌握變電所的運行狀態，并可通過計算機麥克風直接與進入井下變電所的人員進行語英對話。語英通信裝置與KJF99電力監控站間通過以太網方式連接，實現地面調度中星與井下變電所之間的語英報警功能，達到地面與井下變電所之間聲音信息同步的效果。
2路門禁開關量信號、2路紅外傳感器信號以電信號方式直接接人KJF99電力監控站。門禁開關和紅外傳感器用于探測是否有人員進入該變電所，可與視屏信號實現聯動。煙霧、溫度等傳感器通過RS485總線接入KJF99電力監控站，實時監測變電所環境參數，實現環境監測聯動與閉鎖。一旦變電所發生溫度超限或火災，系統可實現自動跳閘閉鎖，保護供電安全。通過項目實施，天地王坡礦實現了變電所“五遙四聯動”功能，即遙信、遙調、遙測、遙控、遙視以及門禁聯動、語英聯動、視屏聯動、環境聯動，提高了井下變電所無人值守的安全性。
5、安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺
5.1 概述
基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視屏場景等需求，實現數據一個中星，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
5.2 應用場所
適用于電信、金融、交通、能源、醫用衛生、文體、教育科研、農林水利、商業服務、公用事業等行業變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。
5.3 系統結構
系統可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。
感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監測裝置、攝影頭、開關量采集裝置等。除攝影頭外，其它設備通過RS485總線接入現場智能網關RS485端口。
傳輸層：包含現場智能網關和交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過交換機把數據上傳至服務器端口，網絡故障時數據可存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。
應用層：包含應用服務器和數據庫服務器，若變電所數量小于30個則應用服務器和數據庫服務器可以合一配置。服務器需要具備固定IP地址，以接收各智能網關主動傳送過來的數據。
展示層：用戶通過手機、平板、電腦等多終端的方式訪問平臺信息。
5.4 系統功能
5.4.1 用能月報
用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設置為月。
5.4.2 站點監測
站點監測包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。
5.4.3 變壓器狀態
變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。
5.4.4 運維
運維展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。
5.4.5 配電圖
配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關狀態、電流等運行狀態及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢。
5.4.6 視屏監控
視屏監控展示了當前實時畫面（視屏直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視屏信息。
5.4.7 電力運行報表
電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數和電能抄表的實時值及平均值行統計。
5.4.8 警報信息
對平臺所有警報信息進行分析。
5.4.9 任務管理
任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。
5.4.10 用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、警報事件等進行統計分析，并列出在該周期內巡檢時發現的各類缺失及處理情況。
5.4.11 APP監測
電力運維手機支持“監控系統”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”、“缺失記錄”、“文檔管理”和“用戶報告”七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視屏、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件警報查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。
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應用場合 |
型號 |
外觀圖 |
型號、規格 |
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變電所運維云平臺 |
AcrelCloud-1000 |
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AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視屏場景等需求，實現數據一個中星，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收警報，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。 |
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網關 |
ANet-2E4SM |
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4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 |
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擴展模塊ANet-485 |
M485模塊：4路光耦隔離RS485 |
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擴展模塊ANet-M4G |
M4G模塊：支持4G全網通 |
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中壓進線 |
AM6-L |
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三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護 |
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APM810 |
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三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種警報類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD顯示； |
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中壓進線 |
APView500 |
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相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓／電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動／閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G,16D0+22D1,通訊 2RS485+1RS232+1GPS,3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口，支持U盤讀取數據，支持61850協議。 |
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中壓饋線 |
AM6-L |
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三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環保護、斷路器失靈保護 |
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APM810 |
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三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種警報類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD顯示； |
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低壓進線 |
AEM96 |
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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3×1。5(6)A，有功電能精度0。5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露 |
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低壓出線 |
AEM72 |
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三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規格3x1。5(6)A,有功電能精度0。5S級，無功電能精度2級 |
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ADW300 |
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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0。5S級 |
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無線測溫 |
ATE-400 |
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合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A,測溫范圍－50-125℃,測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米 |
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ATC-600 |
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兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m,ATC600-C可接收ATE系列傳感器、 AHE等傳輸的數據，1路485,2路警報出口。 |
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環境溫濕度 |
WHD |
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WHD溫濕度控制器產品主要用于中高壓開關柜、端子箱、環網柜、箱變等設備內部溫度和濕度調節控制。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40。0℃～99。9℃工作濕度：0RH～99RH |
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水浸傳感器 |
RS-SJ-*-2 |
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接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：－20℃+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點。 |
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攝影機 |
CS-C5C-3B1WFR |
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支持720P高清圖像，*高支持分辨率可達到130萬像素（1280*960)內置麥克風與揚聲器具有語英雙向對講功能，支持螢石云互聯網服務，通過手機、PC等終端實現遠程互動和視屏觀看。 |
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煙霧傳感器 |
BRJ-307 |
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光電式煙霧傳感：電源正極（DC12V):+12V 繼電器輸出：常開觸點 |
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門禁 |
MC-58(常開型） |
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常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度，干接點輸出。 |
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配套附件 |
ARTU-K16 |
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常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出 |
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KDYA-DG30-24K |
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輸出DC24V;24V電源 |
6、結語
隨著數字化礦山建設步伐進一步加快，煤礦對井下無人值守變電所的需求將越來越多，無人值守變電所環境監測和聯動技術完善了煤礦井下無人值
守變電所監控系統功能，為礦山供電提供了安全保障，必將得到廣泛的應用和推廣，也為煤礦電力監控系統技術的發展以及煤礦變電所建設提供了技術保證。
7、參考文獻
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[6]王海波，史友仁.煤礦電力監控系統的研究與應用[J].工礦自動化，2009,35(7):130-132.
[7]王金華,煤礦井下無人值守變電所技術研究與應用
[8]安科瑞企業微電網設計與應用設計,2019,11版。
作者簡介
作者簡介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電，Email: 28801392115@qq.com手機：18702101301 QQ:2881392115
