煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設計應用

張傳亮 相龍陽 阮偉唯

（兗州東方機電有限公司，山東 鄒城273500）

1 概述

自2002 年起，我國不斷加強對煤礦安全生產(chǎn)的要求，煤炭行業(yè)開始進行大規(guī)模的技術升級改造。隨著智能電網(wǎng)技術及物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷深入發(fā)展，煤礦智能供電系統(tǒng)也日漸普及。煤礦在對電力需求增加的同時，對電能質(zhì)量的要求也越來越高，我國對電能質(zhì)量的研究起步比較晚，對這方面的研究也比較落后。相對于國外的檢測裝置，國內(nèi)產(chǎn)品具有檢測功能不全面、精度不高的缺點。目前煤礦運用的監(jiān)測電能質(zhì)量狀況的設備單一化，僅能監(jiān)測一個或其中的若干性能指標，這也就導致工作人員不能及時全面的發(fā)現(xiàn)問題，進而未能迅速準確的處理相應的故障，從而引發(fā)供電事故。所以亟待開發(fā)一套電能質(zhì)量分析監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的全面監(jiān)測。

2 煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設計的意義

針對大部分礦井在電能管理上模糊化和對電能質(zhì)量監(jiān)測空白化的基礎上，提出分布式電能質(zhì)量實時監(jiān)測及分析系統(tǒng)的思路，通過軟件將計算機硬件資源和儀器硬件有機的結(jié)合起來，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，該系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng)，能夠單獨實現(xiàn)，也可以與井下現(xiàn)有自動化控制系統(tǒng)配合實現(xiàn)，能夠有效的監(jiān)測供電系統(tǒng)各個采區(qū)或設備的實時用電量及電能質(zhì)量狀態(tài)，并針對電能數(shù)據(jù)做出分析，這對于解決目前井下供電系統(tǒng)電能管理精確化以及克服目前電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、采取措施提高供電質(zhì)量都具有重要的意義，最終達到用電精準管理、噸煤用電量降低、系統(tǒng)安全性提高的目標。

3 煤礦井下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

隨著煤礦自動化、智慧化水平的提高，大量電力電子元件引入到煤礦生產(chǎn)設備中，它們在提高煤礦節(jié)能效應的同時，也給煤礦電網(wǎng)引入了嚴重的電能質(zhì)量問題。

通過調(diào)研煤礦供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量現(xiàn)狀，并分析煤礦干擾負荷的特點，總結(jié)出煤礦供電系統(tǒng)的主要電能質(zhì)量問題及特點：（1）電壓偏差大。煤礦開采及運輸用電設備集中工作的綜采工作面，開采范圍增大時，供電距離隨之增加，從而線損增大，導致供電電壓偏差問題；（2）諧波和間諧波。由于變頻技術的應用，煤礦電網(wǎng)存在大量的諧波和間諧波，并且諧波電流隨負荷的波動而波動；（3）電壓波動與閃變。煤礦中像礦井提升機、刮板機等大功率、非線性的波動負荷的啟停給電網(wǎng)造成了嚴重的電壓波動，并導致閃變的發(fā)生；（4）三相不平衡。受電鐵牽引負荷的影響，煤礦供電系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量負序電流，引起了電網(wǎng)的不平衡；（5）無功偏大，功率因數(shù)低。

4 煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設計

基于煤礦智能供電網(wǎng)絡，設計開發(fā)一種新的煤礦電能質(zhì)量在線監(jiān)測評估系統(tǒng)，通過井下智能變電所保護測控設備對供電線路進行數(shù)據(jù)采集，并對采集數(shù)據(jù)進行初步的電能質(zhì)量計算分析和存儲，最后通過井下通信系統(tǒng)將分析數(shù)據(jù)上傳至地面集控中心電能質(zhì)量監(jiān)測主機，進行全礦電能質(zhì)量的監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)井下電能質(zhì)量的在線監(jiān)測。對于解決目前井下供電系統(tǒng)電能管理精確化以及克服目前電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的局限性、采取措施提高供電質(zhì)量都具有重要的意義，最終達到用電精準管理、噸煤用電量降低、系統(tǒng)安全性提高的目標。

系統(tǒng)按層級進行設計，建立一個分布式的電能質(zhì)量實時監(jiān)測和分析系統(tǒng)，使得用戶能夠?qū)崟r、連續(xù)的得到電網(wǎng)內(nèi)各個測量點完整、可靠的電能質(zhì)量信息。

終端數(shù)據(jù)采集與云端數(shù)據(jù)處理設計：

整個系統(tǒng)設計依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云平臺及大數(shù)據(jù)分析等前沿技術，實現(xiàn)在線、遠程對用戶電網(wǎng)電能安全隱患實時預警和管理。

整個系統(tǒng)包含系統(tǒng)采集傳輸終端、系統(tǒng)分析存儲部分和系統(tǒng)用戶顯示三部分。如下圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖- 云平臺數(shù)據(jù)處理

此設計，只需在監(jiān)測終端安裝特定的終端監(jiān)測裝置，將采集到的信號（電壓、電流）通過以太網(wǎng)或者無線上傳至云平臺，通過云來對采集的信號進行處理、計算，進而獲得需要的性能參數(shù)。

4.1 系統(tǒng)采集傳輸終端。在監(jiān)測點或者檢測設備處安裝特定的終端采集裝置，只需接入電壓、電流信號（最大擴展四路），終端采集裝置可將信號通過以太網(wǎng)或者無線信號進行傳輸。

（1）終端采集。根據(jù)應用現(xiàn)場實際情況，會在井下供電系統(tǒng)的高防開關等饋電開關內(nèi)部安裝監(jiān)測終端，并將饋電開關所帶負荷的電壓電流信號接入監(jiān)測終端，最終通過RS485、以太網(wǎng)或無線進行傳輸；（2）數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互是整個系統(tǒng)的一個中間樞紐，具有傳遞、傳輸?shù)墓δ?，主要包含四大部分，即：通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)采集與交互對象。

通信協(xié)議：（1）服務層與監(jiān)測設備層間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用DL/T860（IEC61850）系列標準；（2）實時數(shù)據(jù)采用非緩存報告；（3）暫態(tài)波形數(shù)據(jù)采用文件傳輸服務。

數(shù)據(jù)采集與交互對象：數(shù)據(jù)采集后，在終端呈現(xiàn)的只是單個實時的數(shù)據(jù)量，比如：某一時刻的電壓、電流、有功功率、無功功率等，而這些數(shù)據(jù)需要上傳至云平臺，重新做一個系統(tǒng)的顯示，比如整個線路的電壓情況等。

4.2 系統(tǒng)分析存儲部分。整個系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)就在于數(shù)據(jù)的處理、計算上，此設計的處理方式采用云平臺數(shù)據(jù)處理模式，整個云包含公共云和私有云，而整個云平臺的處理包含三部分，即：

圖2 云系統(tǒng)示意圖

（1）云采集解析。混合云采用雙通道ESC采集解析服務器集群，基于BGP 最優(yōu)路由算法構(gòu)架多線網(wǎng)絡，構(gòu)建安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信環(huán)境。（2）云儲存?zhèn)浞?。使用阿里云存儲“鐵三角”+DB集群的解決方案：分布式開放式存儲服務OSS、關系型數(shù)據(jù)庫服務RDS、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)服務OTS，原始數(shù)據(jù)進行安全加密存儲DB集群服務器。（3）云計算。由阿里云ESC+分布式負載均衡WEB服務器集群的組合混合云，滿足云端大數(shù)據(jù)運算、蘇劇模型應用、負載均衡、業(yè)務邏輯執(zhí)行、API 的接口應用。

4.3 系統(tǒng)用戶顯示部分。系統(tǒng)對傳輸過來的單體數(shù)據(jù)不只單純的進行顯示，并對一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性的分析，會根據(jù)需要以波形、柱狀圖、表格等形式來展示。系統(tǒng)界面不只可以通過電腦端進行監(jiān)測，也可以通過手機APP 進行實時監(jiān)測，能夠隨時了解供電系統(tǒng)的電能情況。系統(tǒng)設有預警提示等功能，能夠在預設的范圍內(nèi)對用戶進行提醒。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)是集采集、監(jiān)測、通訊、分析于一體的網(wǎng)絡化系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式智能化電能管理與電能質(zhì)量實時監(jiān)測及分析，最終達到礦井電網(wǎng)節(jié)能、高效、安全性的要求。將國家電能質(zhì)量綜合治理、供電系統(tǒng)電能管理的先進技術，應用于煤礦供電系統(tǒng)、各變電所，打造一個高效、節(jié)能、可靠、安全的網(wǎng)絡化電能管理與電能質(zhì)量實時監(jiān)測及分析系統(tǒng)。