露天礦供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計

馬淵，史浦東，賀喜龍，李在友

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015）

0 引 言

隨著露天礦電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復雜，對電氣設(shè)備供電可靠性的要求越來越高，人工管理電纜越來越不適合電纜管理的需要。一旦電纜線路發(fā)生故障，如果不能及時發(fā)現(xiàn)故障點和線路故障段影響的區(qū)域，可能會造成電力事故，造成重大損失。因此，人工管理逐漸被淘汰。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于GIS的電力電纜管理系統(tǒng)得到了越來越多的應用。其中，基于3D仿真技術(shù)的可視化電纜信息管理系統(tǒng)融合了3D圖形可視化管理、3D地理信息管理和電纜資產(chǎn)數(shù)字化管理的特點，可大大提高電纜管理的專業(yè)化和效率。

1 當前露天礦供配電作業(yè)存在的問題

露天礦的供配電網(wǎng)絡(luò)一般由移動變電站、接線盒、開關(guān)柜、快速連接器、電纜、電氣設(shè)備等組成，供電網(wǎng)絡(luò)電壓等級為6 kV。采場內(nèi)供配電網(wǎng)絡(luò)較為復雜，線路多，供電范圍廣。目前供配電業(yè)務存在以下問題：

（1）運營商缺乏有效手段快速準確識別運營線路供配電關(guān)系。

（2）現(xiàn)有供電電纜數(shù)量較多，缺乏有效的信息手段對電纜進行全壽命跟蹤和管理（主要是監(jiān)測電纜的使用壽命、使用地點、性能參數(shù)等）。

（3）生產(chǎn)現(xiàn)場有大量電氣設(shè)備的電能、用電信息，采用人工現(xiàn)場抄表的方式采集信息，工作量大，效率低。

（4）通過懸掛磁吸式標識牌實現(xiàn)各移動變電站的負荷標識。當負載發(fā)生變化時，負載板調(diào)整需要手動進行，存在一定的安全隱患。必須采用智能手段保證負荷指示的可靠性。

2 露天礦供配電管理發(fā)展的趨勢

2.1 基于三維仿真技術(shù)的電力電纜智能管理

三維仿真技術(shù)的電力電纜智能管理系統(tǒng)主要是通過三維激光掃描技術(shù)對電纜、附屬設(shè)施、電纜線路、電纜軌跡等進行精準定位形成三維數(shù)據(jù)，同時建設(shè)設(shè)備電子編碼標識系統(tǒng)，建立電纜通道三維模型及設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標準化數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)與GIS和PMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，為智能化運檢平臺提供高效、精準的后臺數(shù)據(jù)。實現(xiàn)電纜、線路及管控資源可視化，電纜線路與采場道路等多維度關(guān)聯(lián)信息分析，電纜線路資源查詢及資源審批，實現(xiàn)電纜運維單位對電纜及線路資源“一清二楚”，提升電纜精益化管理水平。

2.2 基于改進GIS的電力電纜管理

2.3 基于RFID的可視化電纜管理

基于RFID（射頻識別技術(shù)）的電纜信息可視化管理系統(tǒng)平臺主要基于RFID技術(shù)，由電子標簽、標簽探測儀、移動智能終端（帶GPS模塊）和后臺服務系統(tǒng)組成。充分利用RFID技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了電纜的精益化、智能化、信息化、可視化管理。該系統(tǒng)的特點通過調(diào)用GIS地圖和數(shù)據(jù)庫，快速探知標簽的位置點，完成數(shù)據(jù)讀取及位置定位、電纜的敷設(shè)方式、標簽編號、經(jīng)緯度等，實現(xiàn)對電纜的智能化、信息化、可視化管理。

3 露天礦供配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 總體設(shè)計方案

總體設(shè)計框架圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計框架圖

總體設(shè)計方案為：

（1）在露天礦數(shù)百根高壓電纜兩端安裝太陽能定位模塊和電子標簽，定位數(shù)據(jù)和電纜屬性信息實時通過無線網(wǎng)絡(luò)遠傳到供電隊調(diào)度中心服務器內(nèi)，方便工作人員準確識別電纜精確坐標和電纜屬性，工作人員通過供配電網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)能夠精準獲取所有電纜的分布、走向以及電纜兩端連接用電設(shè)備的供配電關(guān)系，通過服務器軟件和手持終端可以快速查詢供配電線路從哪來要到哪去。

（2）設(shè)備內(nèi)部集成電子標簽技術(shù)實現(xiàn)對所有在用、備用電纜信息化全壽命管理，通過手持終端掃描電子標簽可快速了解電纜使用時長、電纜參數(shù)等屬性信息。實現(xiàn)智能負荷牌功能，該智能負荷牌可根據(jù)現(xiàn)場實際負荷情況，實時顯示移動變電站和高壓開關(guān)柜每路饋出線的負荷情況，在負荷發(fā)生變化時，能夠自動實現(xiàn)負荷調(diào)整，無需人工調(diào)整。用電設(shè)備電量監(jiān)控及計量功能，采集露天礦153塊電能表的電量信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦╇婈犝{(diào)度中心服務器內(nèi)，可按時間段、電表類型、電表用途等不同查詢條件定制輸出電量報表，還可對電量消耗進行智能分析判斷。

（3）所有電纜定位數(shù)據(jù)、負荷牌數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)等都傳輸匯總至供電隊調(diào)度中心服務器內(nèi)，在露天礦供電隊調(diào)度大屏上形成礦區(qū)供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理一張圖，根據(jù)供配電網(wǎng)絡(luò)的實際情況該圖將自動更新，實現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場實際供配電網(wǎng)絡(luò)同步，使管理人員和作業(yè)人員對目前的供配電網(wǎng)絡(luò)一目了然，提高工作效率并控制供配電安全風險。

其中露天礦場電纜網(wǎng)絡(luò)的分布示意圖如圖2所示。

其中，yt和xt分別為1維和p維的I(1)序列，ut為平穩(wěn)的I(0)變量。由于xt與ut的相關(guān)性，對式(4)采用OLS法進行估計時，會導致估計的二階偏差， Stock和Watson(1993)建議將式(4)中ut的分解為領(lǐng)先、滯后項和純革新項εt，則式(4)轉(zhuǎn)化為如下形式：

3.2 具體實現(xiàn)

3.2.1 電纜定位設(shè)備

電纜定位設(shè)備集成衛(wèi)星定位模塊、無源RFID標簽、讀卡器、有源RF射頻技術(shù)于一體，采用內(nèi)置天線，在電纜端部安裝好電纜套環(huán)標簽。整個電纜定位設(shè)備實物圖如圖3所示。

圖2 露天礦場電纜網(wǎng)絡(luò)分布

圖3 電纜定位設(shè)備實物圖

定位模塊外殼采用尼龍材質(zhì)，三防設(shè)計，如圖4所示，以便無線信號可以從殼體內(nèi)正常發(fā)出（尼龍外殼放在兩個喇叭口中間凹槽內(nèi)）。

圖4 定位模塊設(shè)計實物圖

電纜定位設(shè)備內(nèi)置大容量可充電鋰電池，充滿電可持續(xù)工作2年以上，同時設(shè)備表面施加有環(huán)形太陽能充電板，可對鋰電池進行充電，設(shè)備內(nèi)集成低功耗節(jié)電管理模塊，電纜長時間無移動時設(shè)備處于半休眠狀態(tài)，每隔1小時自動喚醒并發(fā)送一次位置信息，當震動傳感器監(jiān)測到電纜移動時設(shè)備自動喚醒且1秒發(fā)送一次位置信息，實時更新坐標位置。衛(wèi)星定位模塊用于實時上傳電纜位置坐標，無源RFID標簽卡用于電纜屬性識別（可通過手持讀卡器識別電纜屬性），有源433 MHz射頻用于傳輸定位數(shù)據(jù)和電纜屬性信息數(shù)據(jù)。設(shè)備采用低功耗設(shè)計，電纜無移動時設(shè)備處于半休眠狀態(tài)，當震動傳感器監(jiān)測到電纜移動時設(shè)備自動喚醒，實時更新坐標位置。

3.2.2 電纜間遠距離級聯(lián)傳輸

通過LoRa無線擴頻通信技術(shù)實現(xiàn)每段電纜間遠距離級聯(lián)傳輸；每個電纜定位設(shè)備內(nèi)帶有有源433 MHz射頻模塊，模塊繞射性好、穿透力強，不會受到露天礦采場地形和天氣影響，射頻模塊最遠傳輸距離為500米左右，這樣施加在每段電纜兩端的射頻模塊就可以傳輸數(shù)據(jù)，采用LoRa無線擴頻通信技術(shù)實現(xiàn)電纜間數(shù)據(jù)級聯(lián)遠距離傳輸，同時為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，電纜定位數(shù)據(jù)也可通過露天礦已有防撞預警系統(tǒng)無線RF射頻網(wǎng)絡(luò)遠傳數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)傳輸雙通道雙保險，最終將數(shù)據(jù)傳回到供電隊調(diào)度室服務器內(nèi)。

3.2.3 線纜連接和分線箱連接關(guān)系的自動識別

線纜連接和分線箱連接關(guān)系自動識別技術(shù)，針對分線箱具有多路出線口如何自動識別連接關(guān)系問題；兩根電纜的快速連接耦合器可以通過衛(wèi)星定位距離來判斷連接關(guān)系，但分線箱由于3個或多個耦合器插口距離近，無法通過衛(wèi)星定位距離來判斷連接關(guān)系，那么采用RFID近距離讀卡識別技術(shù)進行自動識別，在分線箱的3個插座上安裝不同編號的RFID標簽卡，電纜上的定位設(shè)備內(nèi)集成有RFID標簽讀卡器，耦合器連接分線箱插座時自動識別插座編號，自動識別出分線箱一進二出或一進多出的對應關(guān)系。

3.2.4 LED電子負荷牌顯示供配電情況

現(xiàn)通過加裝智能自動LED電子負荷牌來自動顯示，電子負荷牌通過無線網(wǎng)絡(luò)從供電隊服務器內(nèi)實時獲取供配電關(guān)系圖信息，因為服務器內(nèi)已存儲有通過電纜定位設(shè)備傳輸上來的供配電關(guān)系數(shù)據(jù)，當現(xiàn)場供配電關(guān)系發(fā)生變化時，LED電子負荷牌會自動顯示最新的供配電信息。

3.2.5 電能表遠程抄表

采用電壓或電流互感技術(shù)采集電量數(shù)據(jù)，并定期或需要時通過無線網(wǎng)絡(luò)遠傳到供電隊后臺電度核算系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程抄表。

3.2.6 手持電纜屬性識別終端設(shè)備

工作人員巡查線路時攜帶手持終端設(shè)備，手持終端采用非接觸方式讀取電纜上的RFID標簽卡數(shù)據(jù)，工作人員通過終端屏幕可快速了解電纜的所有信息，包括使用年限、供電參數(shù)等屬性信息，即安全又快捷。

3.2.7 供配電網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)

包含供電調(diào)度大屏，軟件在大屏上顯示，包含數(shù)據(jù)庫軟件、服務器軟件、應用端軟件，實現(xiàn)對露天礦采場電纜實時定位、所有在用備用電纜屬性管理、采場用電設(shè)備電量監(jiān)控及計量等功能，形成礦區(qū)供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 露天礦信息化管理系統(tǒng)

4 結(jié) 論

目前，我國露天礦高壓電力電纜管理絕大多數(shù)依賴于從業(yè)人員的經(jīng)驗和對電纜網(wǎng)絡(luò)的熟悉程度，人員專業(yè)素質(zhì)直接影響到電力電纜的運行維護水平，甚至影響到電網(wǎng)的安全運行。隨著技術(shù)的創(chuàng)新，三維GIS、RFID等技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，為新型電力電纜管理系統(tǒng)的搭建和運營提供了有利保障，而這也將成為電力電纜系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。本文所研究的露天礦供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計，能夠為露天礦的電纜管理信息化提供更智能、更安全的管理模式。