牛鑫,劉艷昌,邱紅軍

（1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,河南濟(jì)源459000；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；3.西安新宇航空維修工程有限公司,陜西西安,710089）

煤炭是我國的主要能源,在我國能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例均超過70%[1].煤礦生產(chǎn)的動(dòng)力主要是依靠電力來完成,所以煤礦的安全生產(chǎn)決定于煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài).隨著煤礦井下生產(chǎn)不斷向深部延伸、擴(kuò)大開采,大容量、大功率的生產(chǎn)設(shè)備不斷增多,給煤礦井下安全供電帶來許多不利的影響.由于煤礦供電線路受到井下空間環(huán)境的限制,供電線路主要采用單端敷設(shè)形式,該線路供電距離長、負(fù)荷變化大,這樣在供電線路末端容易出現(xiàn)供電電壓偏低現(xiàn)象.如果煤礦供電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓運(yùn)行,將會(huì)給煤礦帶來巨大電能損耗和經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)也給井下工作設(shè)備的安全運(yùn)行帶來巨大的危害[2-4].因此,根據(jù)煤礦電網(wǎng)存在供電電壓偏低的問題,提出煤礦電網(wǎng)低電壓預(yù)警系統(tǒng)的研究,及時(shí)掌握煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)的當(dāng)前電壓狀態(tài)及未來的發(fā)展趨勢,就可以做出及時(shí)、合理的正確判斷,調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式,保證煤礦進(jìn)行可靠、安全、經(jīng)濟(jì)合理的供電,在提高經(jīng)濟(jì)效益及保證安全生產(chǎn)等方面都有十分重要的意義.

1 煤礦電網(wǎng)電壓影響因素分析

煤礦電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一個(gè)部分,屬于電力系統(tǒng)的末端用戶.在煤礦電網(wǎng)中沒有發(fā)電設(shè)備,它不產(chǎn)生電能,也不能向電力系統(tǒng)輸送電能.它的主要功能是實(shí)現(xiàn)電力在整個(gè)煤礦的供應(yīng)、分配和使用,電能的流動(dòng)是單向的,總是從電力系統(tǒng)流向煤礦電網(wǎng),在電力系統(tǒng)中可以把它看作是一個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn).由于受到井下空間的限制,煤礦供電網(wǎng)采用單端敷設(shè)供電形式,它是一端供電一端用電的單一煤礦供電網(wǎng)絡(luò),不需考慮煤礦供電系統(tǒng)兩端功率的平衡問題（即頻率的穩(wěn)定性問題）,這種供電網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是與煤礦電網(wǎng)相連的電力用戶內(nèi)部的供電系統(tǒng).影響煤礦電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的主要參數(shù)是供電電壓,所以煤礦電網(wǎng)預(yù)警研究主要在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的判斷和電壓可能發(fā)展趨勢的分析判斷上.

根據(jù)電力系統(tǒng)分析計(jì)算可知,輸電線路兩端的電壓幅值差主要由電壓降落的縱分量△U決定,而電壓相角差主要由電壓降落的橫分量dU決定[5].

其中,P、Q是線路末端有功、無功功率,U2是線路末端電壓值.

從公式（1）可以看出,電壓降落的縱分量△U大小由線路的末端供電電壓值和末端有功P、無功Q功率決定；假如煤礦電網(wǎng)的首端供電電壓為定值,則電壓降落縱分量△U的大小只與末端有功、無功功率有關(guān)；當(dāng)有功、無功功率P、Q值越大,其電壓降落縱分量△U也越大,也就是說線路的電壓損耗也越大.

煤礦供電線路多為電纜線路,無功傳遞過程中在線路上引起的電壓降落較為明顯,而且較低的末端電壓又反過來增大了電壓降,更不利于末端設(shè)備的正常運(yùn)行.

以上分析可以看出,煤礦電網(wǎng)中線路末端供電電壓與線路無功負(fù)荷水平有著密切的關(guān)系.通過分析與電壓相關(guān)的負(fù)荷狀況和其它電壓影響因素,可以預(yù)知線路的電壓水平,進(jìn)而對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析預(yù)測.

2 煤礦電網(wǎng)電壓預(yù)警系統(tǒng)框架

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,很多研究已采用電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于煤礦遠(yuǎn)程供電監(jiān)控,煤礦供電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全礦供電的遠(yuǎn)程監(jiān)控,可以實(shí)時(shí)顯示查詢煤礦供電網(wǎng)絡(luò)各部分供電數(shù)據(jù)[1,6-8].本設(shè)計(jì)為了適應(yīng)煤礦的復(fù)雜環(huán)境和煤礦電網(wǎng)供電的電壓要求,分別從靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析和電壓發(fā)展趨勢預(yù)測預(yù)警結(jié)果分析處理這兩個(gè)方面對(duì)其運(yùn)行煤礦電網(wǎng)電壓狀態(tài)進(jìn)行在線分析及預(yù)警,其系統(tǒng)框圖如圖1所示.本設(shè)計(jì)以煤礦現(xiàn)有的供電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)SCADA（EMS）為基礎(chǔ),建立煤礦電網(wǎng)電壓預(yù)警系統(tǒng),從煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行信息分析,然后分別將所需信息送入靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析評(píng)估模塊（電壓等級(jí)綜合評(píng)估）和電壓可能發(fā)展趨勢分析模塊進(jìn)行相關(guān)判斷,判斷結(jié)果輸送給電壓穩(wěn)定性預(yù)警模塊進(jìn)行電網(wǎng)電壓態(tài)勢預(yù)警,最后把預(yù)警結(jié)果及對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)整措施反饋給煤礦監(jiān)控模塊,調(diào)度員可以做出及時(shí)、合理的正確判斷調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式,保證煤礦進(jìn)行可靠、安全、經(jīng)濟(jì)合理的供電.

圖1 煤礦電網(wǎng)電壓預(yù)警系統(tǒng)Fig.1 Coal mine power grid and voltage early-warning system

2.1 電壓等級(jí)綜合評(píng)估

電壓等級(jí)綜合評(píng)估模塊中,采用灰色模糊綜合評(píng)判法和層次分析法（AHP）進(jìn)行評(píng)估.采用層次分析法建立煤礦電壓等級(jí)判斷分層結(jié)構(gòu),分析各層指標(biāo)因素對(duì)電壓態(tài)勢影響程度的大小；建立電壓重要性程度構(gòu)造判斷矩陣,計(jì)算針對(duì)某一準(zhǔn)則層各元素的相對(duì)重要性權(quán)值.煤礦電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中,不同電壓水平對(duì)電網(wǎng)電壓運(yùn)行的影響程度不同,本文把電壓的不同緊急程度采用6種不同的顏色表示,由高到低分別為：黑、紅、橙、黃、藍(lán)、綠,各電壓態(tài)勢表示含義如表1所示.然后,利用灰色模糊綜合評(píng)判法對(duì)電網(wǎng)發(fā)展趨勢的大致電壓態(tài)勢做出判斷,分析影響各種電網(wǎng)電壓運(yùn)行參數(shù)的各因素體系；評(píng)判選定某一電壓影響指標(biāo)與各電網(wǎng)電壓運(yùn)行參數(shù)之間的灰色模糊關(guān)系,確定權(quán)重集；根據(jù)選定的電壓影響指標(biāo)對(duì)備擇集各影響指標(biāo)的模糊隸屬度,建立評(píng)判矩陣并進(jìn)行灰色模糊綜合評(píng)判；在灰色模糊綜合評(píng)判中,因電壓影響指標(biāo)緊急程度的不同排序出可能性矩陣,就可以得出評(píng)判電壓態(tài)勢的顏色.煤礦電壓預(yù)警等級(jí)評(píng)估指標(biāo)分層結(jié)構(gòu)如圖2所示.

表1 電壓態(tài)勢不同等級(jí)劃分Tab.1 Different classification of the voltage trend

圖2 煤礦電壓預(yù)警等級(jí)評(píng)估指標(biāo)分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Rating of coal mines voltage early-warning indicator hierarchy structure

2.2 預(yù)警結(jié)果分析與處理

預(yù)警結(jié)果分析與處理模塊中,采用專家系統(tǒng)對(duì)煤礦電網(wǎng)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行分析處理,它是利用專家系統(tǒng)知識(shí)庫中己知的電壓等級(jí)判斷及電壓趨勢預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行相匹配,結(jié)合二者不同的預(yù)警信號(hào)組合結(jié)果,給出相應(yīng)合理的調(diào)控措施,對(duì)煤礦電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的調(diào)整.

3 實(shí)例分析

本文以河南省某礦為例,采集該礦供電數(shù)據(jù)建立煤礦電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng).選取煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的3種不同狀態(tài)：狀態(tài)1為電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài),其參數(shù)由電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)提供；狀態(tài)2為電網(wǎng)調(diào)整后狀態(tài),其參數(shù)由專家系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)整方案措施后得到的；狀態(tài)3為電網(wǎng)未調(diào)整后狀態(tài),其參數(shù)由該礦運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù).結(jié)合負(fù)荷分析預(yù)測,選擇合適的電網(wǎng)參數(shù)建立Power World電力系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)仿真,最后通過對(duì)以上3種電網(wǎng)狀態(tài)的對(duì)比分析,驗(yàn)證預(yù)警系統(tǒng)分析結(jié)果.[9]

3.1 實(shí)例計(jì)算結(jié)果

采集該礦供電數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù),統(tǒng)一歸一化后經(jīng)計(jì)算：

電壓等級(jí)為b=3.1710,由表1可以看出其電壓態(tài)勢接近于黃色.低電壓的可能性為2級(jí),等級(jí)屬于黃色預(yù)警,電壓態(tài)勢可能隨著負(fù)荷的增加而波動(dòng),電壓可能會(huì)低于系統(tǒng)允許的最低值,出現(xiàn)以上這種現(xiàn)象就需要監(jiān)控調(diào)度人員密切關(guān)注電壓和電網(wǎng)的變化情況,并做好低電壓預(yù)防措施.

結(jié)合二者計(jì)算結(jié)果,可以知道當(dāng)前煤礦電網(wǎng)的運(yùn)行存在一定的問題,線路負(fù)荷布置不合理,且隨著生產(chǎn)工作的繼續(xù),線路末端電壓有可能進(jìn)一步降低,會(huì)影響正常的生產(chǎn),需要及時(shí)對(duì)各條線路所帶負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整.

3.2 仿真結(jié)果對(duì)比

利用Power World建立煤礦供電系統(tǒng)仿真圖,選用牛頓-拉弗迅潮流計(jì)算方法,分別計(jì)算3種狀態(tài)下供電網(wǎng)絡(luò)的潮流分布.潮流計(jì)算顯示出某些線路電壓水平出現(xiàn)一些偏差,系統(tǒng)的電壓幅值等高線采用Power World系統(tǒng)電壓等高線繪制工具,從左到右分別表示狀態(tài)3、狀態(tài)1和狀態(tài)2,各狀態(tài)下電壓等高線如圖3所示.不同的顏色表示不同的電網(wǎng)電壓等級(jí),藍(lán)色越淺表示電壓等級(jí)越高,如圖3中圈住區(qū)域；淺（綠）色、深（藍(lán)）色箭頭的含義是表示系統(tǒng)的無功、有功方向及大小,從圖3中也看到系統(tǒng)中主要的功率分配及流動(dòng)情況.

圖3 電壓等高線Fig.3 Voltage contour map

圖3圈出區(qū)域部分淺（綠）色表示電壓正常,也就是供電系統(tǒng)或線路狀態(tài)處于“健康”狀態(tài).通過對(duì)圖3中電壓等高線圖進(jìn)行比較,可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)電壓略微偏低,運(yùn)行狀態(tài)較為正常,處于“亞健康”狀態(tài),如果不對(duì)電網(wǎng)采取調(diào)整措施,一段時(shí)間后,電壓會(huì)進(jìn)一步的降低,將會(huì)影響電網(wǎng)中其它設(shè)備正常運(yùn)行,電網(wǎng)狀態(tài)會(huì)由基本正常狀態(tài)惡化為不正常狀態(tài),即由“亞健康”變?yōu)椤安睢睜顟B(tài),無法保證煤礦的可靠、安全運(yùn)行；若對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采取調(diào)整措施,重新分配負(fù)荷及必要的無功補(bǔ)償?shù)却胧?供電系統(tǒng)的供電電壓將提高,電網(wǎng)狀態(tài)將由“亞健康”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖】怠睜顟B(tài),不但滿足了其它設(shè)備的運(yùn)正常運(yùn)行,也保證了煤礦進(jìn)行可靠、安全、經(jīng)濟(jì)合理的供電.

4 結(jié)語

研究煤礦電網(wǎng)低電壓預(yù)警方法,對(duì)于煤礦電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用.本文采用模糊綜合評(píng)判與層次分析法相結(jié)合進(jìn)行煤礦電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析及預(yù)警研究,充分利用領(lǐng)域內(nèi)專家知識(shí),提高了預(yù)警系統(tǒng)處理問題的準(zhǔn)確性和可靠性.但是,本研究需要大量相關(guān)數(shù)據(jù)支持和預(yù)先進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備計(jì)算,并需要選擇合適的電壓影響因素指標(biāo),否則將會(huì)對(duì)判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定的影響.

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