閆亞恒

（潞安集團(tuán)電力中心，山西 長治 046000）

隨著煤礦現(xiàn)代化和信息自動化的高速發(fā)展，煤礦供電系統(tǒng)中各類整流器、交直流換流設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備越來越多，導(dǎo)致電網(wǎng)中非線性負(fù)荷也越來越多，煤礦電網(wǎng)中諧波日益嚴(yán)重，對供電環(huán)境造成很大的污染。除了這些設(shè)備外，目前煤礦中使用采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、帶式輸送機(jī)、提升機(jī)等設(shè)備的功率也越來越大。這類大功率、長時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備會造成電網(wǎng)電壓波動，給煤礦供電系統(tǒng)帶來不可忽視的影響。要準(zhǔn)確、有效地解決供電質(zhì)量問題，需要對供電質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)和分析。

1 煤礦供電質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的選擇

在實(shí)際的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)電能質(zhì)量評價(jià)體系中，指標(biāo)的選擇不是越多越好，也不是越少越好，而是要科學(xué)、系統(tǒng)、實(shí)用、有針對性。因此，結(jié)合煤礦實(shí)際和指標(biāo)內(nèi)涵，在電壓指標(biāo)、電流指標(biāo)、功率因素三個(gè)大的方面以外，又選擇了具體的指標(biāo)。

（1）電壓偏差。電壓偏差是衡量煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。電壓偏差過大，會減弱設(shè)備的運(yùn)行性能，降低運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備無法運(yùn)行，甚至損壞設(shè)備，從而影響煤炭的正常、安全、高效開采，給煤炭企業(yè)帶來直接的損失。

（2）電壓諧波。諧波會導(dǎo)致煤礦供電網(wǎng)絡(luò)功率損耗增大，還有可能對并聯(lián)電容器、電纜、變壓器等電氣設(shè)備產(chǎn)生損害。有研究表明，如果諧波電壓總畸變達(dá)10%～20%，就可能在很短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致電動機(jī)損壞。此外，諧波還可能造成保護(hù)裝置功能失效，嚴(yán)重的話可能造成大面積停電，給煤礦通風(fēng)、排水等帶來重大影響，影響煤炭安全、高效生產(chǎn)。因此，諧波電壓可以作為評估電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

（3）電流總畸變率。目前，國際上用電流總畸變率（TDD）來衡量電流質(zhì)量，這樣既考慮了負(fù)載電流較小的情況，也方便測量和計(jì)算。

（4）五次諧波電流。在煤礦機(jī)械設(shè)備中，有很多采用了變頻調(diào)速裝置，這就導(dǎo)致煤礦電網(wǎng)中含有大量五次諧波電流。五次諧波電流會導(dǎo)致設(shè)備電機(jī)發(fā)熱和振動，給設(shè)備的安全生產(chǎn)帶來影響，造成威脅。同時(shí)，五次諧波電流會導(dǎo)致負(fù)序電流的保護(hù)裝置發(fā)生誤動作，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

（5）功率因數(shù)。其體現(xiàn)的是供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，對視在功率的有效利用率，是評價(jià)電能利用情況的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)還能對設(shè)備的使用和事故可能進(jìn)行間接的評價(jià)。

針對煤礦供電系統(tǒng)而言，電流指標(biāo)可以針對變壓器低壓側(cè)、下井回路、通風(fēng)回路、提升回路等。

2 煤礦供電質(zhì)量評價(jià)體系研究

層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是既包含定性分析，又通過定量分析將主觀的判斷轉(zhuǎn)化為數(shù)值性的客觀評價(jià)的一種決策方法。通過建立對比標(biāo)度，對單一準(zhǔn)則層下的指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比構(gòu)建判斷矩陣（列表），能夠?qū)o形指標(biāo)的測量轉(zhuǎn)化為有形的判斷指標(biāo)，從而得到更加準(zhǔn)確、客觀、科學(xué)的評價(jià)結(jié)果。因此，層次分析法在對多指標(biāo)系統(tǒng)的評價(jià)中，使用非常廣泛。

2.1 煤礦供電質(zhì)量評價(jià)體系的建立

根據(jù)前文對影響煤礦供電質(zhì)量的指標(biāo)的確定，建立煤礦供電質(zhì)量評價(jià)體系，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 煤礦供電質(zhì)量評價(jià)體系的分析

根據(jù)判斷矩陣的構(gòu)建方法、煤礦實(shí)際以及通過與一線技術(shù)人員的溝通，建立圖2所示評價(jià)體系的A-B層和B1-C層、B2-C層判斷矩陣如下所示：

（1）A-B層判斷矩陣

（2）B1-C層判斷矩陣

（3）B2-C層判斷矩陣

通過計(jì)算單一準(zhǔn)則特征向量可以得出各個(gè)因素的權(quán)重大小，也可以得出各因素在體系中的總權(quán)重。利用MATLAB軟件可以計(jì)算各個(gè)矩陣的特征向量，結(jié)果如下：

從上述權(quán)重結(jié)果可以看出：

（1）在A-B層中，電壓指標(biāo)（B1）所占的權(quán)重最大，說明電壓質(zhì)量好壞對于煤礦系統(tǒng)電能質(zhì)量評價(jià)的影響非常大，是重點(diǎn)監(jiān)測和改善的指標(biāo)；電流指標(biāo)（B2）的權(quán)重大于功率因數(shù)（B3），這是由于規(guī)程中對煤礦功率因數(shù)有規(guī)定，要求大于0.9，因此一般功率因數(shù)都符合規(guī)定。

（2）在B1-C層中，電壓偏差（c1）所占權(quán)重最大，在B1層中是影響最大的因素。在B2-C層中，變壓器低壓側(cè)電流總畸變率（c4）所占權(quán)重最大，在B2層中是影響最大的因素。

由權(quán)重總排序可以看出各指標(biāo)對整個(gè)煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量影響的程度大小。其中，影響程度前五名的，按順序分別為電壓偏差、五次諧波電壓、功率因數(shù)，變壓器低壓側(cè)電流總畸變率和電壓畸變率。說明以上因素是影響煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要指標(biāo)，在實(shí)際的監(jiān)測和運(yùn)行中也應(yīng)重點(diǎn)注意這幾個(gè)方面。

圖1 煤礦供電質(zhì)量性評價(jià)體系結(jié)構(gòu)示意圖

3 煤礦供電質(zhì)量綜合評價(jià)方法

通過查閱文獻(xiàn)并根據(jù)煤礦實(shí)際需要，將各個(gè)指標(biāo)的等級劃分為優(yōu)秀、良好、合格、不合格四個(gè)大類，每個(gè)參數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下表1所示。

可以對現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)按照上表的劃分進(jìn)行判斷，為了得到定量的評價(jià)結(jié)果，還要為每個(gè)不同等級賦予分?jǐn)?shù)，其中優(yōu)秀為5分，良好為3分，合格為1分，不合格為0分。按照層次分析法計(jì)算方法，對整個(gè)系統(tǒng)中打分評價(jià)，評價(jià)結(jié)果也分為優(yōu)秀（4分～5分）、良好（3分～4分），合格（2分～3分），不合格（2分以下）。

表1 煤礦供電系統(tǒng)供電質(zhì)量各因素的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分

綜合評價(jià)結(jié)果的計(jì)算如下式（1）所示。

式中：

F-煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量評價(jià)結(jié)果；

P-因素C1、C2……C12的得分矩陣；

pk-分?jǐn)?shù)。

4 煤礦供電質(zhì)量綜合評價(jià)方法實(shí)踐

4.1 測點(diǎn)布置

以潞安集團(tuán)為例，對前面所構(gòu)建的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)電能質(zhì)量評價(jià)體系進(jìn)行實(shí)踐。選擇五陽煤礦35kV變電所作為測試對象，該變電所是整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的樞紐，負(fù)責(zé)礦井生產(chǎn)和生活用電需求。系統(tǒng)有兩條進(jìn)線，通過兩臺變壓器降壓到6kV后為煤礦電網(wǎng)供電。主接線為單母線分段方式，母線分段分別供給井下中央變電所、通風(fēng)機(jī)房、提升機(jī)房等。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)與測點(diǎn)布置示意圖

4.2 測試結(jié)果

現(xiàn)場實(shí)測功率因數(shù)為0.92，其余各指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)如下表2和3所示。

根據(jù)前述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合權(quán)重計(jì)算結(jié)果，最終可得供電質(zhì)量評價(jià)結(jié)果為：F=3.08。

表2 電壓指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)

表3 電流指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)

因此，該煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量評價(jià)結(jié)果為良好，但是部分指標(biāo)得分較低，需要查明原因進(jìn)行改進(jìn)。

5 煤礦供電質(zhì)量綜合評價(jià)軟件開發(fā)

以Visual Basic編程語言為基礎(chǔ)，研究開發(fā)了煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量評價(jià)軟件。

5.1 軟件界面

圖3 軟件界面示意圖

5.2 軟件運(yùn)行

仍然以五陽煤礦35kV變電所實(shí)測情況為例（數(shù)據(jù)如表2和表3），在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的選擇，并點(diǎn)擊“綜合評價(jià)”，得到評價(jià)結(jié)果。選擇與評價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4 軟件運(yùn)行結(jié)果示意圖

6 結(jié)語

本文對煤礦供電系統(tǒng)的評價(jià)體系和評價(jià)方法進(jìn)行了研究。

（1）在層次分析理論基礎(chǔ)上，建立了由三個(gè)中間層和十一個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成的評價(jià)體系，并對這個(gè)體系構(gòu)建了判斷矩陣，求得了各個(gè)因素的單一權(quán)重和總權(quán)重。對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了等級劃分，并建立了這個(gè)系統(tǒng)的打分評價(jià)方法。根據(jù)權(quán)重值和評分方法，可以得到綜合的電能質(zhì)量評價(jià)結(jié)果。

（2）為了簡化計(jì)算，方便現(xiàn)場使用，開發(fā)了相應(yīng)的評價(jià)軟件。通過實(shí)踐可知，軟件運(yùn)行正常，提高了供電質(zhì)量評價(jià)的效率。