張傳亮 相龍陽 阮偉唯
(兗州東方機(jī)電有限公司,山東 鄒城273500)
自2002 年起,我國不斷加強(qiáng)對煤礦安全生產(chǎn)的要求,煤炭行業(yè)開始進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)升級改造。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shí),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(diǎn)。目前煤礦運(yùn)用的監(jiān)測電能質(zhì)量狀況的設(shè)備單一化,僅能監(jiān)測一個(gè)或其中的若干性能指標(biāo),這也就導(dǎo)致工作人員不能及時(shí)全面的發(fā)現(xiàn)問題,進(jìn)而未能迅速準(zhǔn)確的處理相應(yīng)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(shí)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的全面監(jiān)測。
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(chǔ)上,提出分布式電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析系統(tǒng)的思路,通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源和儀器硬件有機(jī)的結(jié)合起來,從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng),能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn),也可以與井下現(xiàn)有自動化控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn),能夠有效的監(jiān)測供電系統(tǒng)各個(gè)采區(qū)或設(shè)備的實(shí)時(shí)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(dá)到用電精準(zhǔn)管理、噸煤用電量降低、系統(tǒng)安全性提高的目標(biāo)。
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(shè)備中,它們在提高煤礦節(jié)能效應(yīng)的同時(shí),也給煤礦電網(wǎng)引入了嚴(yán)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(fù)荷的特點(diǎn),總結(jié)出煤礦供電系統(tǒng)的主要電能質(zhì)量問題及特點(diǎn):(1)電壓偏差大。煤礦開采及運(yùn)輸用電設(shè)備集中工作的綜采工作面,開采范圍增大時(shí),供電距離隨之增加,從而線損增大,導(dǎo)致供電電壓偏差問題;(2)諧波和間諧波。由于變頻技術(shù)的應(yīng)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(fù)荷的波動而波動;(3)電壓波動與閃變。煤礦中像礦井提升機(jī)、刮板機(jī)等大功率、非線性的波動負(fù)荷的啟停給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的電壓波動,并導(dǎo)致閃變的發(fā)生;(4)三相不平衡。受電鐵牽引負(fù)荷的影響,煤礦供電系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量負(fù)序電流,引起了電網(wǎng)的不平衡;(5)無功偏大,功率因數(shù)低。
基于煤礦智能供電網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)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(hù)測控設(shè)備對供電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的電能質(zhì)量計(jì)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(jī),進(jìn)行全礦電能質(zhì)量的監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享,實(shí)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(dá)到用電精準(zhǔn)管理、噸煤用電量降低、系統(tǒng)安全性提高的目標(biāo)。
系統(tǒng)按層級進(jìn)行設(shè)計(jì),建立一個(gè)分布式的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析系統(tǒng),使得用戶能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)的得到電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)測量點(diǎn)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(shè)計(jì):
整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù),實(shí)現(xiàn)在線、遠(yuǎn)程對用戶電網(wǎng)電能安全隱患實(shí)時(shí)預(yù)警和管理。
整個(gè)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(shè)計(jì),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(jìn)行處理、計(jì)算,進(jìn)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(diǎn)或者檢測設(shè)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(kuò)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(jìn)行傳輸。
(1)終端采集。根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)際情況,會在井下供電系統(tǒng)的高防開關(guān)等饋電開關(guān)內(nèi)部安裝監(jiān)測終端,并將饋電開關(guān)所帶負(fù)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(jìn)行傳輸;(2)數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)中間樞紐,具有傳遞、傳輸?shù)墓δ埽饕拇蟛糠?,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(wù)層與監(jiān)測設(shè)備層間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用DL/T860(IEC61850)系列標(biāo)準(zhǔn);(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用非緩存報(bào)告;(3)暫態(tài)波形數(shù)據(jù)采用文件傳輸服務(wù)。
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(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)量,比如:某一時(shí)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(gè)系統(tǒng)的顯示,比如整個(gè)線路的電壓情況等。
4.2 系統(tǒng)分析存儲部分。整個(gè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)就在于數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算上,此設(shè)計(jì)的處理方式采用云平臺數(shù)據(jù)處理模式,整個(gè)云包含公共云和私有云,而整個(gè)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?;旌显撇捎秒p通道ESC采集解析服務(wù)器集群,基于BGP 最優(yōu)路由算法構(gòu)架多線網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信環(huán)境。(2)云儲存?zhèn)浞荨J褂冒⒗镌拼鎯Α拌F三角”+DB集群的解決方案:分布式開放式存儲服務(wù)OSS、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)RDS、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)服務(wù)OTS,原始數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密存儲DB集群服務(wù)器。(3)云計(jì)算。由阿里云ESC+分布式負(fù)載均衡WEB服務(wù)器集群的組合混合云,滿足云端大數(shù)據(jù)運(yùn)算、蘇劇模型應(yīng)用、負(fù)載均衡、業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行、API 的接口應(yīng)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(jìn)行顯示,并對一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測,也可以通過手機(jī)APP 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,能夠隨時(shí)了解供電系統(tǒng)的電能情況。系統(tǒng)設(shè)有預(yù)警提示等功能,能夠在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)對用戶進(jìn)行提醒。
該系統(tǒng)是集采集、監(jiān)測、通訊、分析于一體的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)分布式智能化電能管理與電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析,最終達(dá)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(jìn)技術(shù),應(yīng)用于煤礦供電系統(tǒng)、各變電所,打造一個(gè)高效、節(jié)能、可靠、安全的網(wǎng)絡(luò)化電能管理與電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析系統(tǒng)。