張傳亮 相龍陽(yáng) 阮偉唯

（兗州東方機(jī)電有限公司，山東 鄒城273500）

1 概述

自2002 年起，我國(guó)不斷加強(qiáng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的要求，煤炭行業(yè)開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)升級(jí)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(duì)電力需求增加的同時(shí)，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的研究起步比較晚，對(duì)這方面的研究也比較落后。相對(duì)于國(guó)外的檢測(cè)裝置，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品具有檢測(cè)功能不全面、精度不高的缺點(diǎn)。目前煤礦運(yùn)用的監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量狀況的設(shè)備單一化，僅能監(jiān)測(cè)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(wèn)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(kāi)發(fā)一套電能質(zhì)量分析監(jiān)測(cè)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(cè)。

2 煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義

針對(duì)大部分礦井在電能管理上模糊化和對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)及分析系統(tǒng)的思路，通過(guò)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(lái)，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(cè)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(cè)系統(tǒng)，能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，也可以與井下現(xiàn)有自動(dòng)化控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)，能夠有效的監(jiān)測(cè)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(duì)電能數(shù)據(jù)做出分析，這對(duì)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(cè)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)。

3 煤礦井下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

隨著煤礦自動(dòng)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?cè)谔岣呙旱V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(wèn)題。

通過(guò)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(wèn)題及特點(diǎn)：（1）電壓偏差大。煤礦開(kāi)采及運(yùn)輸用電設(shè)備集中工作的綜采工作面，開(kāi)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(wèn)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(dòng)而波動(dòng)；（3）電壓波動(dòng)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(dòng)負(fù)荷的啟停給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的電壓波動(dòng)，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(wú)功偏大，功率因數(shù)低。

4 煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于煤礦智能供電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新的煤礦電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)井下智能變電所保護(hù)測(cè)控設(shè)備對(duì)供電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)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(chǔ)，最后通過(guò)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(cè)主機(jī)，進(jìn)行全礦電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)井下電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)。對(duì)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(cè)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(jí)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(cè)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(cè)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(tái)及大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線、遠(yuǎn)程對(duì)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(chǔ)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(tái)數(shù)據(jù)處理

此設(shè)計(jì)，只需在監(jiān)測(cè)終端安裝特定的終端監(jiān)測(cè)裝置，將采集到的信號(hào)（電壓、電流）通過(guò)以太網(wǎng)或者無(wú)線上傳至云平臺(tái)，通過(guò)云來(lái)對(duì)采集的信號(hào)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(cè)點(diǎn)或者檢測(cè)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(hào)（最大擴(kuò)展四路），終端采集裝置可將信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)或者無(wú)線信號(hào)進(jìn)行傳輸。

（1）終端采集。根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，會(huì)在井下供電系統(tǒng)的高防開(kāi)關(guān)等饋電開(kāi)關(guān)內(nèi)部安裝監(jiān)測(cè)終端，并將饋電開(kāi)關(guān)所帶負(fù)荷的電壓電流信號(hào)接入監(jiān)測(cè)終端，最終通過(guò)RS485、以太網(wǎng)或無(wú)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(chǔ)和數(shù)據(jù)采集與交互對(duì)象。

通信協(xié)議：（1）服務(wù)層與監(jiān)測(cè)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(duì)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(wú)功功率等，而這些數(shù)據(jù)需要上傳至云平臺(tái)，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(chǔ)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(tái)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(tái)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(chǔ)存?zhèn)浞?。使用阿里云存?chǔ)“鐵三角”+DB集群的解決方案：分布式開(kāi)放式存儲(chǔ)服務(wù)OSS、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)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(duì)傳輸過(guò)來(lái)的單體數(shù)據(jù)不只單純的進(jìn)行顯示，并對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，會(huì)根據(jù)需要以波形、柱狀圖、表格等形式來(lái)展示。系統(tǒng)界面不只可以通過(guò)電腦端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)手機(jī)APP 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(duì)用戶進(jìn)行提醒。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)是集采集、監(jiān)測(cè)、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(cè)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(guó)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(cè)及分析系統(tǒng)。