任 遠(yuǎn)

(山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

0 引言

由于煤礦中的抽水泵、升調(diào)機(jī)、采煤機(jī)和變頻器等機(jī)器會(huì)給煤礦供電系統(tǒng)帶來(lái)電流畸變、電壓驟降、電壓閃變以及諧波污染等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[1]?，F(xiàn)階段隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，電能質(zhì)量的全面監(jiān)測(cè)成為智能電網(wǎng)快速發(fā)展的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[2]中指出在未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展中，對(duì)電力系統(tǒng)的不間斷監(jiān)測(cè)方式已成為一種趨勢(shì)。但是現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要為智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，缺少在煤礦這種特殊環(huán)境中的研究。文獻(xiàn)[3]中提出了一種采用主觀權(quán)重法對(duì)煤礦電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立起包括電壓偏差等指標(biāo)在內(nèi)的評(píng)價(jià)體系，但是該方法主觀因素較重，且該評(píng)價(jià)體系相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]中不僅對(duì)各個(gè)指標(biāo)設(shè)置了獨(dú)有的權(quán)重值，而且設(shè)置了一套打分評(píng)價(jià)方案，最終綜合評(píng)價(jià)電能質(zhì)量指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果，但是該方法只適用于簡(jiǎn)單環(huán)境下的應(yīng)用，具有一定的局限性。

綜合以上，本文在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了一種煤礦電能質(zhì)量綜合評(píng)估體系，并基于GUI環(huán)境開發(fā)了一款針對(duì)煤礦的現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)。平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)分析與處理，為煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了新的發(fā)展思路。

1 煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量

煤礦供電作為一種特殊的供電方式，科學(xué)嚴(yán)格地定義電能質(zhì)量指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于煤礦的生產(chǎn)尤為重要。其中電能質(zhì)量指標(biāo)包括電壓、頻率以及諧波等。

1.1 電能質(zhì)量指標(biāo)

1.1.1 電壓偏差

在對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，常以電壓偏差作為指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

(1)

其中：Ureal為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行電壓；UN為系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓。

在CB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中規(guī)定：對(duì)于35 kV及以上的系統(tǒng)中電壓偏差不超過(guò)±10%；對(duì)于10 kV及以下的系統(tǒng)中允許三相電壓偏差為額定電壓的±7%；對(duì)于220 V單相供電系統(tǒng)中允許電壓偏差為-10%～7%。

由于在煤礦供電系統(tǒng)中，電壓偏差對(duì)煤礦照明設(shè)備、采煤機(jī)以及運(yùn)輸皮帶等設(shè)備的影響尤為重要，因此電壓偏差是煤礦供電系統(tǒng)研究中非常重要的一項(xiàng)電能指標(biāo)。

1.1.2 頻率偏差

電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)與系統(tǒng)頻率密切相關(guān)，頻率穩(wěn)定對(duì)于煤礦中的精密設(shè)備具有重要意義。在GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定：根據(jù)系統(tǒng)容量劃定允許頻率偏差為±2%，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，可允許偏差達(dá)到±5%。頻率偏差的計(jì)算公式為：

Δf=freal-fN.

(2)

其中：freal為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行頻率；fN為系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率。

1.1.3 諧波畸變率

通風(fēng)機(jī)、排水泵等設(shè)備中的變頻器會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)諧波污染，通常使用電壓(電流)畸變率來(lái)表示諧波，其計(jì)算公式為：

(3)

其中：Ui為第i次諧波電壓有效值；U1為基波電壓有效值。

表1列出了不同等級(jí)電壓電網(wǎng)中THDU以及各次諧波電壓含有率限制指標(biāo)。

1.2 電能質(zhì)量分析方法

1.2.1 時(shí)域檢測(cè)

在時(shí)域中，運(yùn)行電壓或者頻率通過(guò)終端監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)記錄。電壓測(cè)量時(shí)對(duì)于a級(jí)性能的監(jiān)測(cè)儀可選擇3 s、1 min、10 min或2 h計(jì)算時(shí)間內(nèi)10周波的電壓有效值的平均值，對(duì)于b級(jí)性能的監(jiān)測(cè)儀經(jīng)常使用1 min或10 min的時(shí)間長(zhǎng)度。而頻率測(cè)量可采用數(shù)字式自動(dòng)儀表記錄。

表1 不同等級(jí)電壓電網(wǎng)諧波限制

1.2.2 頻域檢測(cè)

在頻域中為分析諧波分量，可采用小波包變換對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)比較小波包重構(gòu)后各系數(shù)信號(hào)與原始信號(hào)基波分量，證明小波包變換能夠檢測(cè)到信號(hào)中的諧波分量。

2 電能質(zhì)量綜合評(píng)估體系

由于煤礦特殊的工作環(huán)境，考慮不同煤礦的建設(shè)規(guī)模和用戶需求，以及經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的各種因素，建立了煤礦多場(chǎng)景的綜合評(píng)估體系，更貼近于實(shí)際情況。

2.1 基于質(zhì)量指標(biāo)的聚類分析

基于質(zhì)量指標(biāo)的聚類分析法是指通過(guò)分析樣本數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行聚類處理，但是由于實(shí)際井下和地面工作情況復(fù)雜多變，聚類處理表現(xiàn)出明顯的乏力，所以該方法僅適用于簡(jiǎn)單場(chǎng)所和需求不大的場(chǎng)景中。

聚類算法的基本步驟如下：

(1) 選擇k個(gè)測(cè)量樣本數(shù)據(jù)作為初始聚類中心。

(2) 計(jì)算每個(gè)聚類指標(biāo)到聚類中心的距離，根據(jù)距離屬性將每個(gè)聚類指標(biāo)劃分到距離最小的簇中。

(3) 改變每個(gè)簇的聚類中心。

(4) 計(jì)算每個(gè)簇中測(cè)量樣本的平方誤差，當(dāng)本次計(jì)算的平方誤差與上一次計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)值誤差小于設(shè)定值時(shí)，聚類過(guò)程結(jié)束，否則繼續(xù)循環(huán)下去。

2.2 模糊專家評(píng)價(jià)分析

模糊專家評(píng)價(jià)法首先需要定義規(guī)則，由專家根據(jù)規(guī)則進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。該方法適用于井下復(fù)雜的工況，適用范圍廣，但是需要依賴專家經(jīng)驗(yàn)，所以建立綜合有效的專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)是該方法的核心。

2.2.1 模糊評(píng)價(jià)流程

(1) 建立輸入向量集合P=(P1,P2,P3,…，Pn)、評(píng)價(jià)等級(jí)集合Q=(Q1,Q2,Q3,…，Qm)以及評(píng)價(jià)集合C，其中C的評(píng)價(jià)矩陣為：

(4)

其中：cnm為第n個(gè)輸入向量Pn關(guān)于第m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Qm的隸屬程度。

(2) 建立由(P，Q，C)組成的綜合模糊評(píng)價(jià)模型。

(3) 建立輸出向量μ=(μ1,μ2,μ3,…)作為動(dòng)作指令，完成動(dòng)作機(jī)構(gòu)調(diào)整。

2.2.2 隸屬度函數(shù)

從實(shí)際情況來(lái)看，測(cè)量值具有非線性特點(diǎn)，因此采用非線性分布的函數(shù)建立隸屬度函數(shù)更加符合實(shí)際情況。為了方便設(shè)計(jì)，將電能質(zhì)量大致分為三個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，包括優(yōu)質(zhì)、一般和較差，并通過(guò)柯西型函數(shù)建立電能質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)隸屬度函數(shù)庫(kù)。

(1) 電能質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)時(shí)：

(5)

(2) 電能質(zhì)量一般時(shí)：

(6)

其中：α>0；β為正偶數(shù)。

(3) 電能質(zhì)量較差時(shí)：

(7)

其中：n=1，2，3，4；α、β>0。

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

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用三級(jí)聯(lián)動(dòng)，高效完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。首先通過(guò)終端監(jiān)測(cè)單元將各煤礦變電站監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)通信服務(wù)系統(tǒng)傳輸?shù)街卸藬?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，最終將處理后的數(shù)據(jù)上傳到在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)中顯示，后臺(tái)可通過(guò)編程優(yōu)化顯示界面。該系統(tǒng)中各單元系統(tǒng)的功能如下：

(1) 終端監(jiān)測(cè)單元：在監(jiān)測(cè)站中分級(jí)監(jiān)測(cè)，分別完成10臺(tái)～20臺(tái)、20臺(tái)～50臺(tái)、50臺(tái)～60臺(tái)的分級(jí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)中備份處理。

(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)：作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)分析處理的任務(wù)。在本文設(shè)計(jì)中，專門設(shè)置了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)共享功能。數(shù)據(jù)庫(kù)支持MSSQL等數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，并且為防止數(shù)據(jù)服務(wù)中心崩潰設(shè)置了一組冗余單元，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性。

(3) 通信服務(wù)系統(tǒng)：采用先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)為整個(gè)系統(tǒng)提供軟服務(wù)，將數(shù)據(jù)打包上傳到各單元中。

(4) 在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)：基于MATLAB GUI，依靠后臺(tái)編程，顯示實(shí)時(shí)的三相電壓、三相電流、三相功率以及頻率測(cè)量值和偏差計(jì)算結(jié)果，并且可根據(jù)用戶需求調(diào)取相應(yīng)的三相電壓曲線圖。

圖1 煤礦電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)開發(fā)

MATLAB GUI是一種人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)技術(shù)，它包括兩部分文件，M文件和FIG文件[5]。系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)在M文件中編輯電能質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系，并將實(shí)時(shí)結(jié)果顯示在FIG文件中。相比其他可視化技術(shù)，GUI具有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、兼容性好、為使用者提供了管理全局?jǐn)?shù)據(jù)的途徑等優(yōu)點(diǎn)。

圖2為在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面，從界面中可以看出，

本文的設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量指標(biāo)和圖形，為方便用戶操作，可隨時(shí)啟動(dòng)和中斷系統(tǒng)運(yùn)行。

圖2 在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面

4 結(jié)論

煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量關(guān)乎煤礦的安全生產(chǎn)。本

文首先基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)介紹了電壓偏差、頻率偏差和諧波三個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，建立了在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中使用基于質(zhì)量指標(biāo)的聚類分析和在復(fù)雜系統(tǒng)中使用模糊專家評(píng)價(jià)分析法的綜合評(píng)價(jià)體系，并基于GUI環(huán)境開發(fā)了一款煤礦電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析和數(shù)據(jù)共享。該系統(tǒng)解決了煤礦中電能質(zhì)量無(wú)法全面檢測(cè)的問(wèn)題，后期通過(guò)進(jìn)一步的完善具有一定的推廣作用。