馬淵，史浦東，賀喜龍，李在友

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015）

0 引 言

隨著露天礦電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，對電氣設(shè)備供電可靠性的要求越來越高，人工管理電纜越來越不適合電纜管理的需要。一旦電纜線路發(fā)生故障，如果不能及時發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)和線路故障段影響的區(qū)域，可能會造成電力事故，造成重大損失。因此，人工管理逐漸被淘汰。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于GIS的電力電纜管理系統(tǒng)得到了越來越多的應(yīng)用。其中，基于3D仿真技術(shù)的可視化電纜信息管理系統(tǒng)融合了3D圖形可視化管理、3D地理信息管理和電纜資產(chǎn)數(shù)字化管理的特點(diǎn)，可大大提高電纜管理的專業(yè)化和效率。

1 當(dāng)前露天礦供配電作業(yè)存在的問題

露天礦的供配電網(wǎng)絡(luò)一般由移動變電站、接線盒、開關(guān)柜、快速連接器、電纜、電氣設(shè)備等組成，供電網(wǎng)絡(luò)電壓等級為6 kV。采場內(nèi)供配電網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，線路多，供電范圍廣。目前供配電業(yè)務(wù)存在以下問題：

（1）運(yùn)營商缺乏有效手段快速準(zhǔn)確識別運(yùn)營線路供配電關(guān)系。

（2）現(xiàn)有供電電纜數(shù)量較多，缺乏有效的信息手段對電纜進(jìn)行全壽命跟蹤和管理（主要是監(jiān)測電纜的使用壽命、使用地點(diǎn)、性能參數(shù)等）。

（3）生產(chǎn)現(xiàn)場有大量電氣設(shè)備的電能、用電信息，采用人工現(xiàn)場抄表的方式采集信息，工作量大，效率低。

（4）通過懸掛磁吸式標(biāo)識牌實(shí)現(xiàn)各移動變電站的負(fù)荷標(biāo)識。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，負(fù)載板調(diào)整需要手動進(jìn)行，存在一定的安全隱患。必須采用智能手段保證負(fù)荷指示的可靠性。

2 露天礦供配電管理發(fā)展的趨勢

2.1 基于三維仿真技術(shù)的電力電纜智能管理

三維仿真技術(shù)的電力電纜智能管理系統(tǒng)主要是通過三維激光掃描技術(shù)對電纜、附屬設(shè)施、電纜線路、電纜軌跡等進(jìn)行精準(zhǔn)定位形成三維數(shù)據(jù)，同時建設(shè)設(shè)備電子編碼標(biāo)識系統(tǒng)，建立電纜通道三維模型及設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)與GIS和PMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，為智能化運(yùn)檢平臺提供高效、精準(zhǔn)的后臺數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)電纜、線路及管控資源可視化，電纜線路與采場道路等多維度關(guān)聯(lián)信息分析，電纜線路資源查詢及資源審批，實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)維單位對電纜及線路資源“一清二楚”，提升電纜精益化管理水平。

2.2 基于改進(jìn)GIS的電力電纜管理

2.3 基于RFID的可視化電纜管理

基于RFID（射頻識別技術(shù)）的電纜信息可視化管理系統(tǒng)平臺主要基于RFID技術(shù)，由電子標(biāo)簽、標(biāo)簽探測儀、移動智能終端（帶GPS模塊）和后臺服務(wù)系統(tǒng)組成。充分利用RFID技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了電纜的精益化、智能化、信息化、可視化管理。該系統(tǒng)的特點(diǎn)通過調(diào)用GIS地圖和數(shù)據(jù)庫，快速探知標(biāo)簽的位置點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)讀取及位置定位、電纜的敷設(shè)方式、標(biāo)簽編號、經(jīng)緯度等，實(shí)現(xiàn)對電纜的智能化、信息化、可視化管理。

3 露天礦供配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框架圖

總體設(shè)計(jì)方案為：

（1）在露天礦數(shù)百根高壓電纜兩端安裝太陽能定位模塊和電子標(biāo)簽，定位數(shù)據(jù)和電纜屬性信息實(shí)時通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到供電隊(duì)調(diào)度中心服務(wù)器內(nèi)，方便工作人員準(zhǔn)確識別電纜精確坐標(biāo)和電纜屬性，工作人員通過供配電網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)獲取所有電纜的分布、走向以及電纜兩端連接用電設(shè)備的供配電關(guān)系，通過服務(wù)器軟件和手持終端可以快速查詢供配電線路從哪來要到哪去。

（2）設(shè)備內(nèi)部集成電子標(biāo)簽技術(shù)實(shí)現(xiàn)對所有在用、備用電纜信息化全壽命管理，通過手持終端掃描電子標(biāo)簽可快速了解電纜使用時長、電纜參數(shù)等屬性信息。實(shí)現(xiàn)智能負(fù)荷牌功能，該智能負(fù)荷牌可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際負(fù)荷情況，實(shí)時顯示移動變電站和高壓開關(guān)柜每路饋出線的負(fù)荷情況，在負(fù)荷發(fā)生變化時，能夠自動實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整，無需人工調(diào)整。用電設(shè)備電量監(jiān)控及計(jì)量功能，采集露天礦153塊電能表的電量信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦╇婈?duì)調(diào)度中心服務(wù)器內(nèi)，可按時間段、電表類型、電表用途等不同查詢條件定制輸出電量報表，還可對電量消耗進(jìn)行智能分析判斷。

（3）所有電纜定位數(shù)據(jù)、負(fù)荷牌數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)等都傳輸匯總至供電隊(duì)調(diào)度中心服務(wù)器內(nèi)，在露天礦供電隊(duì)調(diào)度大屏上形成礦區(qū)供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理一張圖，根據(jù)供配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況該圖將自動更新，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際供配電網(wǎng)絡(luò)同步，使管理人員和作業(yè)人員對目前的供配電網(wǎng)絡(luò)一目了然，提高工作效率并控制供配電安全風(fēng)險。

其中露天礦場電纜網(wǎng)絡(luò)的分布示意圖如圖2所示。

其中，yt和xt分別為1維和p維的I(1)序列，ut為平穩(wěn)的I(0)變量。由于xt與ut的相關(guān)性，對式(4)采用OLS法進(jìn)行估計(jì)時，會導(dǎo)致估計(jì)的二階偏差， Stock和Watson(1993)建議將式(4)中ut的分解為領(lǐng)先、滯后項(xiàng)和純革新項(xiàng)εt，則式(4)轉(zhuǎn)化為如下形式：

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

3.2.1 電纜定位設(shè)備

電纜定位設(shè)備集成衛(wèi)星定位模塊、無源RFID標(biāo)簽、讀卡器、有源RF射頻技術(shù)于一體，采用內(nèi)置天線，在電纜端部安裝好電纜套環(huán)標(biāo)簽。整個電纜定位設(shè)備實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 露天礦場電纜網(wǎng)絡(luò)分布

圖3 電纜定位設(shè)備實(shí)物圖

定位模塊外殼采用尼龍材質(zhì)，三防設(shè)計(jì)，如圖4所示，以便無線信號可以從殼體內(nèi)正常發(fā)出（尼龍外殼放在兩個喇叭口中間凹槽內(nèi)）。

圖4 定位模塊設(shè)計(jì)實(shí)物圖

電纜定位設(shè)備內(nèi)置大容量可充電鋰電池，充滿電可持續(xù)工作2年以上，同時設(shè)備表面施加有環(huán)形太陽能充電板，可對鋰電池進(jìn)行充電，設(shè)備內(nèi)集成低功耗節(jié)電管理模塊，電纜長時間無移動時設(shè)備處于半休眠狀態(tài)，每隔1小時自動喚醒并發(fā)送一次位置信息，當(dāng)震動傳感器監(jiān)測到電纜移動時設(shè)備自動喚醒且1秒發(fā)送一次位置信息，實(shí)時更新坐標(biāo)位置。衛(wèi)星定位模塊用于實(shí)時上傳電纜位置坐標(biāo)，無源RFID標(biāo)簽卡用于電纜屬性識別（可通過手持讀卡器識別電纜屬性），有源433 MHz射頻用于傳輸定位數(shù)據(jù)和電纜屬性信息數(shù)據(jù)。設(shè)備采用低功耗設(shè)計(jì)，電纜無移動時設(shè)備處于半休眠狀態(tài)，當(dāng)震動傳感器監(jiān)測到電纜移動時設(shè)備自動喚醒，實(shí)時更新坐標(biāo)位置。

3.2.2 電纜間遠(yuǎn)距離級聯(lián)傳輸

通過LoRa無線擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)每段電纜間遠(yuǎn)距離級聯(lián)傳輸；每個電纜定位設(shè)備內(nèi)帶有有源433 MHz射頻模塊，模塊繞射性好、穿透力強(qiáng)，不會受到露天礦采場地形和天氣影響，射頻模塊最遠(yuǎn)傳輸距離為500米左右，這樣施加在每段電纜兩端的射頻模塊就可以傳輸數(shù)據(jù)，采用LoRa無線擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜間數(shù)據(jù)級聯(lián)遠(yuǎn)距離傳輸，同時為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，電纜定位數(shù)據(jù)也可通過露天礦已有防撞預(yù)警系統(tǒng)無線RF射頻網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)傳輸雙通道雙保險，最終將數(shù)據(jù)傳回到供電隊(duì)調(diào)度室服務(wù)器內(nèi)。

3.2.3 線纜連接和分線箱連接關(guān)系的自動識別

線纜連接和分線箱連接關(guān)系自動識別技術(shù)，針對分線箱具有多路出線口如何自動識別連接關(guān)系問題；兩根電纜的快速連接耦合器可以通過衛(wèi)星定位距離來判斷連接關(guān)系，但分線箱由于3個或多個耦合器插口距離近，無法通過衛(wèi)星定位距離來判斷連接關(guān)系，那么采用RFID近距離讀卡識別技術(shù)進(jìn)行自動識別，在分線箱的3個插座上安裝不同編號的RFID標(biāo)簽卡，電纜上的定位設(shè)備內(nèi)集成有RFID標(biāo)簽讀卡器，耦合器連接分線箱插座時自動識別插座編號，自動識別出分線箱一進(jìn)二出或一進(jìn)多出的對應(yīng)關(guān)系。

3.2.4 LED電子負(fù)荷牌顯示供配電情況

現(xiàn)通過加裝智能自動LED電子負(fù)荷牌來自動顯示，電子負(fù)荷牌通過無線網(wǎng)絡(luò)從供電隊(duì)服務(wù)器內(nèi)實(shí)時獲取供配電關(guān)系圖信息，因?yàn)榉?wù)器內(nèi)已存儲有通過電纜定位設(shè)備傳輸上來的供配電關(guān)系數(shù)據(jù)，當(dāng)現(xiàn)場供配電關(guān)系發(fā)生變化時，LED電子負(fù)荷牌會自動顯示最新的供配電信息。

3.2.5 電能表遠(yuǎn)程抄表

采用電壓或電流互感技術(shù)采集電量數(shù)據(jù)，并定期或需要時通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到供電隊(duì)后臺電度核算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。

3.2.6 手持電纜屬性識別終端設(shè)備

工作人員巡查線路時攜帶手持終端設(shè)備，手持終端采用非接觸方式讀取電纜上的RFID標(biāo)簽卡數(shù)據(jù)，工作人員通過終端屏幕可快速了解電纜的所有信息，包括使用年限、供電參數(shù)等屬性信息，即安全又快捷。

3.2.7 供配電網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)

包含供電調(diào)度大屏，軟件在大屏上顯示，包含數(shù)據(jù)庫軟件、服務(wù)器軟件、應(yīng)用端軟件，實(shí)現(xiàn)對露天礦采場電纜實(shí)時定位、所有在用備用電纜屬性管理、采場用電設(shè)備電量監(jiān)控及計(jì)量等功能，形成礦區(qū)供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 露天礦信息化管理系統(tǒng)

4 結(jié) 論

目前，我國露天礦高壓電力電纜管理絕大多數(shù)依賴于從業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)和對電纜網(wǎng)絡(luò)的熟悉程度，人員專業(yè)素質(zhì)直接影響到電力電纜的運(yùn)行維護(hù)水平，甚至影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。隨著技術(shù)的創(chuàng)新，三維GIS、RFID等技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，為新型電力電纜管理系統(tǒng)的搭建和運(yùn)營提供了有利保障，而這也將成為電力電纜系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。本文所研究的露天礦供配電網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠?yàn)槁短斓V的電纜管理信息化提供更智能、更安全的管理模式。