李 明，劉亦娟，鄒仕強，孫銀輝，楊思兵

(1.國能包頭能源有限責任公司煤炭洗選分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017099；2.中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北省武漢市，434000)

0 引言

國能包頭能源有限責任公司煤炭洗選分公司(以下簡稱“韓家村選煤廠”)供電監(jiān)測區(qū)域包括10 kV高壓配電室、4號成品倉配電室、舊主選配電室、篩分車間配電室、新主選配電室、裝車塔樓配電室等配電室。通過各變電所及配電室相應配備的通信管理機、光纖環(huán)網(wǎng)交換機及配套的不間斷電源等設備監(jiān)控數(shù)據(jù)采集傳輸，將該選煤廠所有高、低壓供配電系統(tǒng)的綜保、多功能儀表、開關、電動機保護裝置等數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入選煤廠電力監(jiān)控系統(tǒng)進行管理，同時將數(shù)據(jù)信息上傳至MES智能生產(chǎn)管理平臺系統(tǒng)。然而在傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能中，缺少對于關鍵的配電設備歷史運行參數(shù)分析，同時缺少設備運行數(shù)據(jù)的深度數(shù)據(jù)挖掘，無法提供完整配電室內(nèi)配電設備運行監(jiān)測的解決方案[1-3]。

李偉等[4]針對電網(wǎng)監(jiān)測中出現(xiàn)的故障，引入殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡，設計電力監(jiān)控系統(tǒng)故障檢測方法。將半監(jiān)督學習與深度學習融合，構建殘差全連接的次級神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并將其作為系統(tǒng)故障檢測的分類模型。通過對訓練樣本特征在神經(jīng)網(wǎng)絡中的子空間、含有標簽的訓練樣本子集和殘差全連接層的層數(shù)進行多種形式的組合，在樣本特征的混合擾動下，構建差異性特征的分類器。通過計算分類器的誤差率，通過加權多數(shù)表決對無標記樣本數(shù)據(jù)進行增量學習，生成分類器。實驗證明，與已有算法相比，該算法具有更高的識別精度和收斂性，能夠快速準確地識別出電力監(jiān)控系統(tǒng)中的異常行為，減少對訓練樣本的標注代價。方崇全[5]為解決礦井電力供應監(jiān)測中由于監(jiān)測分站出現(xiàn)故障而造成的遠距離監(jiān)測不能使用的問題，提出了一種監(jiān)測分站冗余的礦井電力供應監(jiān)測體系，2個監(jiān)測分站相互作為熱備份，各監(jiān)測分站間以光纖通信方式保持同步運行。采用RS485總線通信系統(tǒng)中2個監(jiān)視分站與電源保護設備間的RS485總線通信的硬件互鎖線路，實現(xiàn)了監(jiān)視分站的熱備份。實踐證明，在一個監(jiān)測分站出現(xiàn)故障時，30 s以內(nèi)就可以啟動另一個監(jiān)測分站，對提升礦井電力監(jiān)測的可靠性具有重要意義。

基于以上研究背景，筆者以韓家村選煤廠為研究對象，設計了電力智能監(jiān)控系統(tǒng)，從而實時掌握韓家村選煤廠的電力運行情況。

1 韓家村選煤廠概況

韓家村選煤廠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西北約7 km處，原煤品種屬于不粘煤-長焰煤，產(chǎn)品為洗精煤和選混煤，發(fā)熱量大于4 650 kcal/kg和4 250 kcal/kg，洗精煤粒度為50～200 mm，硫分<0.8%，選煤方法是200～50 mm大塊煤采用重介淺槽分選，50～0 mm小塊煤采用復合式風力干選機分選工藝，處理原煤能力為1 200萬t/a。韓家村選煤廠采用的電力監(jiān)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，檢測信息包括10 kV中壓配電柜所有回路的斷路器/負荷開關的開關狀態(tài)，0.4 kV回路的三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等各種電參量和報警信息等?，F(xiàn)階段系統(tǒng)由于運行時間較長，存在運行卡頓現(xiàn)象(響應時間長)，系統(tǒng)監(jiān)控效果較差，此外電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道信號由于受到外界干擾，導致電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量較差，間接導致電力設備運行的經(jīng)濟性較低，用電量較高。

2 電力智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體架構設計

在韓家村選煤廠中，電力智能監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式的后臺主站層、通信間隔層和現(xiàn)場設備層3個層次，其總體架構如圖1所示。

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)總體架構

(1)后臺主站層。后臺主站層設置在選煤廠值班室內(nèi)部，是電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心管理層。主要設備包括后臺主機、鍵盤、鼠標和音箱等。后臺主站層負責對通信間隔層傳輸過來的數(shù)據(jù)進行解析、管理與分析[6]，通過數(shù)據(jù)解析和分析后，后臺主站層可以實時監(jiān)控整個電力系統(tǒng)的運行情況，并做出合理的決策。此外，后臺主站層還具備與選煤廠生產(chǎn)管理平臺進行數(shù)據(jù)交互的功能，將選煤廠的電力數(shù)據(jù)傳輸給生產(chǎn)管理平臺，用于生產(chǎn)管理的決策支持。

(2)通信間隔層。通信間隔層位于選煤廠內(nèi)部，連接后臺主站層和現(xiàn)場設備層。通信間隔層的主要任務是與現(xiàn)場設備層中的各種電力設備進行通信，采集并加工電力設備的運行數(shù)據(jù)[7]。通信間隔層起到中轉(zhuǎn)站作用，接收后臺主站層發(fā)出的命令，并將命令傳遞給現(xiàn)場設備層中的各種設備，采集的智能設備遵循Modbus規(guī)約，采用RS485通信方式，各配電室之間采用光纜傳輸，通過CloudEngine 16808 CE16800數(shù)據(jù)交換機進行內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)包。同時，通信間隔層還負責將采集的數(shù)據(jù)封裝處理后傳輸給后臺主站層，提供全面的電力系統(tǒng)狀態(tài)信息。

(3)現(xiàn)場設備層。現(xiàn)場設備層位于選煤廠內(nèi)部的現(xiàn)場區(qū)域，是電力智能監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元。現(xiàn)場設備層通過與通信間隔層進行通信，接收命令并控制電力設備的運行狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)包括電力設備的實時狀態(tài)、電流電壓等參數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測和反饋功能，采集設備包括GHR3351壓力傳感器、GHR-SH溫度傳感器和MCZJK22電流傳感器等，變電所內(nèi)具體采集智能設備包括10 kV綜保(具備RS485接口，支持Modbus規(guī)約)、馬達保護裝置(具備RS485接口，支持Modbus規(guī)約)等。此外，現(xiàn)場設備層還應具備一定的自動化控制能力，能夠根據(jù)設定的條件自動執(zhí)行相應的控制策略，提高整個電力系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

從以上分類可以看出，在宗守云(2011)的文章中，對與語言范疇化路徑的描述更加的具體細致，跟宗守云(2007)相比而言分類更加全面，除此之外這種分析得到的規(guī)律更加普遍而不只是針對于量詞“副”的研究，因此這對于語言的范疇化的基本途徑的研究更加具有參考價值。

2.2 系統(tǒng)功能設計

采用組態(tài)軟件布置在地面集控中心的監(jiān)控計算機上，實現(xiàn)韓家村選煤廠電力智能系統(tǒng)的監(jiān)測和控制需求。電力智能監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊主要分為通信與數(shù)據(jù)處理模塊、報表處理模塊、圖形界面模塊、報警處理模塊、權限設置模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。以上模塊共同構成了電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，通過各個模塊的協(xié)同工作，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)全面、高效、安全的監(jiān)控和管理。電力智能監(jiān)控系統(tǒng)功能設計如圖2所示。

圖2 電力監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

(1)通信與數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊與現(xiàn)場設備建立通信連接，通過現(xiàn)場設備層的傳感器實時采集電力設備的運行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率因數(shù)、溫度等各種參數(shù)。該模塊能夠根據(jù)要求進行數(shù)據(jù)的周期性或觸發(fā)式采集，并確保所采集數(shù)據(jù)的準確性和完整性。采集到的原始數(shù)據(jù)通常需要進行解析和封裝，使其符合特定的通信協(xié)議格式，以便與后臺主站層進行有效的數(shù)據(jù)交互。該模塊會對采集到的數(shù)據(jù)進行解析，提取有用信息，并將其封裝成相應的數(shù)據(jù)報文或數(shù)據(jù)幀。經(jīng)過解析和封裝的數(shù)據(jù)需要通過合適的通信方式傳輸給后臺主站層。該模塊會自動選擇如以太網(wǎng)、無線通信等合適的通信協(xié)議和通信介質(zhì)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸給主站層。該模塊需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性和實時性。該模塊不僅能夠接收后臺主站層發(fā)送的命令，還可以將這些命令傳遞給對應的設備執(zhí)行，同時能夠針對不同的設備類型和通信協(xié)議進行命令的解析和格式轉(zhuǎn)換，以確保設備間的操作性和正確的控制指令下發(fā)。

(2)報表處理模塊。該模塊用于生成各類報表，以提供電力系統(tǒng)的運行統(tǒng)計和分析結(jié)果。該模塊可以根據(jù)系統(tǒng)配置進行自動化報表生成，包括設備運行時間統(tǒng)計、能耗統(tǒng)計等。用戶還可以根據(jù)需求進行自定義報表的生成。該模塊提供可視化的報表界面，方便用戶查閱和導出報表數(shù)據(jù)。

(3)圖形界面模塊。該模塊是用戶與電力智能監(jiān)控系統(tǒng)交互的界面，提供直觀、友好的操作界面。用戶可以通過圖形界面查詢設備狀態(tài)、進行參數(shù)設置、查看歷史數(shù)據(jù)等操作。該模塊采用如儀表盤、曲線圖等圖形化的方式顯示電力設備的實時狀態(tài)，以便用戶能夠清晰地了解設備的運行情況。

(4)報警處理模塊。該模塊負責對電力系統(tǒng)中的異常情況和告警信息進行監(jiān)測和處理。當系統(tǒng)檢測到設備運行異常、電力供應不穩(wěn)定等情況時，會及時生成告警信息，并通過圖形界面或其他方式進行提示。同時，該模塊還提供了告警處理功能，如告警級別劃分、處理流程配置等，以保證告警信息得到及時響應和處理。

(5)權限設置模塊。該模塊用于對系統(tǒng)的用戶權限進行管理和設置。通過權限設置模塊，管理員可以為不同用戶分配不同的權限級別，以限制其對系統(tǒng)各個模塊和功能的訪問和操作，不僅可以保護系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的保密性，而且可以防止未經(jīng)授權的操作對系統(tǒng)造成損害。

(6)數(shù)據(jù)庫模塊。該模塊用于存儲和管理電力系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)存儲、查詢和備份功能，存儲的數(shù)據(jù)包含歷史趨勢圖、事件記錄表等。數(shù)據(jù)庫模塊可以保障數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，同時該模塊還可以提供對歷史數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計功能，為后續(xù)的決策和優(yōu)化提供支持。

2.3 系統(tǒng)硬件電路設計

根據(jù)電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構，設計電力監(jiān)控器的硬件電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設計。將微控制器嵌入到電力監(jiān)控器的硬件電路中，選擇73S169DT型號的單片機作為控制核心，與累加器結(jié)構的CPU相比，該單片機程序代碼更加簡潔，存儲空間的利用率也更高，因此，將該單片機用于電力監(jiān)控器硬件電路的實時控制中能過提高電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的性能[8]。該單片機操作直接對內(nèi)存中的全部數(shù)據(jù)寄存器進行，能夠避免一些微處理器僅使用累加器進行運算的“瓶頸”，因此計算效率和數(shù)據(jù)吞吐能力都得到較大提升。

電力智能監(jiān)控器采用了一種由數(shù)字信號處理器與單片機組成的雙CUP并行處理技術，可以在同一時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集與信號處理。通過DSP對數(shù)據(jù)的處理功能，使電力智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時采集多個電壓和電流信號[9-11]。電力智能監(jiān)控器硬件電路示意如圖3所示。

圖3 電力智能監(jiān)控器硬件電路示意

煤礦通信網(wǎng)絡大多采用RS485總線方式，有一部分設備采用CAN總線通信，基于“工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線”結(jié)構模式的通信分站設計需要實現(xiàn)RS485總線與以太網(wǎng)通信的無縫連接以及CAN總線與以太網(wǎng)通信的無縫連接。針對設計的需要，設計采用ARM微控制器+以太網(wǎng)控制芯片為主的核心方案，通過微控制器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)和開放的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧實現(xiàn)RS485和CAN總線與以太網(wǎng)的無縫通信，同時通過具有標準串行外設接口的以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)轉(zhuǎn)換接口的連接。作為電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心設備，通信分站的硬件設計主要包括微處理器、以太網(wǎng)驅(qū)動電路、以太網(wǎng)接口電路、電源電路、存儲器接口、RS485接口以及存儲器接口等電路。通信分站可以實現(xiàn)不同總線協(xié)議間的轉(zhuǎn)化，提高系統(tǒng)的兼容性，為韓家村選煤廠不同型號電力設備之間信號的互聯(lián)提供必要的支持。

2.4 系統(tǒng)軟件設計

在完成電力智能監(jiān)控硬件設計后，設計系統(tǒng)的軟件，主要分為電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道信號濾波處理和電力智能監(jiān)控算法2個部分。

2.4.1 電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道信號濾波處理

由于韓家村選煤廠的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道信號受到外界干擾，導致電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量較差，因此為了提高電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道的性能，引入濾波算法處理傳輸信道信號。將選煤廠電力設備的運行數(shù)據(jù)存儲到后臺主站層，以保證監(jiān)控數(shù)據(jù)獲取的實時性。

根據(jù)電力設備的編號可以確定運行狀況，通過建立電力設備運行狀況對應的數(shù)據(jù)采集單元，采集電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道信號。為了增強電力監(jiān)控的抗干擾性能，對采集的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道進行濾波處理，構建電力監(jiān)控數(shù)據(jù)濾波處理的數(shù)字濾波器，得到處理后的傳輸信道中電力監(jiān)控數(shù)據(jù)。利用因果條件和穩(wěn)定性條件下的數(shù)字濾波器，對電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道信號進行濾波處理，從而獲取高質(zhì)量的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)，為電力智能準確監(jiān)控奠定基礎[12-13]。

2.4.2 電力智能監(jiān)控算法

為了使電力監(jiān)控器屏幕中顯示的數(shù)據(jù)具有原始特征，將每一個電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的概率密度分布視為原始特征，該步驟通過設置全局最大閾值篩選特征。為了從電力監(jiān)控數(shù)據(jù)中獲取電力運行最佳特征集合，利用線性分類器分類電力監(jiān)控數(shù)據(jù)，得到分類后的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)[14]?；诜诸惤Y(jié)果，結(jié)合電力運行異常閾值和韓家村選煤廠的電力運行情況，增加偏置分量項，構建選煤廠的電力智能監(jiān)控函數(shù)，實現(xiàn)韓家村選煤廠電力智能監(jiān)控軟件設計。

綜上所述，通過對電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸信道的濾波處理[15]，提高監(jiān)控信道的性能，以此為基礎，考慮電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的原始特征，結(jié)合損失函數(shù)，設計了電力智能監(jiān)控算法，實現(xiàn)電力智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控選煤廠電力設備的溫度、電壓等。電力智能監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)控功能可視化展示如圖4所示。

圖4 電力智能監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)控功能可視化展示

3 測試效果

電力智能監(jiān)控系統(tǒng)設計完成后，根據(jù)韓家村選煤廠電力設備的運行特點，對系統(tǒng)進行了測試，設置的硬件環(huán)境包含數(shù)據(jù)庫服務器，16 GB內(nèi)存，采用Intel(R)Core(TM)5 Duo T8700 5.60 GHz中央處理器，操作系統(tǒng)為Windows 7，使用MYSQL 6.4.10數(shù)據(jù)庫。在上述測試環(huán)境下，搭建了電力智能監(jiān)控系統(tǒng)測試平臺。

2022年10月-2023年5月，通過上述平臺測試完成后，電力智能監(jiān)控系統(tǒng)在韓家村選煤廠開始試運行，監(jiān)控的電力設備包括變壓器、破碎機、給料機、精煤離心脫水機、10 kV中壓配電柜等。韓家村選煤廠電力智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 韓家村選煤廠電力智能監(jiān)控系統(tǒng)界面

在試運行期間，根據(jù)選煤廠實際情況多次調(diào)整了系統(tǒng)并不斷完善系統(tǒng)功能，最終該系統(tǒng)運行效果良好，可以有效監(jiān)控韓家村選煤廠電力設備。

(1)利用電力智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控韓家村選煤廠的5個電力設備(破碎機、給料機、刮板輸送機、重介淺槽分選機、精煤離心脫水機)，統(tǒng)計了電力設備運行1個月的電費情況。對韓家村選煤廠進行電力監(jiān)控之前，5個電力設備運行1個月的電費均超過了20萬元，而利用電力智能監(jiān)控系統(tǒng)對韓家村選煤廠實施電力監(jiān)控之后，可以將電力設備運行一個月的電費降低到10萬元以下，電費大幅度降低。

(2)在電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的不同歸一化值下，測試系統(tǒng)的響應時間。采用電力智能控制系統(tǒng)時，響應時間在0.2 s以內(nèi)，電力監(jiān)控器可以為系統(tǒng)提供清晰的畫面支持，并通過電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的濾波處理，提高了電力監(jiān)控的抗干擾性能，加快了系統(tǒng)的響應速度。

(3)電力智能監(jiān)控系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢和分析等功能，可以滿足故障和運行正常的數(shù)據(jù)查詢，通過數(shù)據(jù)分析，可準確判斷出電力故障，從而對韓家村選煤廠電力設備進行精確高效地監(jiān)控。

(4)通過實時監(jiān)控和分析，優(yōu)化了電力的供應和消耗，減少了無效能源的浪費，提高了整體電力使用效率，同時能夠及時發(fā)現(xiàn)電力設備的故障和隱患，通過采取必要的預防措施，避免了因設備故障造成的生產(chǎn)中斷和損失。此外，系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)更加準確，生成的相關報告為企業(yè)的管理決策提供了有效的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

電力智能監(jiān)控系統(tǒng)為提高韓家村選煤廠的電力運行的經(jīng)濟性和降低系電力監(jiān)控系統(tǒng)的響應時間提出了一種新的電力智能監(jiān)控解決方案，通過測試應用表明，該系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性，系統(tǒng)運行效果良好，可以有效監(jiān)控選煤廠電力設備。