礦用電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 偉

(新疆天富集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

礦用電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 偉

(新疆天富集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

針對(duì)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)等缺陷，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套完整的礦用電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，包含軟硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。硬件方面針對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)信號(hào)干擾而引起的測(cè)量精度低等問(wèn)題設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析的核心重點(diǎn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降以及諧波分析計(jì)算等模塊的軟件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)分析。最后將經(jīng)過(guò)LabVIEW信號(hào)發(fā)生器生成的信號(hào)當(dāng)做系統(tǒng)輸入信號(hào)源對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論值對(duì)比分析表明此分析系統(tǒng)測(cè)試精度滿足要求。

LabVIEW；煤礦電網(wǎng)；電能質(zhì)量；諧波分析

隨著礦井自動(dòng)化程度的不斷提升，越來(lái)越多的電力電子設(shè)備被運(yùn)用到煤礦生產(chǎn)。但是因?yàn)楣β势骷B續(xù)的通斷電，導(dǎo)致了煤礦電能質(zhì)量的嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)電壓波動(dòng)引發(fā)的閃變也將在很大程度上對(duì)人們的工作效率以及身體健康帶來(lái)威脅。我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的研究起步比較晚，因此對(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)[1-2]。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)[3～6]，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)一個(gè)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的全面監(jiān)測(cè)。

1 影響礦用電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要參數(shù)

1)電壓偏差。煤礦開(kāi)采過(guò)程中，供電距離隨著開(kāi)采范圍增加而增大，進(jìn)而導(dǎo)致線損升高，致使供電電壓偏差大等問(wèn)題。

2)諧波以及間諧波。隨著煤礦變頻技術(shù)的引入，導(dǎo)致其電網(wǎng)出現(xiàn)很多隨電流波動(dòng)而變化的諧波以及間諧波。

3)電壓波動(dòng)與閃變。在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有大功率以及非線性的波動(dòng)負(fù)荷，其啟停將導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，從而引發(fā)閃變。

4)無(wú)功偏大，功率因數(shù)低。

上述均為煤礦電網(wǎng)中主要的電能質(zhì)量問(wèn)題性能參數(shù)。另外，因?yàn)橹挥腥可a(chǎn)設(shè)備在額定頻率工作時(shí)，其性能才能獲得最佳，所以頻率偏差也是主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。由于電壓波動(dòng)導(dǎo)致的電壓暫降也可能引發(fā)煤礦中變頻設(shè)備等敏感負(fù)荷的崩潰，從而引發(fā)煤礦事故。因此確定本文主要監(jiān)測(cè)的性能參數(shù)有電壓偏差、頻率偏差、諧波及間諧波、電壓波動(dòng)與閃變以及電壓暫降等。

2 電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

只有建立一套完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，才能使工作人員實(shí)時(shí)的掌握電網(wǎng)中電能質(zhì)量的狀態(tài)。由于LabVIEW[7-8]擁有編程靈活、系統(tǒng)成本低以及維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，因此基于LabVIEW完成了礦用電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

一般情況下從電力系統(tǒng)得到的電壓電流信號(hào)都包含很多噪聲信號(hào)，這將在很大程度上影響信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度，所以設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路是必要的。設(shè)計(jì)四階有源低通抗混疊濾波器以避免產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)諧波的測(cè)量次數(shù)最高為50次，即對(duì)于信號(hào)中有用信號(hào)頻率最高為2500Hz，根據(jù)采樣定理，系統(tǒng)的采樣頻率必須大于5000Hz，而在實(shí)際應(yīng)用中采樣頻率應(yīng)該為信號(hào)頻率的4～6倍，因此設(shè)定采樣頻率以及截止頻率分別是12800Hz及3200Hz，若信號(hào)的頻率不高于3200Hz，則濾波器增益等于1，相反，則增益曲線急劇被衰減以避免引入高頻信號(hào)，其硬件電路圖見(jiàn)圖1。

圖1 信號(hào)調(diào)理電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中主要對(duì)電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降分析以及諧波分析等進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。同時(shí)在該分析系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量指標(biāo)的分析是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的，而在單線程的應(yīng)用程序中調(diào)用單線程會(huì)導(dǎo)致?lián)矶拢瑪?shù)據(jù)處理完成之后才能運(yùn)行其他任務(wù)，這樣將會(huì)致使數(shù)據(jù)采集中斷，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失以致不能全面的掌控電能質(zhì)量問(wèn)題[9-10]，所以為了提升數(shù)據(jù)采集速度以及數(shù)據(jù)分析的完整性，還對(duì)其緩沖技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1)電壓波動(dòng)與閃變計(jì)算。煤礦生產(chǎn)過(guò)程中大功率設(shè)備的不斷啟停導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)，從而引發(fā)閃變[11]。電壓波動(dòng)與閃變分析模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)包含電壓波動(dòng)率、有效值波動(dòng)及瞬時(shí)視感度曲線以及長(zhǎng)短時(shí)間閃變值，其程序見(jiàn)圖2。

圖2 電壓波動(dòng)與閃變計(jì)算

2)電壓暫降分析計(jì)算。電壓暫降對(duì)敏感器件的損傷很大，其主要指標(biāo)是暫降的起止時(shí)刻及暫降的幅度，主要監(jiān)測(cè)包含均方根值波動(dòng)曲線、電壓暫降起止時(shí)刻及其幅值，其程序見(jiàn)圖3。

3)諧波分析計(jì)算。諧波分析計(jì)算[13-14]實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中諧波污染的程度監(jiān)測(cè)，主要包含諧波含有率、諧波畸變率等的監(jiān)測(cè)，其程序見(jiàn)圖4。

圖3 電壓暫降分析計(jì)算

圖4 諧波分析計(jì)算

4)緩沖技術(shù)軟件設(shè)計(jì)。運(yùn)用循環(huán)緩沖技術(shù)以同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析，其程序見(jiàn)圖5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

運(yùn)用LabVIEW編寫(xiě)虛擬信號(hào)發(fā)生器，為實(shí)驗(yàn)提供所需的諧波、電壓波動(dòng)與閃變以及電壓暫降等信號(hào)，然后將各指標(biāo)的理論計(jì)算值與該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證該分析系統(tǒng)的有效性及準(zhǔn)確度。

1)利用該信號(hào)發(fā)生器生成各種幅值的電壓信號(hào)并輸送至該分析系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)到的電壓及頻率結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。根據(jù)表1可知，隨著信號(hào)發(fā)生器生成的電壓信號(hào)幅值的升高，該分析系統(tǒng)能夠很準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)出電壓有效值，其誤差不超過(guò)0.14%；根據(jù)表2可知，在信號(hào)發(fā)生器生成的信號(hào)頻率為50Hz時(shí)，該分析系統(tǒng)同樣能夠很準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)出信號(hào)頻率，且其誤差不大于0.01，符合測(cè)量要求。

2)在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備形成的諧波均為奇次諧波，所以運(yùn)用虛擬信號(hào)發(fā)生儀生成諧波的次數(shù)分別是3、5、7、11、13、17、19、23，并將其輸入至該分析系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)表3中的分析值與理論值對(duì)比可知，該分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的諧波幅值誤差不大于0.05，諧波含有率監(jiān)測(cè)精度不低于0.028%，諧波總畸變率監(jiān)測(cè)精度是0.048%，完全滿足精度要求。

表1 電壓有效值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 頻率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3)IEC61000-4-1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定了一組瞬時(shí)閃變值S(t)=1的調(diào)幅波數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的閃變監(jiān)測(cè)功能是否達(dá)標(biāo)[15]。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的調(diào)幅波的頻率以及幅值完成該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。根據(jù)表4可知，該分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)視感度值均保持在1左右，其誤差小于5%，完全能夠滿足閃變監(jiān)測(cè)要求。

圖5 循環(huán)緩沖程序

表3 諧波指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

諧波次數(shù)諧波幅值(V)諧波含有率(%)諧波總畸變率(%)理論值分析值理論值分析值理論值分析值1220219．95——313．213．1965．998515．415．4277．008713．213．1865．987118．88．7943．996136．66．6233．013174．44．422．001196．66．5432．972232．22．1910．99812．649112．6457

4)給定一個(gè)暫降信號(hào)，輸入信號(hào)在1s時(shí)，幅值降至85V，在2s時(shí)恢復(fù)正常，其監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。本該分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的暫降起止時(shí)間為1.00633s和2.00469s，精度符合要求。

表4 閃變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 電壓暫降測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

結(jié)合煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)井下供電系統(tǒng)進(jìn)線處的實(shí)際狀況，確定了礦用電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)。該分析系統(tǒng)主要完成了信號(hào)調(diào)理電路的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以及電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降以及諧波分析計(jì)算等軟件程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。最后將經(jīng)過(guò)LabVIEW信號(hào)發(fā)生器生成的信號(hào)當(dāng)做系統(tǒng)輸入信號(hào)源對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論值對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)出的電壓有效值，其誤差不超過(guò)0.14%，監(jiān)測(cè)的諧波幅值誤差不大于0.05，諧波含有率監(jiān)測(cè)精度不低于0.028%等，其結(jié)果表明此分析系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度滿足要求。

[1] 鄭慧龍. 電能質(zhì)量檢測(cè)算法及網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué),2014.

[2] 張喬琳. 佛山配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2014.

[3] 李唐兵. 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2009.

[4] 羅希. 電力系統(tǒng)暫態(tài)電能質(zhì)量檢測(cè)研究[D].長(zhǎng)沙: 長(zhǎng)沙理工大學(xué), 2009.

[5] 周延靜. 網(wǎng)絡(luò)化電能質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2009.

[6] 劉曉明. 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2014.

[7] 趙明峰. 智能化電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)研發(fā)與建設(shè)[D].北京: 華北電力大學(xué), 2015.

[8] 曹永鎮(zhèn). 基于LabVIEW的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2010.

[9] 井嶸. 電能質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)研究[D]. 濟(jì)南:山東大學(xué),2006.

[10] 唐求. 電能質(zhì)量智能檢測(cè)算法及其應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué),2010.

[11] 程然,王廣周. 我國(guó)礦井供電系統(tǒng)電壓等級(jí)的選擇[J]. 煤礦機(jī)電, 2012(3): 62-65, 68.

[12] 周作學(xué). 10kV供電系統(tǒng)在煤礦深井生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 價(jià)值工程,2011(9): 51.

[13] 徐美生. 煤礦主通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)諧波與電磁干擾輻射治理[J]. 煤礦機(jī)電, 2010(1): 75-76.

[14] 肖身華,桂衛(wèi)華,唐朝暉. 礦井提升機(jī)整流供電系統(tǒng)諧波治理研究[J]. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2007(4): 22-24.

[15] 吉麗萍. 受電鐵影響的煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2012(2): 80-82, 86.

Design of coal mining power quality analysis system

LIU Wei

(Xinjiang Tianfu Group Co., Ltd., Shihezi 832000, China)

Aiming at the present coal mine using the monitoring power quality status of the equipment simplification, only can monitor one or several of these performance indicators, development and designed a complete power quality analysis system, including the detailed design of hardware and software. The hardware design of the signal are conditioning circuit for the problem of low measurement accuracy caused by signal interference in data acquisition, Software design is the core of the power quality analysis of the development of key design and development of the voltage fluctuation and flicker, voltage sag and harmonic analysis calculation module software program to achieve power quality monitoring of coal power supply system analysis. Finally, the signals are generated by the LabVIEW signal generator as the system input signal source to experiment with the system, through the monitoring results and theoretical analysis of comparative analysis shows that the accuracy of the analysis system to meet the requirements.

LabVIEW; coal mine power grid; power quality; harmonic analysis

2016-04-15

劉偉(1967-)，男，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娫唇ㄔO(shè)、電網(wǎng)建設(shè)。

TM714.3

A

1004-4051(2016)12-0143-05