煤礦供電系統質量評價方法研究

馬立乾

(同煤集團電業有限責任公司，山西 大同 037003)

0 引言

對煤礦生產系統而言，煤礦供電是十分重要的一個環節，其可靠性和安全性是非常重要的[1-3]。隨著煤礦現代化和信息自動化的高速發展，煤礦供電系統中各類整流器、交直流換流設備、電子電壓調整設備越來越多，導致電網中非線性負荷也越來越多，煤礦電網中諧波日益嚴重，對供電環境造成很大的污染[4-7]。除了這些設備外，目前煤礦中使用采煤機、掘進機、帶式輸送機、提升機等設備的功率也越來越大。這類大功率、長時間運行的設備會造成電網電壓波動，給煤礦供電系統帶來不可忽視的影響。

供電質量的下降會損害煤礦電力設備，增加設備的附加損耗，增加設備運行溫度，降低絕緣壽命，既增加了煤炭企業檢修費用，又容易導致各類保護裝置誤動作，給煤礦安全生產埋下隱患[8-10]。要想準確、有效地解決供電質量問題，首先需要進行的就是供電質量的評價和分析。

1 煤礦供電質量評價指標的選擇

1.1 供電質量評價指標的建立原則

指標選擇的合理與否，在整個評價體系中具有舉足輕重的意義。評價指標的選擇既不能太少，否則不能全面反映對電能質量的影響；也不能選擇的太多，太多不利于清晰方便的進行定性、定量分析。因此，為了全面、科學、客觀的反應煤礦供電系統電能質量，評價指標的選擇需要遵循5個主要原則。

科學性原則：科學性原則是選擇煤礦供電系統質量評價體系指標的最基本原則。每個指標的選擇都必須有明確的定義、準確的內涵，而且要確實能夠反映電能質量某一個方面的好壞。各個指標要有單一性，也要具備相互聯系性。

系統性原則：影響煤礦供電系統質量的因素有很多，但是在選擇評價指標時，無法做到面面俱到。因此要系統性的選擇指標，盡可能的選擇具有代表性的參數、選擇具有關鍵影響的參數，重復和影響較小的參數可以不予選擇，避免為評價體系的構建和分析增加不必要的工作量。

實用性原則：實用性原則是指選擇的指標具有明確的內涵，而且便于現場進行數據的采集。不能選擇無法準確測量的參數或者難以定量描述的參數。

針對性原則：前文已經對現代煤礦供電系統進行了介紹，也簡單對比了其與公共電網之間的差異。因此，在選擇評價指標時，應能夠反映煤礦電網運行情況和特點，使評價體系具有針對性，方便煤礦使用。

可比性原則：根據層次分析法原則，要準確得到不同指標間的不同權重，就要對各個指標進行兩兩比較。因此，要求選擇的指標具有可比性，能體現指標間的差異，否則選擇的指標就是無效的。

1.2 供電質量評價指標的確定

在實際的煤礦供電網絡電能質量評價體系中，指標的選擇不是越多越好，也不是越少越好，而是要科學、系統、實用、有針對性。因此，結合煤礦實際和指標內涵，在電壓指標、電流指標、功率因素3大方面之下，又選擇了具體的指標。

電壓偏差：電壓偏差是衡量煤礦供電系統電能質量的一個重要參數。電壓偏差過大，會減弱設備的運行性能，降低運行效率，嚴重時可能導致設備無法運行，甚至損壞設備，進而影響煤炭的正常、安全、高效開采，給煤炭企業帶來直接的損失。

電壓諧波：諧波會導致煤礦供電網絡功率損耗增大，還有可能對并聯電容器、電纜、變壓器等電氣設備產生損害。有研究表明，如果諧波電壓總畸變達10%～20%，就可能在很短時間內導致電動機損壞。此外，諧波還可能造成保護裝置功能失效，甚至可能造成大面積停電，給煤礦通風、排水等帶來重大影響，影響煤炭安全、高效生產。因此，諧波電壓可以作為評估電能質量的重要指標之一。

電流總畸變率：目前，國際上用電流總畸變率(TDD)來衡量電流質量，這樣既考慮了負載電流較小的情況，也方便測量和計算。

5次諧波電流：在煤礦機械設備中，有很多采用了變頻調速裝置。這就導致煤礦電網中含有大量5次諧波電流。5次諧波電流會導致設備電機發熱和振動，給設備的安全生產帶來影響，造成威脅。同時，5次諧波電流會導致負序電流的保護裝置發生誤動作，影響電網的安全運行。

3.調整心態。良好的心態首先要學會放松，但要松而不懈，乃積極而非惰性的放松，其最高體現是自然。也可嘗試“亞歷山大技巧”，運用自我觀察和推理，幫助演奏者更合理地使用身體機能消除緊張，做到松中有緊、緊中有松。其實每一次演奏都是一場“戰斗”，面對“挑戰”，需要坦然將應激反應化為積極的情緒，排除“雜念”進入藝術的“忘我”狀態，才能迸發靈感的火花。另外，臨場“熱身”也是一種極好的調整，吐故納新以氣定神閑。所謂良好的心態就是一種有控制且放松的心理狀態，十分平靜的演奏則會缺乏激情和感染力，音樂平淡無奇，反之亦然。只有適度的緊張和興奮才是獲得演奏成功的重要保證。因此，演奏效果與演奏過程的心理狀態密切相關。

功率因數：其體現的是供電網絡運行中，電勢在功率的有效利用率，是評價電能利用情況的一個重要指標，同時還能對設備的使用和事故可能進行間接的評價。

電流指標：針對煤礦供電系統而言，電流指標可以針對變壓器低壓側、下井回路、通風回路、提升回路等。

2 煤礦供電質量評價體系研究

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是既包含定性分析，又通過定量分析將主觀的判斷轉化為數值性的客觀評價的一種決策方法。通過建立對比標度，對單一準則層下的指標進行兩兩對比構建判斷矩陣(列表)，能夠將無形指標的測量轉化為有形的判斷指標，從而得到更加準確、客觀、科學的評價結果。因此，層次分析法在對多指標系統的評價中，使用非常廣泛。其分析步驟如圖1所示。

圖1 層次分析法的計算步驟示意圖

2.1 煤礦供電質量評價體系的建立

根據前文對影響煤礦供電質量的指標的確定，建立煤礦供電質量評價體系，圖2為結構示意圖。

圖2 煤礦供電質量性評價體系結構示意圖

2.2 煤礦供電質量評價體系的分析

根據判斷矩陣的構建方法、煤礦實際以及通過與一線技術人員的溝通，建立圖2所示評價體系的A-B層和B1-C層、B2-C層判斷矩陣如下所示。

A-B層判斷矩陣

AB1B2B3B1123B21/213B31/31/31

(1)

B1-C層判斷矩陣

B1C1C2C3C1123C21/214C31/31/41

(2)

B2C4C5C6C7C8C9C10C11C412343445C51/21232334C61/31/2122334C71/41/31/212334C81/31/21/21/21234C91/41/31/31/31/2123C101/41/31/31/31/31/212C111/51/41/41/41/41/31/21

(3)

通過計算單一準則特征向量可以得出各個因素的權重大小，也可以得出各因素在體系中的總權重。結果見表1。

表1 煤礦供電系統供電質量評價體系計算結果

在A-B層中，電壓指標(B1)所占的權重最大，說明電壓質量好壞對于煤礦系統電能質量評價的影響非常大，是重點監測和改善的指標；電流指標(B2)的權重大于功率因數(B3)，這是由于規程中對煤礦功率因數有規定，要求大于0.9，因此一般功率因數都符合規定。

在B1-C層中，電壓偏差(C1)所占權重最大，在B1層中是影響最大的因素。在B2-C層中，變壓器低壓側電流總畸變率(C4)所占權重最大，在B2層中是影響最大的因素。

由權重總排序可看出各指標對整個煤礦供電系統電能質量影響的程度大小。其中，影響程度前五名的，按順序分別為電壓偏差、5次諧波電壓、功率因數、變壓器低壓側電流總畸變率和電壓畸變率。說明以上因素是影響煤礦供電系統電能質量的主要指標，在實際的監測和運行中也應重點注意這幾個方面。

3 煤礦供電質量綜合評價方法

通過查閱文獻并根據煤礦實際需要，將各個指標的等級劃分為優秀、良好、合格、不合格4個大類，每個參數的劃分標準見表2。

表2 煤礦供電系統供電質量各因素的評價標準劃分

可對現場測得的數據按上表的劃分進行判斷，為了得到定量的評價結果，還要為每個不同等級賦予分數，其中優秀為5分，良好為3分，合格為1分，不合格為0分。按照層次分析法計算方法，對整個系統中打分評價，評價結果也分為優秀(4～5分)、良好(3～4分)，合格(2～3分)，不合格(2分以下)。

綜合評價結果的計算如下式(4)所示。

(4)

式中：F—煤礦供電系統電能質量評價結果；P—因素C1、C2…，C12的得分矩陣；pk—分數。

4 結語

對煤礦供電系統的評價體系和評價方法進行了研究，在層次分析理論基礎上，建立了有3個中間層和11個評價指標組成的評價體系，并對該體系構建了判斷矩陣，求得了各個因素的單一權重和總權重。對各個指標進行了等級劃分，并建立了該系統的打分評價方法。根據權重值和評分方法，可以得到綜合的電能質量評價結果。研究方法可為煤礦供電系統的評價及改進提供一定的理論借鑒。