煤礦電能質量監測系統設計應用

張傳亮 相龍陽 阮偉唯

（兗州東方機電有限公司，山東 鄒城273500）

1 概述

自2002 年起，我國不斷加強對煤礦安全生產的要求，煤炭行業開始進行大規模的技術升級改造。隨著智能電網技術及物聯網技術的不斷深入發展，煤礦智能供電系統也日漸普及。煤礦在對電力需求增加的同時，對電能質量的要求也越來越高，我國對電能質量的研究起步比較晚，對這方面的研究也比較落后。相對于國外的檢測裝置，國內產品具有檢測功能不全面、精度不高的缺點。目前煤礦運用的監測電能質量狀況的設備單一化，僅能監測一個或其中的若干性能指標，這也就導致工作人員不能及時全面的發現問題，進而未能迅速準確的處理相應的故障，從而引發供電事故。所以亟待開發一套電能質量分析監測系統，實現煤礦供電系統電能質量的全面監測。

2 煤礦電能質量監測系統設計的意義

針對大部分礦井在電能管理上模糊化和對電能質量監測空白化的基礎上，提出分布式電能質量實時監測及分析系統的思路，通過軟件將計算機硬件資源和儀器硬件有機的結合起來，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，該系統實現網絡化監測系統，能夠單獨實現，也可以與井下現有自動化控制系統配合實現，能夠有效的監測供電系統各個采區或設備的實時用電量及電能質量狀態，并針對電能數據做出分析，這對于解決目前井下供電系統電能管理精確化以及克服目前電能質量參數監測系統的局限性、采取措施提高供電質量都具有重要的意義，最終達到用電精準管理、噸煤用電量降低、系統安全性提高的目標。

3 煤礦井下供電系統電能質量分析

隨著煤礦自動化、智慧化水平的提高，大量電力電子元件引入到煤礦生產設備中，它們在提高煤礦節能效應的同時，也給煤礦電網引入了嚴重的電能質量問題。

通過調研煤礦供電系統的電能質量現狀，并分析煤礦干擾負荷的特點，總結出煤礦供電系統的主要電能質量問題及特點：（1）電壓偏差大。煤礦開采及運輸用電設備集中工作的綜采工作面，開采范圍增大時，供電距離隨之增加，從而線損增大，導致供電電壓偏差問題；（2）諧波和間諧波。由于變頻技術的應用，煤礦電網存在大量的諧波和間諧波，并且諧波電流隨負荷的波動而波動；（3）電壓波動與閃變。煤礦中像礦井提升機、刮板機等大功率、非線性的波動負荷的啟停給電網造成了嚴重的電壓波動，并導致閃變的發生；（4）三相不平衡。受電鐵牽引負荷的影響，煤礦供電系統中出現了大量負序電流，引起了電網的不平衡；（5）無功偏大，功率因數低。

4 煤礦電能質量監測系統設計

基于煤礦智能供電網絡，設計開發一種新的煤礦電能質量在線監測評估系統，通過井下智能變電所保護測控設備對供電線路進行數據采集，并對采集數據進行初步的電能質量計算分析和存儲，最后通過井下通信系統將分析數據上傳至地面集控中心電能質量監測主機，進行全礦電能質量的監測和數據共享，實現井下電能質量的在線監測。對于解決目前井下供電系統電能管理精確化以及克服目前電能質量參數監測系統的局限性、采取措施提高供電質量都具有重要的意義，最終達到用電精準管理、噸煤用電量降低、系統安全性提高的目標。

系統按層級進行設計，建立一個分布式的電能質量實時監測和分析系統，使得用戶能夠實時、連續的得到電網內各個測量點完整、可靠的電能質量信息。

終端數據采集與云端數據處理設計：

整個系統設計依托工業物聯網、云平臺及大數據分析等前沿技術，實現在線、遠程對用戶電網電能安全隱患實時預警和管理。

整個系統包含系統采集傳輸終端、系統分析存儲部分和系統用戶顯示三部分。如下圖。

圖1 系統結構圖- 云平臺數據處理

此設計，只需在監測終端安裝特定的終端監測裝置，將采集到的信號（電壓、電流）通過以太網或者無線上傳至云平臺，通過云來對采集的信號進行處理、計算，進而獲得需要的性能參數。

4.1 系統采集傳輸終端。在監測點或者檢測設備處安裝特定的終端采集裝置，只需接入電壓、電流信號（最大擴展四路），終端采集裝置可將信號通過以太網或者無線信號進行傳輸。

（1）終端采集。根據應用現場實際情況，會在井下供電系統的高防開關等饋電開關內部安裝監測終端，并將饋電開關所帶負荷的電壓電流信號接入監測終端，最終通過RS485、以太網或無線進行傳輸；（2）數據交互。數據交互是整個系統的一個中間樞紐，具有傳遞、傳輸的功能，主要包含四大部分，即：通信協議、數據存儲和數據采集與交互對象。

通信協議：（1）服務層與監測設備層間的數據通信協議采用DL/T860（IEC61850）系列標準；（2）實時數據采用非緩存報告；（3）暫態波形數據采用文件傳輸服務。

數據采集與交互對象：數據采集后，在終端呈現的只是單個實時的數據量，比如：某一時刻的電壓、電流、有功功率、無功功率等，而這些數據需要上傳至云平臺，重新做一個系統的顯示，比如整個線路的電壓情況等。

4.2 系統分析存儲部分。整個系統最重要的環節就在于數據的處理、計算上，此設計的處理方式采用云平臺數據處理模式，整個云包含公共云和私有云，而整個云平臺的處理包含三部分，即：

圖2 云系統示意圖

（1）云采集解析。混合云采用雙通道ESC采集解析服務器集群，基于BGP 最優路由算法構架多線網絡，構建安全穩定的數據通信環境。（2）云儲存備份。使用阿里云存儲“鐵三角”+DB集群的解決方案：分布式開放式存儲服務OSS、關系型數據庫服務RDS、結構化數據服務OTS，原始數據進行安全加密存儲DB集群服務器。（3）云計算。由阿里云ESC+分布式負載均衡WEB服務器集群的組合混合云，滿足云端大數據運算、蘇劇模型應用、負載均衡、業務邏輯執行、API 的接口應用。

4.3 系統用戶顯示部分。系統對傳輸過來的單體數據不只單純的進行顯示，并對一段時間內的數據進行系統性的分析，會根據需要以波形、柱狀圖、表格等形式來展示。系統界面不只可以通過電腦端進行監測，也可以通過手機APP 進行實時監測，能夠隨時了解供電系統的電能情況。系統設有預警提示等功能，能夠在預設的范圍內對用戶進行提醒。

5 結論

該系統是集采集、監測、通訊、分析于一體的網絡化系統，實現分布式智能化電能管理與電能質量實時監測及分析，最終達到礦井電網節能、高效、安全性的要求。將國家電能質量綜合治理、供電系統電能管理的先進技術，應用于煤礦供電系統、各變電所，打造一個高效、節能、可靠、安全的網絡化電能管理與電能質量實時監測及分析系統。