基于GUI環境的煤礦電能質量在線監測平臺的開發

任 遠

(山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100)

0 引言

由于煤礦中的抽水泵、升調機、采煤機和變頻器等機器會給煤礦供電系統帶來電流畸變、電壓驟降、電壓閃變以及諧波污染等問題，嚴重威脅著煤礦的安全生產[1]。現階段隨著智能電網的建設，電能質量的全面監測成為智能電網快速發展的基礎。文獻[2]中指出在未來智能電網的發展中，對電力系統的不間斷監測方式已成為一種趨勢。但是現有的電能質量監測系統主要為智能電網中的應用，缺少在煤礦這種特殊環境中的研究。文獻[3]中提出了一種采用主觀權重法對煤礦電能質量進行評價，建立起包括電壓偏差等指標在內的評價體系，但是該方法主觀因素較重，且該評價體系相對復雜。文獻[4]中不僅對各個指標設置了獨有的權重值，而且設置了一套打分評價方案，最終綜合評價電能質量指標評價結果，但是該方法只適用于簡單環境下的應用，具有一定的局限性。

綜合以上，本文在國內標準的基礎上，提出了一種煤礦電能質量綜合評估體系，并基于GUI環境開發了一款針對煤礦的現代電能質量監測平臺。平臺中實現了大數據分析與處理，為煤礦供電系統電能質量監測提供了新的發展思路。

1 煤礦供電系統電能質量

煤礦供電作為一種特殊的供電方式，科學嚴格地定義電能質量指標與標準對于煤礦的生產尤為重要。其中電能質量指標包括電壓、頻率以及諧波等。

1.1 電能質量指標

1.1.1 電壓偏差

在對電壓進行檢測時，常以電壓偏差作為指標，其計算公式為：

(1)

其中：Ureal為系統實際運行電壓；UN為系統的標稱電壓。

在CB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》中規定：對于35 kV及以上的系統中電壓偏差不超過±10%；對于10 kV及以下的系統中允許三相電壓偏差為額定電壓的±7%；對于220 V單相供電系統中允許電壓偏差為-10%～7%。

由于在煤礦供電系統中，電壓偏差對煤礦照明設備、采煤機以及運輸皮帶等設備的影響尤為重要，因此電壓偏差是煤礦供電系統研究中非常重要的一項電能指標。

1.1.2 頻率偏差

電機正常運轉與系統頻率密切相關，頻率穩定對于煤礦中的精密設備具有重要意義。在GB/T 15945—2008《電能質量 電力系統頻率偏差》中規定：根據系統容量劃定允許頻率偏差為±2%，當系統容量較小時，可允許偏差達到±5%。頻率偏差的計算公式為：

Δf=freal-fN.

(2)

其中：freal為系統實際運行頻率；fN為系統的標稱頻率。

1.1.3 諧波畸變率

通風機、排水泵等設備中的變頻器會給系統帶來諧波污染，通常使用電壓(電流)畸變率來表示諧波，其計算公式為：

(3)

其中：Ui為第i次諧波電壓有效值；U1為基波電壓有效值。

表1列出了不同等級電壓電網中THDU以及各次諧波電壓含有率限制指標。

1.2 電能質量分析方法

1.2.1 時域檢測

在時域中，運行電壓或者頻率通過終端監測儀實時記錄。電壓測量時對于a級性能的監測儀可選擇3 s、1 min、10 min或2 h計算時間內10周波的電壓有效值的平均值，對于b級性能的監測儀經常使用1 min或10 min的時間長度。而頻率測量可采用數字式自動儀表記錄。

表1 不同等級電壓電網諧波限制

1.2.2 頻域檢測

在頻域中為分析諧波分量，可采用小波包變換對諧波進行檢測，通過比較小波包重構后各系數信號與原始信號基波分量，證明小波包變換能夠檢測到信號中的諧波分量。

2 電能質量綜合評估體系

由于煤礦特殊的工作環境，考慮不同煤礦的建設規模和用戶需求，以及經濟性在內的各種因素，建立了煤礦多場景的綜合評估體系，更貼近于實際情況。

2.1 基于質量指標的聚類分析

基于質量指標的聚類分析法是指通過分析樣本數據間的關聯性進行聚類處理，但是由于實際井下和地面工作情況復雜多變，聚類處理表現出明顯的乏力，所以該方法僅適用于簡單場所和需求不大的場景中。

聚類算法的基本步驟如下：

(1) 選擇k個測量樣本數據作為初始聚類中心。

(2) 計算每個聚類指標到聚類中心的距離，根據距離屬性將每個聚類指標劃分到距離最小的簇中。

(3) 改變每個簇的聚類中心。

(4) 計算每個簇中測量樣本的平方誤差，當本次計算的平方誤差與上一次計算結果的絕對值誤差小于設定值時，聚類過程結束，否則繼續循環下去。

2.2 模糊專家評價分析

模糊專家評價法首先需要定義規則，由專家根據規則進行模糊評價。該方法適用于井下復雜的工況，適用范圍廣，但是需要依賴專家經驗，所以建立綜合有效的專家經驗庫是該方法的核心。

2.2.1 模糊評價流程

(1) 建立輸入向量集合P=(P1,P2,P3,…，Pn)、評價等級集合Q=(Q1,Q2,Q3,…，Qm)以及評價集合C，其中C的評價矩陣為：

(4)

其中：cnm為第n個輸入向量Pn關于第m個評價等級Qm的隸屬程度。

(2) 建立由(P，Q，C)組成的綜合模糊評價模型。

(3) 建立輸出向量μ=(μ1,μ2,μ3,…)作為動作指令，完成動作機構調整。

2.2.2 隸屬度函數

從實際情況來看，測量值具有非線性特點，因此采用非線性分布的函數建立隸屬度函數更加符合實際情況。為了方便設計，將電能質量大致分為三個評價等級，包括優質、一般和較差，并通過柯西型函數建立電能質量的綜合評價隸屬度函數庫。

(1) 電能質量優質時：

(5)

(2) 電能質量一般時：

(6)

其中：α>0；β為正偶數。

(3) 電能質量較差時：

(7)

其中：n=1，2，3，4；α、β>0。

3 煤礦電能質量監測系統設計

3.1 系統結構

煤礦電能質量監測系統結構框圖如圖1所示。該系統采用三級聯動，高效完成監測任務。首先通過終端監測單元將各煤礦變電站監測點數據通過通信服務系統傳輸到中端數據存儲系統中進行處理，最終將處理后的數據上傳到在線監測分析平臺中顯示，后臺可通過編程優化顯示界面。該系統中各單元系統的功能如下：

(1) 終端監測單元：在監測站中分級監測，分別完成10臺～20臺、20臺～50臺、50臺～60臺的分級數據采集，并通過無線通信技術傳送到數據庫中備份處理。

(2) 數據存儲系統：作為整個系統的核心，承擔著數據交換和數據分析處理的任務。在本文設計中，專門設置了數據存儲和數據共享功能。數據庫支持MSSQL等數據庫服務，并且為防止數據服務中心崩潰設置了一組冗余單元，實現了系統的可靠性。

(3) 通信服務系統：采用先進的無線通信技術為整個系統提供軟服務，將數據打包上傳到各單元中。

(4) 在線監測分析平臺：基于MATLAB GUI，依靠后臺編程，顯示實時的三相電壓、三相電流、三相功率以及頻率測量值和偏差計算結果，并且可根據用戶需求調取相應的三相電壓曲線圖。

圖1 煤礦電能質量監測系統結構框圖

3.2 在線監測平臺開發

MATLAB GUI是一種人機交互界面設計技術，它包括兩部分文件，M文件和FIG文件[5]。系統通過后臺在M文件中編輯電能質量綜合評價體系，并將實時結果顯示在FIG文件中。相比其他可視化技術，GUI具有簡化設計、兼容性好、為使用者提供了管理全局數據的途徑等優點。

圖2為在線監測平臺界面，從界面中可以看出，

本文的設計可實時顯示電能質量指標和圖形，為方便用戶操作，可隨時啟動和中斷系統運行。

圖2 在線監測平臺界面

4 結論

煤礦供電系統電能質量關乎煤礦的安全生產。本

文首先基于國家標準重點介紹了電壓偏差、頻率偏差和諧波三個質量指標，建立了在簡單系統中使用基于質量指標的聚類分析和在復雜系統中使用模糊專家評價分析法的綜合評價體系，并基于GUI環境開發了一款煤礦電能質量在線監測平臺，實現了煤礦供電系統電能質量分析和數據共享。該系統解決了煤礦中電能質量無法全面檢測的問題，后期通過進一步的完善具有一定的推廣作用。