露天礦供配電網絡信息化管理系統的設計

馬淵，史浦東，賀喜龍，李在友

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026015）

0 引 言

隨著露天礦電力系統結構的日益復雜，對電氣設備供電可靠性的要求越來越高，人工管理電纜越來越不適合電纜管理的需要。一旦電纜線路發生故障，如果不能及時發現故障點和線路故障段影響的區域，可能會造成電力事故，造成重大損失。因此，人工管理逐漸被淘汰。隨著信息技術的發展，基于GIS的電力電纜管理系統得到了越來越多的應用。其中，基于3D仿真技術的可視化電纜信息管理系統融合了3D圖形可視化管理、3D地理信息管理和電纜資產數字化管理的特點，可大大提高電纜管理的專業化和效率。

1 當前露天礦供配電作業存在的問題

露天礦的供配電網絡一般由移動變電站、接線盒、開關柜、快速連接器、電纜、電氣設備等組成，供電網絡電壓等級為6 kV。采場內供配電網絡較為復雜，線路多，供電范圍廣。目前供配電業務存在以下問題：

（1）運營商缺乏有效手段快速準確識別運營線路供配電關系。

（2）現有供電電纜數量較多，缺乏有效的信息手段對電纜進行全壽命跟蹤和管理（主要是監測電纜的使用壽命、使用地點、性能參數等）。

（3）生產現場有大量電氣設備的電能、用電信息，采用人工現場抄表的方式采集信息，工作量大，效率低。

（4）通過懸掛磁吸式標識牌實現各移動變電站的負荷標識。當負載發生變化時，負載板調整需要手動進行，存在一定的安全隱患。必須采用智能手段保證負荷指示的可靠性。

2 露天礦供配電管理發展的趨勢

2.1 基于三維仿真技術的電力電纜智能管理

三維仿真技術的電力電纜智能管理系統主要是通過三維激光掃描技術對電纜、附屬設施、電纜線路、電纜軌跡等進行精準定位形成三維數據，同時建設設備電子編碼標識系統，建立電纜通道三維模型及設備基礎數據標準化數據庫，實現與GIS和PMS系統數據交互，為智能化運檢平臺提供高效、精準的后臺數據。實現電纜、線路及管控資源可視化，電纜線路與采場道路等多維度關聯信息分析，電纜線路資源查詢及資源審批，實現電纜運維單位對電纜及線路資源“一清二楚”，提升電纜精益化管理水平。

2.2 基于改進GIS的電力電纜管理

2.3 基于RFID的可視化電纜管理

基于RFID（射頻識別技術）的電纜信息可視化管理系統平臺主要基于RFID技術，由電子標簽、標簽探測儀、移動智能終端（帶GPS模塊）和后臺服務系統組成。充分利用RFID技術的優勢，實現了電纜的精益化、智能化、信息化、可視化管理。該系統的特點通過調用GIS地圖和數據庫，快速探知標簽的位置點，完成數據讀取及位置定位、電纜的敷設方式、標簽編號、經緯度等，實現對電纜的智能化、信息化、可視化管理。

3 露天礦供配電網信息管理系統的設計

3.1 總體設計方案

總體設計框架圖如圖1所示。

圖1 設計框架圖

總體設計方案為：

（1）在露天礦數百根高壓電纜兩端安裝太陽能定位模塊和電子標簽，定位數據和電纜屬性信息實時通過無線網絡遠傳到供電隊調度中心服務器內，方便工作人員準確識別電纜精確坐標和電纜屬性，工作人員通過供配電網絡信息管理系統能夠精準獲取所有電纜的分布、走向以及電纜兩端連接用電設備的供配電關系，通過服務器軟件和手持終端可以快速查詢供配電線路從哪來要到哪去。

（2）設備內部集成電子標簽技術實現對所有在用、備用電纜信息化全壽命管理，通過手持終端掃描電子標簽可快速了解電纜使用時長、電纜參數等屬性信息。實現智能負荷牌功能，該智能負荷牌可根據現場實際負荷情況，實時顯示移動變電站和高壓開關柜每路饋出線的負荷情況，在負荷發生變化時，能夠自動實現負荷調整，無需人工調整。用電設備電量監控及計量功能，采集露天礦153塊電能表的電量信息，通過無線網絡將數據傳輸到供電隊調度中心服務器內，可按時間段、電表類型、電表用途等不同查詢條件定制輸出電量報表，還可對電量消耗進行智能分析判斷。

（3）所有電纜定位數據、負荷牌數據和電量數據等都傳輸匯總至供電隊調度中心服務器內，在露天礦供電隊調度大屏上形成礦區供配電網絡信息化管理一張圖，根據供配電網絡的實際情況該圖將自動更新，實現與生產現場實際供配電網絡同步，使管理人員和作業人員對目前的供配電網絡一目了然，提高工作效率并控制供配電安全風險。

其中露天礦場電纜網絡的分布示意圖如圖2所示。

其中，yt和xt分別為1維和p維的I(1)序列，ut為平穩的I(0)變量。由于xt與ut的相關性，對式(4)采用OLS法進行估計時，會導致估計的二階偏差， Stock和Watson(1993)建議將式(4)中ut的分解為領先、滯后項和純革新項εt，則式(4)轉化為如下形式：

3.2 具體實現

3.2.1 電纜定位設備

電纜定位設備集成衛星定位模塊、無源RFID標簽、讀卡器、有源RF射頻技術于一體，采用內置天線，在電纜端部安裝好電纜套環標簽。整個電纜定位設備實物圖如圖3所示。

圖2 露天礦場電纜網絡分布

圖3 電纜定位設備實物圖

定位模塊外殼采用尼龍材質，三防設計，如圖4所示，以便無線信號可以從殼體內正常發出（尼龍外殼放在兩個喇叭口中間凹槽內）。

圖4 定位模塊設計實物圖

電纜定位設備內置大容量可充電鋰電池，充滿電可持續工作2年以上，同時設備表面施加有環形太陽能充電板，可對鋰電池進行充電，設備內集成低功耗節電管理模塊，電纜長時間無移動時設備處于半休眠狀態，每隔1小時自動喚醒并發送一次位置信息，當震動傳感器監測到電纜移動時設備自動喚醒且1秒發送一次位置信息，實時更新坐標位置。衛星定位模塊用于實時上傳電纜位置坐標，無源RFID標簽卡用于電纜屬性識別（可通過手持讀卡器識別電纜屬性），有源433 MHz射頻用于傳輸定位數據和電纜屬性信息數據。設備采用低功耗設計，電纜無移動時設備處于半休眠狀態，當震動傳感器監測到電纜移動時設備自動喚醒，實時更新坐標位置。

3.2.2 電纜間遠距離級聯傳輸

通過LoRa無線擴頻通信技術實現每段電纜間遠距離級聯傳輸；每個電纜定位設備內帶有有源433 MHz射頻模塊，模塊繞射性好、穿透力強，不會受到露天礦采場地形和天氣影響，射頻模塊最遠傳輸距離為500米左右，這樣施加在每段電纜兩端的射頻模塊就可以傳輸數據，采用LoRa無線擴頻通信技術實現電纜間數據級聯遠距離傳輸，同時為了保證數據傳輸的可靠性和穩定性，電纜定位數據也可通過露天礦已有防撞預警系統無線RF射頻網絡遠傳數據，做到數據傳輸雙通道雙保險，最終將數據傳回到供電隊調度室服務器內。

3.2.3 線纜連接和分線箱連接關系的自動識別

線纜連接和分線箱連接關系自動識別技術，針對分線箱具有多路出線口如何自動識別連接關系問題；兩根電纜的快速連接耦合器可以通過衛星定位距離來判斷連接關系，但分線箱由于3個或多個耦合器插口距離近，無法通過衛星定位距離來判斷連接關系，那么采用RFID近距離讀卡識別技術進行自動識別，在分線箱的3個插座上安裝不同編號的RFID標簽卡，電纜上的定位設備內集成有RFID標簽讀卡器，耦合器連接分線箱插座時自動識別插座編號，自動識別出分線箱一進二出或一進多出的對應關系。

3.2.4 LED電子負荷牌顯示供配電情況

現通過加裝智能自動LED電子負荷牌來自動顯示，電子負荷牌通過無線網絡從供電隊服務器內實時獲取供配電關系圖信息，因為服務器內已存儲有通過電纜定位設備傳輸上來的供配電關系數據，當現場供配電關系發生變化時，LED電子負荷牌會自動顯示最新的供配電信息。

3.2.5 電能表遠程抄表

采用電壓或電流互感技術采集電量數據，并定期或需要時通過無線網絡遠傳到供電隊后臺電度核算系統，實現遠程抄表。

3.2.6 手持電纜屬性識別終端設備

工作人員巡查線路時攜帶手持終端設備，手持終端采用非接觸方式讀取電纜上的RFID標簽卡數據，工作人員通過終端屏幕可快速了解電纜的所有信息，包括使用年限、供電參數等屬性信息，即安全又快捷。

3.2.7 供配電網絡信息管理系統

包含供電調度大屏，軟件在大屏上顯示，包含數據庫軟件、服務器軟件、應用端軟件，實現對露天礦采場電纜實時定位、所有在用備用電纜屬性管理、采場用電設備電量監控及計量等功能，形成礦區供配電網絡信息化管理系統，如圖5所示。

圖5 露天礦信息化管理系統

4 結 論

目前，我國露天礦高壓電力電纜管理絕大多數依賴于從業人員的經驗和對電纜網絡的熟悉程度，人員專業素質直接影響到電力電纜的運行維護水平，甚至影響到電網的安全運行。隨著技術的創新，三維GIS、RFID等技術的發展和創新，為新型電力電纜管理系統的搭建和運營提供了有利保障，而這也將成為電力電纜系統未來的發展趨勢。本文所研究的露天礦供配電網絡信息化管理系統的設計，能夠為露天礦的電纜管理信息化提供更智能、更安全的管理模式。