煤矿供电系统质量评价方法研究

马立乾

(同煤集团电业有限责任公司，山西 大同 037003)

0 引言

对煤矿生产系统而言，煤矿供电是十分重要的一个环节，其可靠性和安全性是非常重要的[1-3]。随着煤矿现代化和信息自动化的高速发展，煤矿供电系统中各类整流器、交直流换流设备、电子电压调整设备越来越多，导致电网中非线性负荷也越来越多，煤矿电网中谐波日益严重，对供电环境造成很大的污染[4-7]。除了这些设备外，目前煤矿中使用采煤机、掘进机、带式输送机、提升机等设备的功率也越来越大。这类大功率、长时间运行的设备会造成电网电压波动，给煤矿供电系统带来不可忽视的影响。

供电质量的下降会损害煤矿电力设备，增加设备的附加损耗，增加设备运行温度，降低绝缘寿命，既增加了煤炭企业检修费用，又容易导致各类保护装置误动作，给煤矿安全生产埋下隐患[8-10]。要想准确、有效地解决供电质量问题，首先需要进行的就是供电质量的评价和分析。

1 煤矿供电质量评价指标的选择

1.1 供电质量评价指标的建立原则

指标选择的合理与否，在整个评价体系中具有举足轻重的意义。评价指标的选择既不能太少，否则不能全面反映对电能质量的影响；也不能选择的太多，太多不利于清晰方便的进行定性、定量分析。因此，为了全面、科学、客观的反应煤矿供电系统电能质量，评价指标的选择需要遵循5个主要原则。

科学性原则：科学性原则是选择煤矿供电系统质量评价体系指标的最基本原则。每个指标的选择都必须有明确的定义、准确的内涵，而且要确实能够反映电能质量某一个方面的好坏。各个指标要有单一性，也要具备相互联系性。

系统性原则：影响煤矿供电系统质量的因素有很多，但是在选择评价指标时，无法做到面面俱到。因此要系统性的选择指标，尽可能的选择具有代表性的参数、选择具有关键影响的参数，重复和影响较小的参数可以不予选择，避免为评价体系的构建和分析增加不必要的工作量。

实用性原则：实用性原则是指选择的指标具有明确的内涵，而且便于现场进行数据的采集。不能选择无法准确测量的参数或者难以定量描述的参数。

针对性原则：前文已经对现代煤矿供电系统进行了介绍，也简单对比了其与公共电网之间的差异。因此，在选择评价指标时，应能够反映煤矿电网运行情况和特点，使评价体系具有针对性，方便煤矿使用。

可比性原则：根据层次分析法原则，要准确得到不同指标间的不同权重，就要对各个指标进行两两比较。因此，要求选择的指标具有可比性，能体现指标间的差异，否则选择的指标就是无效的。

1.2 供电质量评价指标的确定

在实际的煤矿供电网络电能质量评价体系中，指标的选择不是越多越好，也不是越少越好，而是要科学、系统、实用、有针对性。因此，结合煤矿实际和指标内涵，在电压指标、电流指标、功率因素3大方面之下，又选择了具体的指标。

电压偏差：电压偏差是衡量煤矿供电系统电能质量的一个重要参数。电压偏差过大，会减弱设备的运行性能，降低运行效率，严重时可能导致设备无法运行，甚至损坏设备，进而影响煤炭的正常、安全、高效开采，给煤炭企业带来直接的损失。

电压谐波：谐波会导致煤矿供电网络功率损耗增大，还有可能对并联电容器、电缆、变压器等电气设备产生损害。有研究表明，如果谐波电压总畸变达10%～20%，就可能在很短时间内导致电动机损坏。此外，谐波还可能造成保护装置功能失效，甚至可能造成大面积停电，给煤矿通风、排水等带来重大影响，影响煤炭安全、高效生产。因此，谐波电压可以作为评估电能质量的重要指标之一。

电流总畸变率：目前，国际上用电流总畸变率(TDD)来衡量电流质量，这样既考虑了负载电流较小的情况，也方便测量和计算。

5次谐波电流：在煤矿机械设备中，有很多采用了变频调速装置。这就导致煤矿电网中含有大量5次谐波电流。5次谐波电流会导致设备电机发热和振动，给设备的安全生产带来影响，造成威胁。同时，5次谐波电流会导致负序电流的保护装置发生误动作，影响电网的安全运行。

3.调整心态。良好的心态首先要学会放松，但要松而不懈，乃积极而非惰性的放松，其最高体现是自然。也可尝试“亚历山大技巧”，运用自我观察和推理，帮助演奏者更合理地使用身体机能消除紧张，做到松中有紧、紧中有松。其实每一次演奏都是一场“战斗”，面对“挑战”，需要坦然将应激反应化为积极的情绪，排除“杂念”进入艺术的“忘我”状态，才能迸发灵感的火花。另外，临场“热身”也是一种极好的调整，吐故纳新以气定神闲。所谓良好的心态就是一种有控制且放松的心理状态，十分平静的演奏则会缺乏激情和感染力，音乐平淡无奇，反之亦然。只有适度的紧张和兴奋才是获得演奏成功的重要保证。因此，演奏效果与演奏过程的心理状态密切相关。

功率因数：其体现的是供电网络运行中，电势在功率的有效利用率，是评价电能利用情况的一个重要指标，同时还能对设备的使用和事故可能进行间接的评价。

电流指标：针对煤矿供电系统而言，电流指标可以针对变压器低压侧、下井回路、通风回路、提升回路等。

2 煤矿供电质量评价体系研究

层次分析法(Analytic Hierarchy Process)是既包含定性分析，又通过定量分析将主观的判断转化为数值性的客观评价的一种决策方法。通过建立对比标度，对单一准则层下的指标进行两两对比构建判断矩阵(列表)，能够将无形指标的测量转化为有形的判断指标，从而得到更加准确、客观、科学的评价结果。因此，层次分析法在对多指标系统的评价中，使用非常广泛。其分析步骤如图1所示。

图1 层次分析法的计算步骤示意图

2.1 煤矿供电质量评价体系的建立

根据前文对影响煤矿供电质量的指标的确定，建立煤矿供电质量评价体系，图2为结构示意图。

图2 煤矿供电质量性评价体系结构示意图

2.2 煤矿供电质量评价体系的分析

根据判断矩阵的构建方法、煤矿实际以及通过与一线技术人员的沟通，建立图2所示评价体系的A-B层和B1-C层、B2-C层判断矩阵如下所示。

A-B层判断矩阵

AB1B2B3B1123B21/213B31/31/31

(1)

B1-C层判断矩阵

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)

通过计算单一准则特征向量可以得出各个因素的权重大小，也可以得出各因素在体系中的总权重。结果见表1。

表1 煤矿供电系统供电质量评价体系计算结果

在A-B层中，电压指标(B1)所占的权重最大，说明电压质量好坏对于煤矿系统电能质量评价的影响非常大，是重点监测和改善的指标；电流指标(B2)的权重大于功率因数(B3)，这是由于规程中对煤矿功率因数有规定，要求大于0.9，因此一般功率因数都符合规定。

在B1-C层中，电压偏差(C1)所占权重最大，在B1层中是影响最大的因素。在B2-C层中，变压器低压侧电流总畸变率(C4)所占权重最大，在B2层中是影响最大的因素。

由权重总排序可看出各指标对整个煤矿供电系统电能质量影响的程度大小。其中，影响程度前五名的，按顺序分别为电压偏差、5次谐波电压、功率因数、变压器低压侧电流总畸变率和电压畸变率。说明以上因素是影响煤矿供电系统电能质量的主要指标，在实际的监测和运行中也应重点注意这几个方面。

3 煤矿供电质量综合评价方法

通过查阅文献并根据煤矿实际需要，将各个指标的等级划分为优秀、良好、合格、不合格4个大类，每个参数的划分标准见表2。

表2 煤矿供电系统供电质量各因素的评价标准划分

可对现场测得的数据按上表的划分进行判断，为了得到定量的评价结果，还要为每个不同等级赋予分数，其中优秀为5分，良好为3分，合格为1分，不合格为0分。按照层次分析法计算方法，对整个系统中打分评价，评价结果也分为优秀(4～5分)、良好(3～4分)，合格(2～3分)，不合格(2分以下)。

综合评价结果的计算如下式(4)所示。

(4)

式中：F—煤矿供电系统电能质量评价结果；P—因素C1、C2…，C12的得分矩阵；pk—分数。

4 结语

对煤矿供电系统的评价体系和评价方法进行了研究，在层次分析理论基础上，建立了有3个中间层和11个评价指标组成的评价体系，并对该体系构建了判断矩阵，求得了各个因素的单一权重和总权重。对各个指标进行了等级划分，并建立了该系统的打分评价方法。根据权重值和评分方法，可以得到综合的电能质量评价结果。研究方法可为煤矿供电系统的评价及改进提供一定的理论借鉴。