煤矿电能质量监测系统设计应用

张传亮 相龙阳 阮伟唯

（兖州东方机电有限公司，山东 邹城273500）

1 概述

自2002 年起，我国不断加强对煤矿安全生产的要求，煤炭行业开始进行大规模的技术升级改造。随着智能电网技术及物联网技术的不断深入发展，煤矿智能供电系统也日渐普及。煤矿在对电力需求增加的同时，对电能质量的要求也越来越高，我国对电能质量的研究起步比较晚，对这方面的研究也比较落后。相对于国外的检测装置，国内产品具有检测功能不全面、精度不高的缺点。目前煤矿运用的监测电能质量状况的设备单一化，仅能监测一个或其中的若干性能指标，这也就导致工作人员不能及时全面的发现问题，进而未能迅速准确的处理相应的故障，从而引发供电事故。所以亟待开发一套电能质量分析监测系统，实现煤矿供电系统电能质量的全面监测。

2 煤矿电能质量监测系统设计的意义

针对大部分矿井在电能管理上模糊化和对电能质量监测空白化的基础上，提出分布式电能质量实时监测及分析系统的思路，通过软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机的结合起来，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，该系统实现网络化监测系统，能够单独实现，也可以与井下现有自动化控制系统配合实现，能够有效的监测供电系统各个采区或设备的实时用电量及电能质量状态，并针对电能数据做出分析，这对于解决目前井下供电系统电能管理精确化以及克服目前电能质量参数监测系统的局限性、采取措施提高供电质量都具有重要的意义，最终达到用电精准管理、吨煤用电量降低、系统安全性提高的目标。

3 煤矿井下供电系统电能质量分析

随着煤矿自动化、智慧化水平的提高，大量电力电子元件引入到煤矿生产设备中，它们在提高煤矿节能效应的同时，也给煤矿电网引入了严重的电能质量问题。

通过调研煤矿供电系统的电能质量现状，并分析煤矿干扰负荷的特点，总结出煤矿供电系统的主要电能质量问题及特点：（1）电压偏差大。煤矿开采及运输用电设备集中工作的综采工作面，开采范围增大时，供电距离随之增加，从而线损增大，导致供电电压偏差问题；（2）谐波和间谐波。由于变频技术的应用，煤矿电网存在大量的谐波和间谐波，并且谐波电流随负荷的波动而波动；（3）电压波动与闪变。煤矿中像矿井提升机、刮板机等大功率、非线性的波动负荷的启停给电网造成了严重的电压波动，并导致闪变的发生；（4）三相不平衡。受电铁牵引负荷的影响，煤矿供电系统中出现了大量负序电流，引起了电网的不平衡；（5）无功偏大，功率因数低。

4 煤矿电能质量监测系统设计

基于煤矿智能供电网络，设计开发一种新的煤矿电能质量在线监测评估系统，通过井下智能变电所保护测控设备对供电线路进行数据采集，并对采集数据进行初步的电能质量计算分析和存储，最后通过井下通信系统将分析数据上传至地面集控中心电能质量监测主机，进行全矿电能质量的监测和数据共享，实现井下电能质量的在线监测。对于解决目前井下供电系统电能管理精确化以及克服目前电能质量参数监测系统的局限性、采取措施提高供电质量都具有重要的意义，最终达到用电精准管理、吨煤用电量降低、系统安全性提高的目标。

系统按层级进行设计，建立一个分布式的电能质量实时监测和分析系统，使得用户能够实时、连续的得到电网内各个测量点完整、可靠的电能质量信息。

终端数据采集与云端数据处理设计：

整个系统设计依托工业物联网、云平台及大数据分析等前沿技术，实现在线、远程对用户电网电能安全隐患实时预警和管理。

整个系统包含系统采集传输终端、系统分析存储部分和系统用户显示三部分。如下图。

图1 系统结构图- 云平台数据处理

此设计，只需在监测终端安装特定的终端监测装置，将采集到的信号（电压、电流）通过以太网或者无线上传至云平台，通过云来对采集的信号进行处理、计算，进而获得需要的性能参数。

4.1 系统采集传输终端。在监测点或者检测设备处安装特定的终端采集装置，只需接入电压、电流信号（最大扩展四路），终端采集装置可将信号通过以太网或者无线信号进行传输。

（1）终端采集。根据应用现场实际情况，会在井下供电系统的高防开关等馈电开关内部安装监测终端，并将馈电开关所带负荷的电压电流信号接入监测终端，最终通过RS485、以太网或无线进行传输；（2）数据交互。数据交互是整个系统的一个中间枢纽，具有传递、传输的功能，主要包含四大部分，即：通信协议、数据存储和数据采集与交互对象。

通信协议：（1）服务层与监测设备层间的数据通信协议采用DL/T860（IEC61850）系列标准；（2）实时数据采用非缓存报告；（3）暂态波形数据采用文件传输服务。

数据采集与交互对象：数据采集后，在终端呈现的只是单个实时的数据量，比如：某一时刻的电压、电流、有功功率、无功功率等，而这些数据需要上传至云平台，重新做一个系统的显示，比如整个线路的电压情况等。

4.2 系统分析存储部分。整个系统最重要的环节就在于数据的处理、计算上，此设计的处理方式采用云平台数据处理模式，整个云包含公共云和私有云，而整个云平台的处理包含三部分，即：

图2 云系统示意图

（1）云采集解析。混合云采用双通道ESC采集解析服务器集群，基于BGP 最优路由算法构架多线网络，构建安全稳定的数据通信环境。（2）云储存备份。使用阿里云存储“铁三角”+DB集群的解决方案：分布式开放式存储服务OSS、关系型数据库服务RDS、结构化数据服务OTS，原始数据进行安全加密存储DB集群服务器。（3）云计算。由阿里云ESC+分布式负载均衡WEB服务器集群的组合混合云，满足云端大数据运算、苏剧模型应用、负载均衡、业务逻辑执行、API 的接口应用。

4.3 系统用户显示部分。系统对传输过来的单体数据不只单纯的进行显示，并对一段时间内的数据进行系统性的分析，会根据需要以波形、柱状图、表格等形式来展示。系统界面不只可以通过电脑端进行监测，也可以通过手机APP 进行实时监测，能够随时了解供电系统的电能情况。系统设有预警提示等功能，能够在预设的范围内对用户进行提醒。

5 结论

该系统是集采集、监测、通讯、分析于一体的网络化系统，实现分布式智能化电能管理与电能质量实时监测及分析，最终达到矿井电网节能、高效、安全性的要求。将国家电能质量综合治理、供电系统电能管理的先进技术，应用于煤矿供电系统、各变电所，打造一个高效、节能、可靠、安全的网络化电能管理与电能质量实时监测及分析系统。