露天矿供配电网络信息化管理系统的设计

马渊，史浦东，贺喜龙，李在友

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026015）

0 引 言

随着露天矿电力系统结构的日益复杂，对电气设备供电可靠性的要求越来越高，人工管理电缆越来越不适合电缆管理的需要。一旦电缆线路发生故障，如果不能及时发现故障点和线路故障段影响的区域，可能会造成电力事故，造成重大损失。因此，人工管理逐渐被淘汰。随着信息技术的发展，基于GIS的电力电缆管理系统得到了越来越多的应用。其中，基于3D仿真技术的可视化电缆信息管理系统融合了3D图形可视化管理、3D地理信息管理和电缆资产数字化管理的特点，可大大提高电缆管理的专业化和效率。

1 当前露天矿供配电作业存在的问题

露天矿的供配电网络一般由移动变电站、接线盒、开关柜、快速连接器、电缆、电气设备等组成，供电网络电压等级为6 kV。采场内供配电网络较为复杂，线路多，供电范围广。目前供配电业务存在以下问题：

（1）运营商缺乏有效手段快速准确识别运营线路供配电关系。

（2）现有供电电缆数量较多，缺乏有效的信息手段对电缆进行全寿命跟踪和管理（主要是监测电缆的使用寿命、使用地点、性能参数等）。

（3）生产现场有大量电气设备的电能、用电信息，采用人工现场抄表的方式采集信息，工作量大，效率低。

（4）通过悬挂磁吸式标识牌实现各移动变电站的负荷标识。当负载发生变化时，负载板调整需要手动进行，存在一定的安全隐患。必须采用智能手段保证负荷指示的可靠性。

2 露天矿供配电管理发展的趋势

2.1 基于三维仿真技术的电力电缆智能管理

三维仿真技术的电力电缆智能管理系统主要是通过三维激光扫描技术对电缆、附属设施、电缆线路、电缆轨迹等进行精准定位形成三维数据，同时建设设备电子编码标识系统，建立电缆通道三维模型及设备基础数据标准化数据库，实现与GIS和PMS系统数据交互，为智能化运检平台提供高效、精准的后台数据。实现电缆、线路及管控资源可视化，电缆线路与采场道路等多维度关联信息分析，电缆线路资源查询及资源审批，实现电缆运维单位对电缆及线路资源“一清二楚”，提升电缆精益化管理水平。

2.2 基于改进GIS的电力电缆管理

2.3 基于RFID的可视化电缆管理

基于RFID（射频识别技术）的电缆信息可视化管理系统平台主要基于RFID技术，由电子标签、标签探测仪、移动智能终端（带GPS模块）和后台服务系统组成。充分利用RFID技术的优势，实现了电缆的精益化、智能化、信息化、可视化管理。该系统的特点通过调用GIS地图和数据库，快速探知标签的位置点，完成数据读取及位置定位、电缆的敷设方式、标签编号、经纬度等，实现对电缆的智能化、信息化、可视化管理。

3 露天矿供配电网信息管理系统的设计

3.1 总体设计方案

总体设计框架图如图1所示。

图1 设计框架图

总体设计方案为：

（1）在露天矿数百根高压电缆两端安装太阳能定位模块和电子标签，定位数据和电缆属性信息实时通过无线网络远传到供电队调度中心服务器内，方便工作人员准确识别电缆精确坐标和电缆属性，工作人员通过供配电网络信息管理系统能够精准获取所有电缆的分布、走向以及电缆两端连接用电设备的供配电关系，通过服务器软件和手持终端可以快速查询供配电线路从哪来要到哪去。

（2）设备内部集成电子标签技术实现对所有在用、备用电缆信息化全寿命管理，通过手持终端扫描电子标签可快速了解电缆使用时长、电缆参数等属性信息。实现智能负荷牌功能，该智能负荷牌可根据现场实际负荷情况，实时显示移动变电站和高压开关柜每路馈出线的负荷情况，在负荷发生变化时，能够自动实现负荷调整，无需人工调整。用电设备电量监控及计量功能，采集露天矿153块电能表的电量信息，通过无线网络将数据传输到供电队调度中心服务器内，可按时间段、电表类型、电表用途等不同查询条件定制输出电量报表，还可对电量消耗进行智能分析判断。

（3）所有电缆定位数据、负荷牌数据和电量数据等都传输汇总至供电队调度中心服务器内，在露天矿供电队调度大屏上形成矿区供配电网络信息化管理一张图，根据供配电网络的实际情况该图将自动更新，实现与生产现场实际供配电网络同步，使管理人员和作业人员对目前的供配电网络一目了然，提高工作效率并控制供配电安全风险。

其中露天矿场电缆网络的分布示意图如图2所示。

其中，yt和xt分别为1维和p维的I(1)序列，ut为平稳的I(0)变量。由于xt与ut的相关性，对式(4)采用OLS法进行估计时，会导致估计的二阶偏差， Stock和Watson(1993)建议将式(4)中ut的分解为领先、滞后项和纯革新项εt，则式(4)转化为如下形式：

3.2 具体实现

3.2.1 电缆定位设备

电缆定位设备集成卫星定位模块、无源RFID标签、读卡器、有源RF射频技术于一体，采用内置天线，在电缆端部安装好电缆套环标签。整个电缆定位设备实物图如图3所示。

图2 露天矿场电缆网络分布

图3 电缆定位设备实物图

定位模块外壳采用尼龙材质，三防设计，如图4所示，以便无线信号可以从壳体内正常发出（尼龙外壳放在两个喇叭口中间凹槽内）。

图4 定位模块设计实物图

电缆定位设备内置大容量可充电锂电池，充满电可持续工作2年以上，同时设备表面施加有环形太阳能充电板，可对锂电池进行充电，设备内集成低功耗节电管理模块，电缆长时间无移动时设备处于半休眠状态，每隔1小时自动唤醒并发送一次位置信息，当震动传感器监测到电缆移动时设备自动唤醒且1秒发送一次位置信息，实时更新坐标位置。卫星定位模块用于实时上传电缆位置坐标，无源RFID标签卡用于电缆属性识别（可通过手持读卡器识别电缆属性），有源433 MHz射频用于传输定位数据和电缆属性信息数据。设备采用低功耗设计，电缆无移动时设备处于半休眠状态，当震动传感器监测到电缆移动时设备自动唤醒，实时更新坐标位置。

3.2.2 电缆间远距离级联传输

通过LoRa无线扩频通信技术实现每段电缆间远距离级联传输；每个电缆定位设备内带有有源433 MHz射频模块，模块绕射性好、穿透力强，不会受到露天矿采场地形和天气影响，射频模块最远传输距离为500米左右，这样施加在每段电缆两端的射频模块就可以传输数据，采用LoRa无线扩频通信技术实现电缆间数据级联远距离传输，同时为了保证数据传输的可靠性和稳定性，电缆定位数据也可通过露天矿已有防撞预警系统无线RF射频网络远传数据，做到数据传输双通道双保险，最终将数据传回到供电队调度室服务器内。

3.2.3 线缆连接和分线箱连接关系的自动识别

线缆连接和分线箱连接关系自动识别技术，针对分线箱具有多路出线口如何自动识别连接关系问题；两根电缆的快速连接耦合器可以通过卫星定位距离来判断连接关系，但分线箱由于3个或多个耦合器插口距离近，无法通过卫星定位距离来判断连接关系，那么采用RFID近距离读卡识别技术进行自动识别，在分线箱的3个插座上安装不同编号的RFID标签卡，电缆上的定位设备内集成有RFID标签读卡器，耦合器连接分线箱插座时自动识别插座编号，自动识别出分线箱一进二出或一进多出的对应关系。

3.2.4 LED电子负荷牌显示供配电情况

现通过加装智能自动LED电子负荷牌来自动显示，电子负荷牌通过无线网络从供电队服务器内实时获取供配电关系图信息，因为服务器内已存储有通过电缆定位设备传输上来的供配电关系数据，当现场供配电关系发生变化时，LED电子负荷牌会自动显示最新的供配电信息。

3.2.5 电能表远程抄表

采用电压或电流互感技术采集电量数据，并定期或需要时通过无线网络远传到供电队后台电度核算系统，实现远程抄表。

3.2.6 手持电缆属性识别终端设备

工作人员巡查线路时携带手持终端设备，手持终端采用非接触方式读取电缆上的RFID标签卡数据，工作人员通过终端屏幕可快速了解电缆的所有信息，包括使用年限、供电参数等属性信息，即安全又快捷。

3.2.7 供配电网络信息管理系统

包含供电调度大屏，软件在大屏上显示，包含数据库软件、服务器软件、应用端软件，实现对露天矿采场电缆实时定位、所有在用备用电缆属性管理、采场用电设备电量监控及计量等功能，形成矿区供配电网络信息化管理系统，如图5所示。

图5 露天矿信息化管理系统

4 结 论

目前，我国露天矿高压电力电缆管理绝大多数依赖于从业人员的经验和对电缆网络的熟悉程度，人员专业素质直接影响到电力电缆的运行维护水平，甚至影响到电网的安全运行。随着技术的创新，三维GIS、RFID等技术的发展和创新，为新型电力电缆管理系统的搭建和运营提供了有利保障，而这也将成为电力电缆系统未来的发展趋势。本文所研究的露天矿供配电网络信息化管理系统的设计，能够为露天矿的电缆管理信息化提供更智能、更安全的管理模式。