矿山自动化系统中基于智能电源的能源管理优化研究

陈亦胡，张融海，刘 武

（江西铜业集团有限公司城门山铜矿，江西 九江 332000）

1 能源管理概述

1.1 能源管理的概念和重要性

能源管理是当今社会各个领域的重要议题，尤其是在高度能耗的矿山自动化系统中。能源管理可以通过有效利用和合理分配能源，实现能源消耗和资源利用的最佳效益，促进经济、环境以及社会的可持续发展。矿山自动化系统由于其设备运转、生产流程等因素，对能源的需求常常高于其他行业，需要深入思考和创新能源管理方式。智能电源是一种具有前瞻性的能源管理手段，其以先进的技术和可调节性，为矿山自动化系统提供了更灵活、智能的能源供应和控制方式[1]。深入研究智能电源在矿山自动化系统中的能源管理优化，有助于实现能源管理的新突破，为行业发展注入新动力。

1.2 智能电源的原理和特点

智能电源基于先进的电子控制技术，能够实时监测和调整电力输出，以适应矿山自动化系统动态变化的电能需求。智能电源的特点主要包括灵活性、智能性以及可定制性。其中，灵活性使得智能电源能够迅速响应系统需求的变化，即时调整电力输出，提高系统在不同工况下的能源利用效率。智能性使得智能电源能够集成先进的智能算法，根据实时数据和系统状态做出智能决策，优化能源管理策略，自动选择最佳的能源供应方案。可定制性使得智能电源能够根据矿山自动化系统的特定需求进行定制，具有较高的适配性和良好的性能表现。

2 智能电源的数学模型

2.1 智能电源的电路模型

智能电源的电路模型是深入研究其工作原理和性能的关键，对于构建准确的数学模型至关重要。典型的智能电源电路模型可以描述为

式中：Uout(t)为电路的输出电压；Uin(t)为输入电压；t为时间；R为电阻值；C为电容值；e 为自然常数，通常取2.718 28。这个模型基于电阻-电容（Resistor-Capacitance，RC）充放电的原理，能够较为准确地描述智能电源在实际工作中的电路行为。在这个模型中，RC 的取值决定了电路的响应速度。调整电阻和电容的数值，可以实现对电路输出的平滑调节，符合智能电源在应对系统电能需求时的高效性。此外，该模型考虑了电路的非线性特性，使其更贴近实际工作情况。在技术上，该模型主要基于现代电子元器件的特性，结合反馈控制技术进行设计[2]。采用微控制单元（Micro Control Unit，MCU）实时监测电路参数，并根据系统需求动态调整输出，以智能管理电能。

2.2 智能电源的控制模型

智能电源的控制模型可以有效确保其在实际运行中能够快速而精准地响应系统需求。文章采用的智能电源控制模块基于比例-积分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）控制器，其数学表达式为

式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为系统输出与期望输出的误差；Kp、Ki、Kd分别为比例、积分与微分系数。在电源控制中，PID 控制器会通过不断地调整输出，使得误差逐渐趋向于零，从而实现系统的稳定控制。在智能电源的控制模型中，PID 控制器可以通过监测系统的实时电能需求，调整电路参数，以确保输出电压稳定在期望值。这种控制模型具有较强的适应性和健壮性，能够应对矿山自动化系统中复杂多变的电能需求。为提升控制的准确性，现代智能电源通常会结合模糊逻辑控制或人工神经网络等高级控制技术。这些技术能够在不断学习的过程中优化控制策略，更好地适应矿山环境中的实际工作条件。

2.3 智能电源的优化模型

智能电源的优化模型是研究其在矿山自动化系统中能源管理最佳化的关键。文章采用基于最小化成本函数的思想，将系统能源消耗与产出效益相平衡，从而优化智能电源，其模型可以表示为

式中：p1(t)为高峰时段的电源输出；p2(t)为低谷时段的电源输出；C1和C2为成本函数中的权重系数。这个模型可以通过调整智能电源输出，使系统在满足电能需求的同时，最小化能源消耗的经济成本。

3 基于智能电源的矿山自动化系统的设计与实现

3.1 煤矿自动化系统的结构和功能

煤矿自动化系统是一个复杂的工业系统，主要包括5 个功能模块，如图1 所示。

图1 煤矿自动化系统结构

传感器模块负责实时监测煤矿的环境参数，包括温度、湿度、气体浓度等。通过利用传感器反馈的数据，系统可以有效评估矿山工作环境的实时状态。数据采集与通信模块负责利用无线传输与物联网技术集中处理传感器模块采集到的数据，并通过通信网络传输至控制中心。控制中心模块是整个系统的大脑，负责接收、解析、处理来自传感器模块的数据，以实时调整矿山设备的运行状态，实现最佳生产效益[3]。执行器模块需要根据控制中心的指令，控制矿山设备的具体操作，如挖掘机械、输送带等，从而实现自动化管理矿山生产过程。智能电源模块作为矿山自动化系统的关键组成部分，负责提供稳定、可控的电能供应。

3.2 智能电源在煤矿自动化系统中的配置和控制

煤矿自动化系统中的智能电源配置和控制是实现对电力智能供应和高效管理的重要措施之一。其中，系统需求分析是配置的基础，其综合考虑了峰值负荷、功率波动等因素。在配置过程中，智能电源需具备防尘、防潮等特殊设计，以适应煤矿环境的挑战。控制策略是管理的核心，通过电能监测，实时监测电流、电压、功率因数等数据，为后续控制提供准确的参考。本研究中控制策略采用PID 控制算法，通过控制中心与智能电源之间的通信信道，动态调节电源的输出参数，保证电源输出的稳定性和灵活性。控制策略还利用负载平衡技术，通过合理分配电能供应，防止局部过载，提升系统整体效能。具体配置参数为：智能电源容量为1 000 kVA；输出电压范围为380（1±5%）V；频率可调节范围为50（1±1%）Hz。控制策略中，PID 控制器的比例系数Kp为0.5，积分系数Ki为0.2，微分系数Kd为0.1。电源配置和控制策略的综合应用使得煤矿自动化系统能够在动态工况下智能管理电能，最大限度地提高电能利用效率，确保系统的可靠运行。

3.3 智能电源在煤矿自动化系统中的优化效果

智能电源在煤矿自动化系统中的应用是为了实现能源管理的最佳化，提高系统效能。智能电源通过动态调节输出参数和精准控制电能供应，带来了显著的优化效果。一方面，智能电源通过实时监测和动态调节，实现了电能的智能分配，提高了系统的整体能源利用效率。在智能电源优化前，系统能源利用效率为78%，而优化后，系统能源利用效率达到了92%。另一方面，智能电源通过负载平衡技术，有效避免了系统局部过载问题，保证了各设备的平衡运行。在智能电源优化前，设备A 的电能利用率为95%，设备B 的电能利用率为85%，而优化后，设备A 和设备B的电能利用率均为90%，整体系统负载更加均衡，具体如表1 所示。

表1 智能电源在煤矿自动化系统中的优化效果

4 仿真和实验验证

4.1 仿真和实验的平台与参数

为验证智能电源在煤矿自动化系统中的效果，文章采用了先进的仿真平台和实验设备，进行了详尽的仿真和实验研究。实验采用Simulink 仿真软件。该软件提供了强大的电力系统仿真功能，能够模拟智能电源在不同工况下的响应和系统性能。实验设备主要是一套实验台，包括智能电源模块、传感器模块、控制中心模块以及模拟的煤矿自动化系统[4]。智能电源模块的容量为1 000 kVA，输出电压为380（1±5%）V，频率为50（1±1%）Hz。传感器模块监测温度、湿度、气体浓度等参数。控制中心模块采用MCU 实时监测和调整系统状态。在仿真和实验过程中，文章模拟了煤矿自动化系统在不同负荷、温度及湿度条件下的工作情况，通过调整智能电源的控制参数和配置参数，记录系统的电能消耗、负载平衡情况以及智能电源的实时响应数据。通过对这些数据的分析，文章全面评估了智能电源在煤矿自动化系统中的性能表现，验证其在动态工况下的高效能源管理和优越控制能力。

4.2 仿真和实验的过程与结果

在开始仿真和实验前需要设定不同工况下的场景，模拟煤矿自动化系统在不同负荷和环境条件下的运行状态。通过Simulink 仿真软件和实验台的实时监测，记录系统的关键参数和智能电源的实时响应数据。在一次实验中，文章模拟了系统负荷突然增加的情况[5]。结果显示，在智能电源优化前，系统电能消耗迅速上升，电压波动较大。而经过智能电源的动态调节，系统能够迅速而平稳地适应新的负荷，电能消耗稳定在较低水平。另一方面，在模拟环境温度升高的场景下，智能电源通过调整输出参数，使系统电能消耗保持在合理范围。实验数据表明，在高温环境中，智能电源优化后系统的电能消耗相较于未优化的情况降低了15%，具体数据如表2 所示。

表2 测试数据结果

5 结 论

通过深入研究煤矿自动化系统中智能电源的配置、控制及优化效果，文章揭示了其在提高能源利用效率、确保系统稳定性方面的显著潜力。仿真和实验数据表明，在不同工况下，智能电源能够实现对电能的智能管理，取得了显著的效能提升。这一研究为矿山能源管理领域的技术创新提供了实质性支持，为实现矿山自动化系统的可持续发展和高效运行贡献了新的思路和方法。