煤礦供電系統(tǒng)質(zhì)量評價方法研究

馬立乾

(同煤集團電業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

0 引言

對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)而言，煤礦供電是十分重要的一個環(huán)節(jié)，其可靠性和安全性是非常重要的[1-3]。隨著煤礦現(xiàn)代化和信息自動化的高速發(fā)展，煤礦供電系統(tǒng)中各類整流器、交直流換流設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備越來越多，導(dǎo)致電網(wǎng)中非線性負(fù)荷也越來越多，煤礦電網(wǎng)中諧波日益嚴(yán)重，對供電環(huán)境造成很大的污染[4-7]。除了這些設(shè)備外，目前煤礦中使用采煤機、掘進(jìn)機、帶式輸送機、提升機等設(shè)備的功率也越來越大。這類大功率、長時間運行的設(shè)備會造成電網(wǎng)電壓波動，給煤礦供電系統(tǒng)帶來不可忽視的影響。

供電質(zhì)量的下降會損害煤礦電力設(shè)備，增加設(shè)備的附加損耗，增加設(shè)備運行溫度，降低絕緣壽命，既增加了煤炭企業(yè)檢修費用，又容易導(dǎo)致各類保護(hù)裝置誤動作，給煤礦安全生產(chǎn)埋下隱患[8-10]。要想準(zhǔn)確、有效地解決供電質(zhì)量問題，首先需要進(jìn)行的就是供電質(zhì)量的評價和分析。

1 煤礦供電質(zhì)量評價指標(biāo)的選擇

1.1 供電質(zhì)量評價指標(biāo)的建立原則

指標(biāo)選擇的合理與否，在整個評價體系中具有舉足輕重的意義。評價指標(biāo)的選擇既不能太少，否則不能全面反映對電能質(zhì)量的影響；也不能選擇的太多，太多不利于清晰方便的進(jìn)行定性、定量分析。因此，為了全面、科學(xué)、客觀的反應(yīng)煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，評價指標(biāo)的選擇需要遵循5個主要原則。

科學(xué)性原則：科學(xué)性原則是選擇煤礦供電系統(tǒng)質(zhì)量評價體系指標(biāo)的最基本原則。每個指標(biāo)的選擇都必須有明確的定義、準(zhǔn)確的內(nèi)涵，而且要確實能夠反映電能質(zhì)量某一個方面的好壞。各個指標(biāo)要有單一性，也要具備相互聯(lián)系性。

系統(tǒng)性原則：影響煤礦供電系統(tǒng)質(zhì)量的因素有很多，但是在選擇評價指標(biāo)時，無法做到面面俱到。因此要系統(tǒng)性的選擇指標(biāo)，盡可能的選擇具有代表性的參數(shù)、選擇具有關(guān)鍵影響的參數(shù)，重復(fù)和影響較小的參數(shù)可以不予選擇，避免為評價體系的構(gòu)建和分析增加不必要的工作量。

實用性原則：實用性原則是指選擇的指標(biāo)具有明確的內(nèi)涵，而且便于現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。不能選擇無法準(zhǔn)確測量的參數(shù)或者難以定量描述的參數(shù)。

針對性原則：前文已經(jīng)對現(xiàn)代煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，也簡單對比了其與公共電網(wǎng)之間的差異。因此，在選擇評價指標(biāo)時，應(yīng)能夠反映煤礦電網(wǎng)運行情況和特點，使評價體系具有針對性，方便煤礦使用。

可比性原則：根據(jù)層次分析法原則，要準(zhǔn)確得到不同指標(biāo)間的不同權(quán)重，就要對各個指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。因此，要求選擇的指標(biāo)具有可比性，能體現(xiàn)指標(biāo)間的差異，否則選擇的指標(biāo)就是無效的。

1.2 供電質(zhì)量評價指標(biāo)的確定

在實際的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)電能質(zhì)量評價體系中，指標(biāo)的選擇不是越多越好，也不是越少越好，而是要科學(xué)、系統(tǒng)、實用、有針對性。因此，結(jié)合煤礦實際和指標(biāo)內(nèi)涵，在電壓指標(biāo)、電流指標(biāo)、功率因素3大方面之下，又選擇了具體的指標(biāo)。

電壓偏差：電壓偏差是衡量煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的一個重要參數(shù)。電壓偏差過大，會減弱設(shè)備的運行性能，降低運行效率，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致設(shè)備無法運行，甚至損壞設(shè)備，進(jìn)而影響煤炭的正常、安全、高效開采，給煤炭企業(yè)帶來直接的損失。

電壓諧波：諧波會導(dǎo)致煤礦供電網(wǎng)絡(luò)功率損耗增大，還有可能對并聯(lián)電容器、電纜、變壓器等電氣設(shè)備產(chǎn)生損害。有研究表明，如果諧波電壓總畸變達(dá)10%～20%，就可能在很短時間內(nèi)導(dǎo)致電動機損壞。此外，諧波還可能造成保護(hù)裝置功能失效，甚至可能造成大面積停電，給煤礦通風(fēng)、排水等帶來重大影響，影響煤炭安全、高效生產(chǎn)。因此，諧波電壓可以作為評估電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

電流總畸變率：目前，國際上用電流總畸變率(TDD)來衡量電流質(zhì)量，這樣既考慮了負(fù)載電流較小的情況，也方便測量和計算。

5次諧波電流：在煤礦機械設(shè)備中，有很多采用了變頻調(diào)速裝置。這就導(dǎo)致煤礦電網(wǎng)中含有大量5次諧波電流。5次諧波電流會導(dǎo)致設(shè)備電機發(fā)熱和振動，給設(shè)備的安全生產(chǎn)帶來影響，造成威脅。同時，5次諧波電流會導(dǎo)致負(fù)序電流的保護(hù)裝置發(fā)生誤動作，影響電網(wǎng)的安全運行。

3.調(diào)整心態(tài)。良好的心態(tài)首先要學(xué)會放松，但要松而不懈，乃積極而非惰性的放松，其最高體現(xiàn)是自然。也可嘗試“亞歷山大技巧”，運用自我觀察和推理，幫助演奏者更合理地使用身體機能消除緊張，做到松中有緊、緊中有松。其實每一次演奏都是一場“戰(zhàn)斗”，面對“挑戰(zhàn)”，需要坦然將應(yīng)激反應(yīng)化為積極的情緒，排除“雜念”進(jìn)入藝術(shù)的“忘我”狀態(tài)，才能迸發(fā)靈感的火花。另外，臨場“熱身”也是一種極好的調(diào)整，吐故納新以氣定神閑。所謂良好的心態(tài)就是一種有控制且放松的心理狀態(tài)，十分平靜的演奏則會缺乏激情和感染力，音樂平淡無奇，反之亦然。只有適度的緊張和興奮才是獲得演奏成功的重要保證。因此，演奏效果與演奏過程的心理狀態(tài)密切相關(guān)。

功率因數(shù)：其體現(xiàn)的是供電網(wǎng)絡(luò)運行中，電勢在功率的有效利用率，是評價電能利用情況的一個重要指標(biāo)，同時還能對設(shè)備的使用和事故可能進(jìn)行間接的評價。

電流指標(biāo)：針對煤礦供電系統(tǒng)而言，電流指標(biāo)可以針對變壓器低壓側(cè)、下井回路、通風(fēng)回路、提升回路等。

2 煤礦供電質(zhì)量評價體系研究

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是既包含定性分析，又通過定量分析將主觀的判斷轉(zhuǎn)化為數(shù)值性的客觀評價的一種決策方法。通過建立對比標(biāo)度，對單一準(zhǔn)則層下的指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比構(gòu)建判斷矩陣(列表)，能夠?qū)o形指標(biāo)的測量轉(zhuǎn)化為有形的判斷指標(biāo)，從而得到更加準(zhǔn)確、客觀、科學(xué)的評價結(jié)果。因此，層次分析法在對多指標(biāo)系統(tǒng)的評價中，使用非常廣泛。其分析步驟如圖1所示。

圖1 層次分析法的計算步驟示意圖

2.1 煤礦供電質(zhì)量評價體系的建立

根據(jù)前文對影響煤礦供電質(zhì)量的指標(biāo)的確定，建立煤礦供電質(zhì)量評價體系，圖2為結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 煤礦供電質(zhì)量性評價體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 煤礦供電質(zhì)量評價體系的分析

根據(jù)判斷矩陣的構(gòu)建方法、煤礦實際以及通過與一線技術(shù)人員的溝通，建立圖2所示評價體系的A-B層和B1-C層、B2-C層判斷矩陣如下所示。

A-B層判斷矩陣

AB1B2B3B1123B21/213B31/31/31

(1)

B1-C層判斷矩陣

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)

通過計算單一準(zhǔn)則特征向量可以得出各個因素的權(quán)重大小，也可以得出各因素在體系中的總權(quán)重。結(jié)果見表1。

表1 煤礦供電系統(tǒng)供電質(zhì)量評價體系計算結(jié)果

在A-B層中，電壓指標(biāo)(B1)所占的權(quán)重最大，說明電壓質(zhì)量好壞對于煤礦系統(tǒng)電能質(zhì)量評價的影響非常大，是重點監(jiān)測和改善的指標(biāo)；電流指標(biāo)(B2)的權(quán)重大于功率因數(shù)(B3)，這是由于規(guī)程中對煤礦功率因數(shù)有規(guī)定，要求大于0.9，因此一般功率因數(shù)都符合規(guī)定。

在B1-C層中，電壓偏差(C1)所占權(quán)重最大，在B1層中是影響最大的因素。在B2-C層中，變壓器低壓側(cè)電流總畸變率(C4)所占權(quán)重最大，在B2層中是影響最大的因素。

由權(quán)重總排序可看出各指標(biāo)對整個煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量影響的程度大小。其中，影響程度前五名的，按順序分別為電壓偏差、5次諧波電壓、功率因數(shù)、變壓器低壓側(cè)電流總畸變率和電壓畸變率。說明以上因素是影響煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要指標(biāo)，在實際的監(jiān)測和運行中也應(yīng)重點注意這幾個方面。

3 煤礦供電質(zhì)量綜合評價方法

通過查閱文獻(xiàn)并根據(jù)煤礦實際需要，將各個指標(biāo)的等級劃分為優(yōu)秀、良好、合格、不合格4個大類，每個參數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 煤礦供電系統(tǒng)供電質(zhì)量各因素的評價標(biāo)準(zhǔn)劃分

可對現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)按上表的劃分進(jìn)行判斷，為了得到定量的評價結(jié)果，還要為每個不同等級賦予分?jǐn)?shù)，其中優(yōu)秀為5分，良好為3分，合格為1分，不合格為0分。按照層次分析法計算方法，對整個系統(tǒng)中打分評價，評價結(jié)果也分為優(yōu)秀(4～5分)、良好(3～4分)，合格(2～3分)，不合格(2分以下)。

綜合評價結(jié)果的計算如下式(4)所示。

(4)

式中：F—煤礦供電系統(tǒng)電能質(zhì)量評價結(jié)果；P—因素C1、C2…，C12的得分矩陣；pk—分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)語

對煤礦供電系統(tǒng)的評價體系和評價方法進(jìn)行了研究，在層次分析理論基礎(chǔ)上，建立了有3個中間層和11個評價指標(biāo)組成的評價體系，并對該體系構(gòu)建了判斷矩陣，求得了各個因素的單一權(quán)重和總權(quán)重。對各個指標(biāo)進(jìn)行了等級劃分，并建立了該系統(tǒng)的打分評價方法。根據(jù)權(quán)重值和評分方法，可以得到綜合的電能質(zhì)量評價結(jié)果。研究方法可為煤礦供電系統(tǒng)的評價及改進(jìn)提供一定的理論借鑒。