基于SVG 的煤礦供電節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計

韓 朝，楊再君，王懷志，楊偉光

（1.兗礦能源集團股份有限公司鮑店煤礦，濟寧 273513；2.青島科技大學 自動化與電子工程學院，青島 266061）

煤礦企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，普遍地應用大功率采煤機、掘進機與提升機等非線性負荷設備，產(chǎn)生大量的諧波污染電網(wǎng)[1]，導致煤礦系統(tǒng)缺少穩(wěn)定性，供電質量下降，煤礦供電系統(tǒng)電能損耗隨之大幅度增長。據(jù)煤礦調研數(shù)據(jù)顯示，煤礦企業(yè)每年的總電費支出約占總支出成本的6%～18.5%，因為供電質量下降導致耗能嚴重，在一定程度上制約了煤礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此采取有效措施，針對煤礦配電網(wǎng)實現(xiàn)諧波治理和無功補償成為供電系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化關鍵。

近年來，國內外學者對于SVG 補償設備和節(jié)能優(yōu)化控制已有較多研究成果[2-5]，比如文獻[5]針對新景礦洗煤廠進行了電壓分析，認為電壓跌落是系統(tǒng)故障、惡劣天氣和煤礦中感性大負荷突然啟停造成的，根據(jù)新景礦選煤廠無功缺量和現(xiàn)場情況，提出抑制壓降措施，安裝靜止無功補償裝置，實驗后新景礦選煤廠電壓畸變率由1.42%降為1.0%，功率因數(shù)達0.96，提高了經(jīng)濟效益。隨著采煤工藝和煤礦節(jié)能方面的需求增加，通過監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦企業(yè)的電能損耗進行合理優(yōu)化控制[6-7]，有利于提升煤礦系統(tǒng)的供電安全性。文獻[7]運用以太網(wǎng)，對礦井供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性進行智能監(jiān)測和調整，采用光纖通信為保護系統(tǒng)服務，對煤礦井下的漏電、短路、越級跳閘進行檢測。目前對于整個供電系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方面仍需進一步探索，充分挖掘供電系統(tǒng)的電耗能損下降原因，采用適當手段對煤礦供電系統(tǒng)全局節(jié)能優(yōu)化控制具有重要意義。

本文通過礦用隔爆SVG 動態(tài)無功補償裝置對煤礦供電系統(tǒng)非線性負荷設備所帶的負荷進行無功補償，有效避免諧波危害和電能質量問題的產(chǎn)生，同時降低供電系統(tǒng)諧波和無功損耗；并通過組態(tài)網(wǎng)開發(fā)監(jiān)控節(jié)能平臺，實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)智能化、可視化操作，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。

1 煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

山東某煤礦供電系統(tǒng)的負載系統(tǒng)分為八大環(huán)節(jié)，分別為綜采環(huán)節(jié)、掘進環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、提升環(huán)節(jié)、通風環(huán)節(jié)、排水環(huán)節(jié)、壓風環(huán)節(jié)和選煤環(huán)節(jié)。

該礦的供電電源來自外部220 kV 變電所進線，設有地上35 kV 變電所，并經(jīng)由主副變壓器向井下輸出6 kV 配電電壓。井下供電系統(tǒng)由井下中央變電所、采區(qū)變電所、工作面配電點、供電線路及負荷設備組成。該礦對地面變電站井下各采掘工作面未采取相應的補償措施，造成的供電難題主要包括[8]：

（1）長距離供電造成功率因數(shù)過低。井下用電設備與電源距離根據(jù)現(xiàn)場實際測量及統(tǒng)計分析，井下線路功率因數(shù)過低，長距離供電將造成大量的電力損耗浪費，同時，煤礦供電系統(tǒng)電能損耗居高不下；

（2）供電電壓不足，設備啟動困難。隨著采掘的深入，以及大量大功率非線性負荷設備的投入使用，產(chǎn)生大量諧波污染和無功損耗，導致變壓器帶負載能力不足，影響設備的使用，使生產(chǎn)的持續(xù)性和穩(wěn)定性受到影響；

（3）供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性受到威脅，機電設備故障率升高。大功率機組在啟動/停止瞬間輸出無功功率，沖擊電網(wǎng)，造成供電系統(tǒng)電壓閃變，增加了電能輸送損耗，不利于其他用電負荷的正常運行。

2 SVG 無功補償原理及方案設計

2.1 SVG 無功補償原理

在正常運行時，SVG 起到的作用相當于電壓型逆變器，在電路中負責控制電力半導體開關的導通與關斷，將直流側電壓進行逆變，形成與電網(wǎng)頻率相同的交流側輸出電壓?？紤]電網(wǎng)損耗，等效于由電阻器串聯(lián)電阻承擔這部分損耗，SVG 單相等效電路如圖1 所示。

圖1 SVG 單相等效電路圖Fig.1 Single phase equivalent circuit diagram of SVG

由圖1 可知：

SVG 有3 種運行模式，空載運行模型、感性運行模式和容性運行模式，如表1 所示。

表1 SVG 工作情況Tab.1 Work status of SVG

2.2 SVG 無功補償方案設計

根據(jù)無功補償原理，將礦用隔爆SVG 經(jīng)電抗并聯(lián)到煤礦井下-430 m 的變電站供電系統(tǒng)中，位置如圖2 所示，用于補償采煤機、裝載機、破碎機以及運輸機等設備，由安裝在各采區(qū)絞車、皮帶機等負荷的電表采集電流信息，控制芯片根據(jù)煤礦各處采集到的數(shù)據(jù)，使用優(yōu)化算法分析整個礦區(qū)所需的補償電流，調整IGBT 進行動態(tài)補償。

圖2 SVG 無功補償位置電氣圖Fig.2 Reactive power compensation location of SVG

煤礦供電系統(tǒng)母線為6 kV，SVG 的作用是對各個大功率負載進行動態(tài)無功補償，調節(jié)供電系統(tǒng)中的電壓電流，使負載工作在安全閾值中，降低損耗。SVG 的工作流程為：將SVG 通電后，SVG 開始無功補償過程，此時開關KM1導通，開關KM2關斷，6 kV母線電流進入SVG，為SVG 靜止無功補償發(fā)生器電路充電。充電時間結束后，KM2開通，靜止無功發(fā)生器開始對煤礦供電系統(tǒng)進行無功功率的測量與補償。如果想要SVG 停止運行，可關閉開關KM1、KM2，即可關閉SVG，同時對外放電。速斷保護電路的電流闊值為400 A，當靜止無功發(fā)生器電路電流超過其所能承受的界限時，速斷保護電路開始工作，保護SVG 電路不被燒毀。

3 SVG 監(jiān)控系統(tǒng)設計

利用組態(tài)網(wǎng)搭建煤礦供電節(jié)能系統(tǒng)監(jiān)控平臺，對煤礦主要能耗設備及SVG 裝置進行實時監(jiān)測，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)分析結果建立企業(yè)能耗及節(jié)能效率的評估和考核體系，從而找到煤礦企業(yè)的電能損耗盲點，減少用電損耗，提高用電效率，達到節(jié)能增效的目的[9-10]。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

通過礦用隔爆電能計量裝置對煤礦系統(tǒng)中礦用多功能電度表進行數(shù)據(jù)采集，并通過交換機上傳至服務器，實現(xiàn)對煤礦企業(yè)現(xiàn)場設備的監(jiān)視和控制，監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.3 Monitoring system structure diagram

主要設備作用如下：

（1）設備層

設備層由礦用多功能智能電度表和綜合節(jié)能裝置組成，實時測量煤礦井下變電站的各支路的累計電量、功率、功率因數(shù)、三相電流峰谷值等參數(shù)，實現(xiàn)電參數(shù)計量就地顯示，并通過計量電度表的485 數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)遠程電參數(shù)查看及抄表操作。

（2）通訊層

井下監(jiān)測與通訊分站是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，包括多路串口通信服務器、觸摸屏交互界面、基于以太網(wǎng)接口的IEC 104 協(xié)議轉換器等，能夠實時采集煤礦井下各用電設備的電負荷數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至上位機，實現(xiàn)地面監(jiān)控主機對煤礦井下用電負荷的實時監(jiān)測。

（3）應用層

主機與從機通過TCP/IP 網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)雙機熱備，共同執(zhí)行同一服務。正常工作狀態(tài)下，主機從設備采集數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生報警和事件信息；從機處于監(jiān)視狀態(tài)。一旦主機發(fā)生異常，從機可快速代替主機工作。

3.2 SVG 監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

基于組態(tài)軟件開發(fā)遠程設備的數(shù)據(jù)監(jiān)測控制軟件，對獲取的設備層信息進行處理分析，以圖、表、曲線等方式為決策提供可視化數(shù)據(jù)支撐。通過報表形式將遠程獲取到的電量數(shù)據(jù)直接統(tǒng)計輸出，節(jié)省下井抄表的業(yè)務流程，提高整體用電管理的運營效率，實現(xiàn)遠程智能化管理，監(jiān)控系統(tǒng)軟件結構如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結構圖Fig.4 Software structure diagram of monitoring system

SVG 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能特點如下：

（1）用戶管理界面可依據(jù)管理人員等級設置相應訪問權限，利于決策人員通過界面掌握整個煤礦供電節(jié)能系統(tǒng)及SVG 設備運行狀況，及時調整節(jié)能運行策略；

（2）當現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，通過驅動程序，引起實時數(shù)據(jù)庫中變量的變化。定期進行歷史數(shù)據(jù)備份管理，便于實時與歷史數(shù)據(jù)對照和分析，獲得有用的經(jīng)驗參數(shù)。另外設置報警數(shù)據(jù)庫，將所有的報警信息記錄其中，利于后期事故分析；

（3）SVG 設備管理界面可直觀了解煤礦各環(huán)節(jié)設備運行狀況，通過SVG 運行時無功功率、功率因數(shù)數(shù)據(jù)，遠程監(jiān)控SVG 無功補償效果；

（4）通過報表形式對不同監(jiān)測點的能耗數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)煤礦節(jié)能需求，設置日報表、周報表、月報表，分析整個供電系統(tǒng)節(jié)能潛力，以此為節(jié)電計劃提供依據(jù)；

（5）利用數(shù)據(jù)曲線實時地顯示各采區(qū)被控設備的運行工況，以及相應的電能和功率消耗。用模擬儀表、趨勢圖、曲線顯示參數(shù)的實時變化情況，使生產(chǎn)管理人員能夠快速、清晰地了解整個系統(tǒng)的生產(chǎn)運行情況；

（6）通過報警管理實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)異常監(jiān)測與故障診斷。當整個礦井各種負荷設備運行參數(shù)出現(xiàn)異常，能夠及時報警提示，同時進行及時分析診斷，并指導運行人員到達優(yōu)化運行現(xiàn)場，及時處理故障。

3.3 SVG 監(jiān)控系統(tǒng)界面設計

SVG 監(jiān)控系統(tǒng)界面便于煤礦工作人員直觀了解煤礦各環(huán)節(jié)設備運行狀況，通過SVG 設備管理系統(tǒng)實時查看SVG 裝置運行狀況，對各環(huán)節(jié)系統(tǒng)運行狀態(tài)和裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集分析。準確記錄設備故障信息，實時計算設備累計發(fā)出無功功率和設備累計網(wǎng)側視在功率，實時顯示功率因數(shù)和網(wǎng)側功率以及諧波含量變化趨勢。

SVG 的監(jiān)控系統(tǒng)是在控制柜內工業(yè)控制機上運行。通過SVG 的監(jiān)控系統(tǒng)可以實時、明確地查看SVG 的各個參數(shù)，如線電流、線電壓的實時數(shù)值化及歷史曲線。同時具有網(wǎng)絡傳輸功能，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控與操作。

靜止無功發(fā)生器接入電網(wǎng)（高開合閘）后，控制系統(tǒng)帶電，初始化主控界面如圖5 所示。該界面屏幕系統(tǒng)狀態(tài)顯示主要包括運行狀態(tài)、運行模式、控制方式以及主要器件的工作狀態(tài)等，可以啟動、停止、復位SVG 裝置，控制SVG 工作于無功補償、諧波補償、綜合補償?shù)裙ぷ鞣绞剑幌到y(tǒng)數(shù)據(jù)顯示主要包括電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、負載電流、SVG 補償電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等信息。

圖5 SVG 監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.5 Main interface of SVG monitoring system

當SVG 運行時，冷卻系統(tǒng)必須投入運行，點擊水冷詳情按鈕，進入水冷啟動界面，水冷系統(tǒng)界面如圖6 所示。

圖6 水冷系統(tǒng)界面Fig.6 Water cooling system interface

SVG 工作時會因為功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫，最主要的發(fā)熱元器件是IGBT 功率模塊。元器件溫度過高會縮短元器件的使用壽命，嚴重時甚至可能造成燒毀，因此，在使用過程中必須通過水冷系統(tǒng)解決SVG 的冷卻問題，以延長SVG 的使用壽命，降低SVG 的失效率。

4 結語

本文在分析山東某煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)狀和配電網(wǎng)無功補償原理的基礎上，確定了采用礦用隔爆SVG 對煤礦配電網(wǎng)進行補償方案，并使用組態(tài)軟件開發(fā)設計了煤礦供電節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)平臺。通過礦用隔爆SVG 對煤礦配電網(wǎng)的精確無功補償，有效解決了煤礦大功率非線性負荷導致的電能損耗、諧波污染等問題，通過監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)了煤礦供電系統(tǒng)全局的節(jié)能優(yōu)化控制與可視化分析，具有一定的推廣意義。