礦山自動化系統(tǒng)中基于智能電源的能源管理優(yōu)化研究

陳亦胡，張融海，劉 武

（江西銅業(yè)集團有限公司城門山銅礦，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

能源管理是當今社會各個領域的重要議題，尤其是在高度能耗的礦山自動化系統(tǒng)中。能源管理可以通過有效利用和合理分配能源，實現(xiàn)能源消耗和資源利用的最佳效益，促進經(jīng)濟、環(huán)境以及社會的可持續(xù)發(fā)展。礦山自動化系統(tǒng)由于其設備運轉(zhuǎn)、生產(chǎn)流程等因素，對能源的需求常常高于其他行業(yè)，需要深入思考和創(chuàng)新能源管理方式。智能電源是一種具有前瞻性的能源管理手段，其以先進的技術(shù)和可調(diào)節(jié)性，為礦山自動化系統(tǒng)提供了更靈活、智能的能源供應和控制方式[1]。深入研究智能電源在礦山自動化系統(tǒng)中的能源管理優(yōu)化，有助于實現(xiàn)能源管理的新突破，為行業(yè)發(fā)展注入新動力。

1.2 智能電源的原理和特點

智能電源基于先進的電子控制技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)整電力輸出，以適應礦山自動化系統(tǒng)動態(tài)變化的電能需求。智能電源的特點主要包括靈活性、智能性以及可定制性。其中，靈活性使得智能電源能夠迅速響應系統(tǒng)需求的變化，即時調(diào)整電力輸出，提高系統(tǒng)在不同工況下的能源利用效率。智能性使得智能電源能夠集成先進的智能算法，根據(jù)實時數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)做出智能決策，優(yōu)化能源管理策略，自動選擇最佳的能源供應方案?？啥ㄖ菩允沟弥悄茈娫茨軌蚋鶕?jù)礦山自動化系統(tǒng)的特定需求進行定制，具有較高的適配性和良好的性能表現(xiàn)。

2 智能電源的數(shù)學模型

2.1 智能電源的電路模型

智能電源的電路模型是深入研究其工作原理和性能的關鍵，對于構(gòu)建準確的數(shù)學模型至關重要。典型的智能電源電路模型可以描述為

式中：Uout(t)為電路的輸出電壓；Uin(t)為輸入電壓；t為時間；R為電阻值；C為電容值；e 為自然常數(shù)，通常取2.718 28。這個模型基于電阻-電容（Resistor-Capacitance，RC）充放電的原理，能夠較為準確地描述智能電源在實際工作中的電路行為。在這個模型中，RC 的取值決定了電路的響應速度。調(diào)整電阻和電容的數(shù)值，可以實現(xiàn)對電路輸出的平滑調(diào)節(jié)，符合智能電源在應對系統(tǒng)電能需求時的高效性。此外，該模型考慮了電路的非線性特性，使其更貼近實際工作情況。在技術(shù)上，該模型主要基于現(xiàn)代電子元器件的特性，結(jié)合反饋控制技術(shù)進行設計[2]。采用微控制單元（Micro Control Unit，MCU）實時監(jiān)測電路參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)需求動態(tài)調(diào)整輸出，以智能管理電能。

2.2 智能電源的控制模型

智能電源的控制模型可以有效確保其在實際運行中能夠快速而精準地響應系統(tǒng)需求。文章采用的智能電源控制模塊基于比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）控制器，其數(shù)學表達式為

式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為系統(tǒng)輸出與期望輸出的誤差；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分與微分系數(shù)。在電源控制中，PID 控制器會通過不斷地調(diào)整輸出，使得誤差逐漸趨向于零，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。在智能電源的控制模型中，PID 控制器可以通過監(jiān)測系統(tǒng)的實時電能需求，調(diào)整電路參數(shù)，以確保輸出電壓穩(wěn)定在期望值。這種控制模型具有較強的適應性和健壯性，能夠應對礦山自動化系統(tǒng)中復雜多變的電能需求。為提升控制的準確性，現(xiàn)代智能電源通常會結(jié)合模糊邏輯控制或人工神經(jīng)網(wǎng)絡等高級控制技術(shù)。這些技術(shù)能夠在不斷學習的過程中優(yōu)化控制策略，更好地適應礦山環(huán)境中的實際工作條件。

2.3 智能電源的優(yōu)化模型

智能電源的優(yōu)化模型是研究其在礦山自動化系統(tǒng)中能源管理最佳化的關鍵。文章采用基于最小化成本函數(shù)的思想，將系統(tǒng)能源消耗與產(chǎn)出效益相平衡，從而優(yōu)化智能電源，其模型可以表示為

式中：p1(t)為高峰時段的電源輸出；p2(t)為低谷時段的電源輸出；C1和C2為成本函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)。這個模型可以通過調(diào)整智能電源輸出，使系統(tǒng)在滿足電能需求的同時，最小化能源消耗的經(jīng)濟成本。

3 基于智能電源的礦山自動化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1 煤礦自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

煤礦自動化系統(tǒng)是一個復雜的工業(yè)系統(tǒng)，主要包括5 個功能模塊，如圖1 所示。

圖1 煤礦自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器模塊負責實時監(jiān)測煤礦的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、氣體濃度等。通過利用傳感器反饋的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以有效評估礦山工作環(huán)境的實時狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集與通信模塊負責利用無線傳輸與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集中處理傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)，并通過通信網(wǎng)絡傳輸至控制中心?？刂浦行哪K是整個系統(tǒng)的大腦，負責接收、解析、處理來自傳感器模塊的數(shù)據(jù)，以實時調(diào)整礦山設備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)最佳生產(chǎn)效益[3]。執(zhí)行器模塊需要根據(jù)控制中心的指令，控制礦山設備的具體操作，如挖掘機械、輸送帶等，從而實現(xiàn)自動化管理礦山生產(chǎn)過程。智能電源模塊作為礦山自動化系統(tǒng)的關鍵組成部分，負責提供穩(wěn)定、可控的電能供應。

3.2 智能電源在煤礦自動化系統(tǒng)中的配置和控制

煤礦自動化系統(tǒng)中的智能電源配置和控制是實現(xiàn)對電力智能供應和高效管理的重要措施之一。其中，系統(tǒng)需求分析是配置的基礎，其綜合考慮了峰值負荷、功率波動等因素。在配置過程中，智能電源需具備防塵、防潮等特殊設計，以適應煤礦環(huán)境的挑戰(zhàn)?？刂撇呗允枪芾淼暮诵?，通過電能監(jiān)測，實時監(jiān)測電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，為后續(xù)控制提供準確的參考。本研究中控制策略采用PID 控制算法，通過控制中心與智能電源之間的通信信道，動態(tài)調(diào)節(jié)電源的輸出參數(shù)，保證電源輸出的穩(wěn)定性和靈活性?？刂撇呗赃€利用負載平衡技術(shù)，通過合理分配電能供應，防止局部過載，提升系統(tǒng)整體效能。具體配置參數(shù)為：智能電源容量為1 000 kVA；輸出電壓范圍為380（1±5%）V；頻率可調(diào)節(jié)范圍為50（1±1%）Hz?？刂撇呗灾?，PID 控制器的比例系數(shù)Kp為0.5，積分系數(shù)Ki為0.2，微分系數(shù)Kd為0.1。電源配置和控制策略的綜合應用使得煤礦自動化系統(tǒng)能夠在動態(tài)工況下智能管理電能，最大限度地提高電能利用效率，確保系統(tǒng)的可靠運行。

3.3 智能電源在煤礦自動化系統(tǒng)中的優(yōu)化效果

智能電源在煤礦自動化系統(tǒng)中的應用是為了實現(xiàn)能源管理的最佳化，提高系統(tǒng)效能。智能電源通過動態(tài)調(diào)節(jié)輸出參數(shù)和精準控制電能供應，帶來了顯著的優(yōu)化效果。一方面，智能電源通過實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了電能的智能分配，提高了系統(tǒng)的整體能源利用效率。在智能電源優(yōu)化前，系統(tǒng)能源利用效率為78%，而優(yōu)化后，系統(tǒng)能源利用效率達到了92%。另一方面，智能電源通過負載平衡技術(shù)，有效避免了系統(tǒng)局部過載問題，保證了各設備的平衡運行。在智能電源優(yōu)化前，設備A 的電能利用率為95%，設備B 的電能利用率為85%，而優(yōu)化后，設備A 和設備B的電能利用率均為90%，整體系統(tǒng)負載更加均衡，具體如表1 所示。

表1 智能電源在煤礦自動化系統(tǒng)中的優(yōu)化效果

4 仿真和實驗驗證

4.1 仿真和實驗的平臺與參數(shù)

為驗證智能電源在煤礦自動化系統(tǒng)中的效果，文章采用了先進的仿真平臺和實驗設備，進行了詳盡的仿真和實驗研究。實驗采用Simulink 仿真軟件。該軟件提供了強大的電力系統(tǒng)仿真功能，能夠模擬智能電源在不同工況下的響應和系統(tǒng)性能。實驗設備主要是一套實驗臺，包括智能電源模塊、傳感器模塊、控制中心模塊以及模擬的煤礦自動化系統(tǒng)[4]。智能電源模塊的容量為1 000 kVA，輸出電壓為380（1±5%）V，頻率為50（1±1%）Hz。傳感器模塊監(jiān)測溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)。控制中心模塊采用MCU 實時監(jiān)測和調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)。在仿真和實驗過程中，文章模擬了煤礦自動化系統(tǒng)在不同負荷、溫度及濕度條件下的工作情況，通過調(diào)整智能電源的控制參數(shù)和配置參數(shù)，記錄系統(tǒng)的電能消耗、負載平衡情況以及智能電源的實時響應數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，文章全面評估了智能電源在煤礦自動化系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，驗證其在動態(tài)工況下的高效能源管理和優(yōu)越控制能力。

4.2 仿真和實驗的過程與結(jié)果

在開始仿真和實驗前需要設定不同工況下的場景，模擬煤礦自動化系統(tǒng)在不同負荷和環(huán)境條件下的運行狀態(tài)。通過Simulink 仿真軟件和實驗臺的實時監(jiān)測，記錄系統(tǒng)的關鍵參數(shù)和智能電源的實時響應數(shù)據(jù)。在一次實驗中，文章模擬了系統(tǒng)負荷突然增加的情況[5]。結(jié)果顯示，在智能電源優(yōu)化前，系統(tǒng)電能消耗迅速上升，電壓波動較大。而經(jīng)過智能電源的動態(tài)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)能夠迅速而平穩(wěn)地適應新的負荷，電能消耗穩(wěn)定在較低水平。另一方面，在模擬環(huán)境溫度升高的場景下，智能電源通過調(diào)整輸出參數(shù)，使系統(tǒng)電能消耗保持在合理范圍。實驗數(shù)據(jù)表明，在高溫環(huán)境中，智能電源優(yōu)化后系統(tǒng)的電能消耗相較于未優(yōu)化的情況降低了15%，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié) 論

通過深入研究煤礦自動化系統(tǒng)中智能電源的配置、控制及優(yōu)化效果，文章揭示了其在提高能源利用效率、確保系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的顯著潛力。仿真和實驗數(shù)據(jù)表明，在不同工況下，智能電源能夠?qū)崿F(xiàn)對電能的智能管理，取得了顯著的效能提升。這一研究為礦山能源管理領域的技術(shù)創(chuàng)新提供了實質(zhì)性支持，為實現(xiàn)礦山自動化系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和高效運行貢獻了新的思路和方法。