韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：長(cháng)期以來(lái)，煤礦生產(chǎn)管理中對能耗的管理相對粗放，井下電氣設備在使用中缺乏統一管理，使得能耗始終居高不下，不僅降低了礦井綜合效益，而且在一定程度上威脅了礦井的生產(chǎn)安全。以此為出發(fā)點(diǎn)，針對礦井井下電能管理系統的應用進(jìn)行研究分析。結合具體工程實(shí)際，在分析電能管理系統構成的基礎上，逐一探究其關(guān)鍵技術(shù)和系統功能，并對其實(shí)際應用效果進(jìn)行總結分析，希望能夠為其他礦井相似工程的開(kāi)展提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：礦井；電能管理系統；上位機；能耗質(zhì)量

0引言

      A礦為2000年建成投產(chǎn)的現代化礦井，設計生產(chǎn)能力為2.50x106t/a。近些年，隨著(zhù)礦井開(kāi)采深度的不斷增加，回采作業(yè)條件不斷惡化，井下生產(chǎn)中所需的各類(lèi)用電設備的數量不斷增加的同時(shí)分布范圍也不斷擴大，使得井下電能的集中管理難度大幅增加，生產(chǎn)作業(yè)中各類(lèi)電氣故障時(shí)有發(fā)生，制約了礦井生產(chǎn)力。針對此類(lèi)問(wèn)題，為了有效降低礦井運行能耗，實(shí)現能源優(yōu)化管理，A 礦結合經(jīng)驗，立足礦井實(shí)際，研究設計了一套應用于井下的電能管理系統，在致力于提升礦井能耗質(zhì)量的同時(shí)，增強對電能使用的實(shí)時(shí)監控，從而提升礦井電能控制質(zhì)量，進(jìn)一步提高礦井的現代化水平。

1 系統構成分析

      此次設計的電能管理系統選用兩級網(wǎng)絡(luò )控制結構，借助冗余工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現監控中心 PC機對井下作業(yè)現場(chǎng)各個(gè)設備的網(wǎng)絡(luò )監控，同時(shí)，借助現場(chǎng)總線(xiàn)工藝實(shí)現對各個(gè)職能電表的集中監控管理。整個(gè)系統的構成大體可分為硬件部分和軟件部分兩大塊。

1.1 硬件構成

      系統硬件部分主要包括系統主機、交換機、隔爆兼本安型電能監測和通訊分站、隔爆型智能電度表等構成組件，其構成如圖1所示。其中，隔爆兼本安型電能監測和通訊分站屬于硬件系統的核心組件，構成部分包括光纖收發(fā)裝置、MCGS 觸摸屏 （TPC7062K）、多路串口通訊服務(wù)裝置、RS232 型轉換裝置和可編程控制裝置（PLC） 等[1-2]。

圖1系統構成示意圖

1.2 軟件構成

      系統軟件部分是借助MCGS 組態(tài)軟件實(shí)現對井下電能設備能耗數據的采集，并通過(guò)對相關(guān)數據的分析判定，設計出相應的電能使用數據，以方便使用者實(shí)時(shí)查詢(xún)用電參數，并對歷史用電參數、用電曲線(xiàn)等進(jìn)行查詢(xún)。此外，軟件通過(guò)監測所得數據與預設數據的比對分析，能及時(shí)發(fā)現數據異?，F象，并及時(shí)發(fā)出預警信息，從而避免安全隱患對電能使用造成的不良影響，提升用電有效性[3]。圖2即為系統分界面示意圖。

圖2 系統分界面示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

      a) 電能管理系統在設計上充分考慮了A礦井下實(shí)際用電設備的分布狀況，采用了冗余工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485接口和 EDC3300 型電表等通訊協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)工藝，控制結構選用兩級網(wǎng)絡(luò )控制。其中，上層網(wǎng)絡(luò )運用冗余工業(yè)以太網(wǎng)（基于TCP/IP 協(xié)議的交換機組網(wǎng)）實(shí)現監測中心上位機（PC 機）與井下下位機（TPC7062K型觸摸屏）間的信息通訊，從而確保作業(yè)人員能夠在地面監測中心借助 PC 機實(shí)時(shí)監控井下作業(yè)現場(chǎng)設備的運行情況；下層網(wǎng)絡(luò )運用現場(chǎng)總線(xiàn)（基于EDC3300電表的通訊協(xié)議），實(shí)現TPC7062K 型下位機與現場(chǎng)測量裝置間的有效信息互通，以確保作業(yè)人員能夠通過(guò)觸摸屏實(shí)現對所對應分站的集中監控。

      b) 上位機將PC機作為整個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )監控平臺，其核心功能是借助工業(yè)以太網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò )地址進(jìn)行針對性設置，進(jìn)而與下位機（TPC7062K 型觸摸屏）開(kāi)展有效的信息通訊，以實(shí)現對現場(chǎng)數據的有效獲取。同時(shí)，借助 MCGS 通用型組態(tài)軟件，系統能夠實(shí)現對設備運行情況和系統參數的顯示、報警提示和查詢(xún)、實(shí)時(shí)數據和歷史數據查詢(xún)、查詢(xún)數據打印等功能。

      c) 觸摸屏作為井下各監測分站核心組件，主要功能是通過(guò) EDC3300電表通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取現場(chǎng)施工中各個(gè)用電設備的電能使用情況，并借助MCGS嵌入式組態(tài)軟件將獲取的各類(lèi)現場(chǎng)數據實(shí)時(shí)顯示在分站觸摸顯示屏上。

      d) 井下監測分站作為井下各用電設備控制管理的核心組件，其核心功能是對井下作業(yè)現場(chǎng)的電能使用參數進(jìn)行實(shí)時(shí)收集、處理，并借助 RS-485 接口與 EDC330電表內設的十六進(jìn)制協(xié)議，實(shí)現與觸摸屏的實(shí)時(shí)通訊，同時(shí)還可借助分布全礦的以太網(wǎng)與地面監測中心進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交換。

      e) 地面監測系統配套有上位機組態(tài)設備，將井下各處分布的電能采集站連入礦井工業(yè)以太網(wǎng)，作業(yè)人員可以在監測中心通過(guò)監測裝置實(shí)現對井下設備運行狀況的實(shí)時(shí)監測和管控[4]。

3 系統功能分析

      所設計的電能管理系統能夠實(shí)現對井下生產(chǎn)作業(yè)中電能使用的全過(guò)程管理，同時(shí)，記錄各個(gè)作業(yè)環(huán)節及相應用電設備的電能能耗狀況。此外，通過(guò)隔爆兼本安型電能監測裝置與通訊分站的配合構建起井下用電資料庫，綜合匯集整理用電設備的各項能耗數據，使其成為對實(shí)際工作具有良好指導意義的信息。這樣，不僅能夠便于作業(yè)人員實(shí)時(shí)查詢(xún)各用電設備能耗的實(shí)時(shí)數據和歷史數據，還能夠通過(guò)數據比對分析，及時(shí)發(fā)現安全隱患，發(fā)出預警信息，避免安全事故的發(fā)生。通過(guò)所設計的系統，礦井作業(yè)人員實(shí)現了對電能實(shí)驗數據的實(shí)時(shí)自動(dòng)統計，不僅提升了技術(shù)人員對設備運行狀況的掌握、了解程度，還降低了故障發(fā)生的概率，并能夠為故障發(fā)生后的有效處置提供指導。此外，基于煤礦節能降耗的綜合考慮，系統可以自行對電能進(jìn)行井下調控，從而實(shí)現對電能使用的優(yōu)化調控[5-6]。

4 實(shí)踐分析

      A 礦自井下電能管理系統投入運行以來(lái)，對礦井生產(chǎn)作業(yè)中的電能及其消耗情況進(jìn)行了直觀(guān)的觀(guān)測、了解，而且各類(lèi)用電設備的電氣故障發(fā)生概率顯著(zhù)降低，在大幅節約井下生產(chǎn)人力、物力的同時(shí)提升了能源使用效率，降低了運行成本。結合礦井以往生產(chǎn)電能消耗相關(guān)統計數據，電能管理系統投入運行后，A 礦年節約電費可超過(guò)百萬(wàn)元，節約電能超過(guò) 2.0×106 kW·h，同時(shí)還在一定程度降低了井下作業(yè)人員的勞動(dòng)強度，實(shí)現了綜合效益的顯著(zhù)提升。

5 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

5.1概述

      用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶(hù)端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統、需求側管理等課題。安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

5.2應用場(chǎng)所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

5.3系統結構

5.4系統功能

5.4.1

      實(shí)時(shí)監測系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

5.4.2電能統計報表

      系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護計量體系的正確性。

5.4.3詳細電參量查詢(xún)

      在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

5.4.4運行報表

      系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶(hù)要求導出PDF格式文件。

5.4.5變壓器運行監視

      系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

5.4.6實(shí)時(shí)報警

      系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

5.4.7歷史事件查詢(xún)

      系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

5.4.8電能質(zhì)量監測

      系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。

5.4.9遙控操作

      系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

5.4.10用戶(hù)權限管理

      系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.11通訊狀態(tài)圖

      系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

5.4.12視頻監控

      視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

5.4.13用戶(hù)報告

      用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析。

5.4.14 APP支持

      電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

5.5系統硬件配置清單

6結語(yǔ)

      此次研究所設計的電能管理系統不僅運行安全，而且高效、可靠，能夠實(shí)現長(cháng)時(shí)間的持續運行，還可對井下各個(gè)用電設備電能使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，發(fā)現異常情況及時(shí)發(fā)出預警，并且依據作業(yè)人員不同需求自動(dòng)生成相應的數據報表，大幅提升了供電管理質(zhì)量和用電監測有效性。此外，系統結合監測電氣設備各自不同的特色，對其在線(xiàn)監測數據進(jìn)行了針對性設計，從而確保了數據監測預警的針對性和準確性，為推動(dòng)礦井現代化發(fā)展提供了堅實(shí)保障。

【參考文獻】

[1]程衛綱.IDP 煤礦電能管理系統在礦山供電中的應用［J］.山西科技，2013，28(3)：64-66. 

[2]何海濤. 井下電能管理系統應用研究               

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2022.05版

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任安科瑞電氣股份有限公司，主要從事于電能管理系統的研發(fā)與應用。