胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  

摘要：長期以來，煤礦生產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(tǒng)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安全。以此為出發(fā)點，針對礦井井下電能管理系統(tǒng)的應用進行研究分析。結合具體工程實際，在分析電能管理系統(tǒng)構成的基礎上，逐一探究其關鍵技術和系統(tǒng)功能，并對其實際應用效果進行總結分析，希望能夠為其他礦井相似工程的開展提供借鑒與參考。

關鍵詞：礦井；電能管理系統(tǒng)；上位機；能耗質量

0引言

      A礦為2000年建成投產的現(xiàn)代化礦井，設計生產能力為2.50x106t/a。近些年，隨著礦井開采深度的不斷增加，回采作業(yè)條件不斷惡化，井下生產中所需的各類用電設備的數(shù)量不斷增加的同時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，生產作業(yè)中各類電氣故障時有發(fā)生，制約了礦井生產力。針對此類問題，為了有效降低礦井運行能耗，實現(xiàn)能源優(yōu)化管理，A 礦結合經驗，立足礦井實際，研究設計了一套應用于井下的電能管理系統(tǒng)，在致力于提升礦井能耗質量的同時，增強對電能使用的實時監(jiān)控，從而提升礦井電能控制質量，進一步提高礦井的現(xiàn)代化水平。

1 系統(tǒng)構成分析

      此次設計的電能管理系統(tǒng)選用兩級網(wǎng)絡控制結構，借助冗余工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)控中心 PC機對井下作業(yè)現(xiàn)場各個設備的網(wǎng)絡監(jiān)控，同時，借助現(xiàn)場總線工藝實現(xiàn)對各個職能電表的集中監(jiān)控管理。整個系統(tǒng)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(tǒng)硬件部分主要包括系統(tǒng)主機、交換機、隔爆兼本安型電能監(jiān)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(jiān)測和通訊分站屬于硬件系統(tǒng)的核心組件，構成部分包括光纖收發(fā)裝置、MCGS 觸摸屏 （TPC7062K）、多路串口通訊服務裝置、RS232 型轉換裝置和可編程控制裝置（PLC） 等[1-2]。

圖1系統(tǒng)構成示意圖

1.2 軟件構成

      系統(tǒng)軟件部分是借助MCGS 組態(tài)軟件實現(xiàn)對井下電能設備能耗數(shù)據(jù)的采集，并通過對相關數(shù)據(jù)的分析判定，設計出相應的電能使用數(shù)據(jù)，以方便使用者實時查詢用電參數(shù)，并對歷史用電參數(shù)、用電曲線等進行查詢。此外，軟件通過監(jiān)測所得數(shù)據(jù)與預設數(shù)據(jù)的比對分析，能及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，并及時發(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(tǒng)分界面示意圖。

圖2 系統(tǒng)分界面示意圖

2 關鍵技術分析

      a) 電能管理系統(tǒng)在設計上充分考慮了A礦井下實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(xiàn)場總線工藝，控制結構選用兩級網(wǎng)絡控制。其中，上層網(wǎng)絡運用冗余工業(yè)以太網(wǎng)（基于TCP/IP 協(xié)議的交換機組網(wǎng)）實現(xiàn)監(jiān)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(jiān)測中心借助 PC 機實時監(jiān)控井下作業(yè)現(xiàn)場設備的運行情況；下層網(wǎng)絡運用現(xiàn)場總線（基于EDC3300電表的通訊協(xié)議），實現(xiàn)TPC7062K 型下位機與現(xiàn)場測量裝置間的有效信息互通，以確保作業(yè)人員能夠通過觸摸屏實現(xiàn)對所對應分站的集中監(jiān)控。

      b) 上位機將PC機作為整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)控平臺，其核心功能是借助工業(yè)以太網(wǎng)對網(wǎng)絡地址進行針對性設置，進而與下位機（TPC7062K 型觸摸屏）開展有效的信息通訊，以實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效獲取。同時，借助 MCGS 通用型組態(tài)軟件，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對設備運行情況和系統(tǒng)參數(shù)的顯示、報警提示和查詢、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢、查詢數(shù)據(jù)打印等功能。

      c) 觸摸屏作為井下各監(jiān)測分站核心組件，主要功能是通過 EDC3300電表通訊技術，實時獲取現(xiàn)場施工中各個用電設備的電能使用情況，并借助MCGS嵌入式組態(tài)軟件將獲取的各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示在分站觸摸顯示屏上。

      d) 井下監(jiān)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(xiàn)場的電能使用參數(shù)進行實時收集、處理，并借助 RS-485 接口與 EDC330電表內設的十六進制協(xié)議，實現(xiàn)與觸摸屏的實時通訊，同時還可借助分布全礦的以太網(wǎng)與地面監(jiān)測中心進行實時的信息交換。

      e) 地面監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測中心通過監(jiān)測裝置實現(xiàn)對井下設備運行狀況的實時監(jiān)測和管控[4]。

3 系統(tǒng)功能分析

      所設計的電能管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對井下生產作業(yè)中電能使用的全過程管理，同時，記錄各個作業(yè)環(huán)節(jié)及相應用電設備的電能能耗狀況。此外，通過隔爆兼本安型電能監(jiān)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(shù)據(jù)，使其成為對實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)人員實時查詢各用電設備能耗的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，還能夠通過數(shù)據(jù)比對分析，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，發(fā)出預警信息，避免安全事故的發(fā)生。通過所設計的系統(tǒng)，礦井作業(yè)人員實現(xiàn)了對電能實驗數(shù)據(jù)的實時自動統(tǒng)計，不僅提升了技術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(jié)能降耗的綜合考慮，系統(tǒng)可以自行對電能進行井下調控，從而實現(xiàn)對電能使用的優(yōu)化調控[5-6]。

4 實踐分析

      A 礦自井下電能管理系統(tǒng)投入運行以來，對礦井生產作業(yè)中的電能及其消耗情況進行了直觀的觀測、了解，而且各類用電設備的電氣故障發(fā)生概率顯著降低，在大幅節(jié)約井下生產人力、物力的同時提升了能源使用效率，降低了運行成本。結合礦井以往生產電能消耗相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電能管理系統(tǒng)投入運行后，A 礦年節(jié)約電費可超過百萬元，節(jié)約電能超過 2.0×106 kW·h，同時還在一定程度降低了井下作業(yè)人員的勞動強度，實現(xiàn)了綜合效益的顯著提升。

5 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

5.1概述

      用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側管理等課題。安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)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，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結構

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1

      實時監(jiān)測系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

5.4.2電能統(tǒng)計報表

      系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)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

      在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，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、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

5.4.4運行報表

      系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

5.4.5變壓器運行監(jiān)視

      系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、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掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

5.4.6實時報警

      系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

5.4.7歷史事件查詢

      系統(tǒng)能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.4.8電能質量監(jiān)測

      系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、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(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

5.4.9遙控操作

      系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)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(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)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用戶權限管理

      系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)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(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動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時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5.4.12視頻監(jiān)控

      視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

5.4.13用戶報告

      用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

5.4.14 APP支持

      電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“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、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5系統(tǒng)硬件配置清單

6結語

      此次研究所設計的電能管理系統(tǒng)不僅運行安全，而且高效、可靠，能夠實現(xiàn)長時間的持續(xù)運行，還可對井下各個用電設備電能使用情況進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況及時發(fā)出預警，并且依據(jù)作業(yè)人員不同需求自動生成相應的數(shù)據(jù)報表，大幅提升了供電管理質量和用電監(jiān)測有效性。此外，系統(tǒng)結合監(jiān)測電氣設備各自不同的特色，對其在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了針對性設計，從而確保了數(shù)據(jù)監(jiān)測預警的針對性和準確性，為推動礦井現(xiàn)代化發(fā)展提供了堅實保障。

【參考文獻】

[1]程衛(wèi)綱.IDP 煤礦電能管理系統(tǒng)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(tǒng)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