摘要：長期以來，煤礦生產(chǎn)管理中對(duì)能耗的管理相對(duì)粗放，井下電氣設(shè)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(chǎn)安全。以此為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)礦井井下電能管理系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究分析。結(jié)合具體工程實(shí)際，在分析電能管理系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，逐一探究其關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)功能，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)分析，希望能夠?yàn)槠渌V井相似工程的開展提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：礦井；電能管理系統(tǒng)；上位機(jī)；能耗質(zhì)量

0引言

      A礦為2000年建成投產(chǎn)的現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(chǎn)中所需的各類用電設(shè)備的數(shù)量不斷增加的同時(shí)分布范圍也不斷擴(kuò)大，使得井下電能的集中管理難度大幅增加，生產(chǎn)作業(yè)中各類電氣故障時(shí)有發(fā)生，制約了礦井生產(chǎn)力。針對(duì)此類問題，為了有效降低礦井運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化管理，A 礦結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，立足礦井實(shí)際，研究設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于井下的電能管理系統(tǒng)，在致力于提升礦井能耗質(zhì)量的同時(shí)，增強(qiáng)對(duì)電能使用的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提升礦井電能控制質(zhì)量，進(jìn)一步提高礦井的現(xiàn)代化水平。

1 系統(tǒng)構(gòu)成分析

      此次設(shè)計(jì)的電能管理系統(tǒng)選用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，借助冗余工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心 PC機(jī)對(duì)井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，同時(shí)，借助現(xiàn)場(chǎng)總線工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)職能電表的集中監(jiān)控管理。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成大體可分為硬件部分和軟件部分兩大塊。

1.1 硬件構(gòu)成

      系統(tǒng)硬件部分主要包括系統(tǒng)主機(jī)、交換機(jī)、隔爆兼本安型電能監(jiān)測(cè)和通訊分站、隔爆型智能電度表等構(gòu)成組件，其構(gòu)成如圖1所示。其中，隔爆兼本安型電能監(jiān)測(cè)和通訊分站屬于硬件系統(tǒng)的核心組件，構(gòu)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(zhuǎn)換裝置和可編程控制裝置（PLC） 等[1-2]。

圖1系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.2 軟件構(gòu)成

      系統(tǒng)軟件部分是借助MCGS 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)井下電能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的采集，并通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析判定，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電能使用數(shù)據(jù)，以方便使用者實(shí)時(shí)查詢用電參數(shù)，并對(duì)歷史用電參數(shù)、用電曲線等進(jìn)行查詢。此外，軟件通過監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，從而避免安全隱患對(duì)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(guān)鍵技術(shù)分析

      a) 電能管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了A礦井下實(shí)際用電設(shè)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(chǎng)總線工藝，控制結(jié)構(gòu)選用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制。其中，上層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用冗余工業(yè)以太網(wǎng)（基于TCP/IP 協(xié)議的交換機(jī)組網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)（PC 機(jī)）與井下下位機(jī)（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(cè)中心借助 PC 機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況；下層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線（基于EDC3300電表的通訊協(xié)議），實(shí)現(xiàn)TPC7062K 型下位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)所對(duì)應(yīng)分站的集中監(jiān)控。

      b) 上位機(jī)將PC機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)，其核心功能是借助工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置，進(jìn)而與下位機(jī)（TPC7062K 型觸摸屏）開展有效的信息通訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的有效獲取。同時(shí)，借助 MCGS 通用型組態(tài)軟件，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況和系統(tǒng)參數(shù)的顯示、報(bào)警提示和查詢、實(shí)時(shí)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(cè)分站核心組件，主要功能是通過 EDC3300電表通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)施工中各個(gè)用電設(shè)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(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在分站觸摸顯示屏上。

      d) 井下監(jiān)測(cè)分站作為井下各用電設(shè)備控制管理的核心組件，其核心功能是對(duì)井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電能使用參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集、處理，并借助 RS-485 接口與 EDC330電表內(nèi)設(shè)的十六進(jìn)制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)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(jiān)測(cè)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交換。

      e) 地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套有上位機(jī)組態(tài)設(shè)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(cè)中心通過監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管控[4]。

3 系統(tǒng)功能分析

      所設(shè)計(jì)的電能管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下生產(chǎn)作業(yè)中電能使用的全過程管理，同時(shí)，記錄各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)及相應(yīng)用電設(shè)備的電能能耗狀況。此外，通過隔爆兼本安型電能監(jiān)測(cè)裝置與通訊分站的配合構(gòu)建起井下用電資料庫，綜合匯集整理用電設(shè)備的各項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，使其成為對(duì)實(shí)際工作具有良好指導(dǎo)意義的信息。這樣，不僅能夠便于作業(yè)人員實(shí)時(shí)查詢各用電設(shè)備能耗的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，還能夠通過數(shù)據(jù)比對(duì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，發(fā)出預(yù)警信息，避免安全事故的發(fā)生。通過所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，礦井作業(yè)人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，不僅提升了技術(shù)人員對(duì)設(shè)備運(yùn)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?yàn)楣收习l(fā)生后的有效處置提供指導(dǎo)。此外，基于煤礦節(jié)能降耗的綜合考慮，系統(tǒng)可以自行對(duì)電能進(jìn)行井下調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能使用的優(yōu)化調(diào)控[5-6]。

4 實(shí)踐分析

      A 礦自井下電能管理系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，對(duì)礦井生產(chǎn)作業(yè)中的電能及其消耗情況進(jìn)行了直觀的觀測(cè)、了解，而且各類用電設(shè)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(chǎn)人力、物力的同時(shí)提升了能源使用效率，降低了運(yùn)行成本。結(jié)合礦井以往生產(chǎn)電能消耗相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電能管理系統(tǒng)投入運(yùn)行后，A 礦年節(jié)約電費(fèi)可超過百萬元，節(jié)約電能超過 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(qiáng)度，實(shí)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(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，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(xiàng)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(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應(yīng)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(jī)構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場(chǎng)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(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1

      實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

5.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

      系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(hù)計(jì)量體系的正確性。

5.4.3詳細(xì)電參量查詢

      在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)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(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

5.4.4運(yùn)行報(bào)表

      系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)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(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

5.4.5變壓器運(yùn)行監(jiān)視

      系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

5.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警

      系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)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?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

      系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)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(shí)采取相應(yīng)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(cè)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(duì)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

5.4.10用戶權(quán)限管理

      系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、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(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)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(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.4.12視頻監(jiān)控

      視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

5.4.13用戶報(bào)告

      用戶報(bào)告頁面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

5.4.14 APP支持

      電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“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(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)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(jié)語

      此次研究所設(shè)計(jì)的電能管理系統(tǒng)不僅運(yùn)行安全，而且高效、可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間的持續(xù)運(yùn)行，還可對(duì)井下各個(gè)用電設(shè)備電能使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)發(fā)出預(yù)警，并且依據(jù)作業(yè)人員不同需求自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，大幅提升了供電管理質(zhì)量和用電監(jiān)測(cè)有效性。此外，系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備各自不同的特色，對(duì)其在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，從而確保了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警的針對(duì)性和準(zhǔn)確性，為推動(dòng)礦井現(xiàn)代化發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)保障。

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