韓 朝，楊再君，王懷志，楊偉光

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

煤礦企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，普遍地應(yīng)用大功率采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)與提升機(jī)等非線性負(fù)荷設(shè)備，產(chǎn)生大量的諧波污染電網(wǎng)[1]，導(dǎo)致煤礦系統(tǒng)缺少穩(wěn)定性，供電質(zhì)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(diào)研數(shù)據(jù)顯示，煤礦企業(yè)每年的總電費(fèi)支出約占總支出成本的6%～18.5%，因為供電質(zhì)量下降導(dǎo)致耗能嚴(yán)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(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償成為供電系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于SVG 補(bǔ)償設(shè)備和節(jié)能優(yōu)化控制已有較多研究成果[2-5]，比如文獻(xiàn)[5]針對新景礦洗煤廠進(jìn)行了電壓分析，認(rèn)為電壓跌落是系統(tǒng)故障、惡劣天氣和煤礦中感性大負(fù)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(bǔ)償裝置，實(shí)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(dá)0.96，提高了經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(xiàn)[7]運(yùn)用以太網(wǎng)，對礦井供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性進(jìn)行智能監(jiān)測和調(diào)整，采用光纖通信為保護(hù)系統(tǒng)服務(wù)，對煤礦井下的漏電、短路、越級跳閘進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(bǔ)償裝置對煤礦供電系統(tǒng)非線性負(fù)荷設(shè)備所帶的負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償，有效避免諧波危害和電能質(zhì)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(shí)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)智能化、可視化操作，從而實(shí)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(fù)載系統(tǒng)分為八大環(huán)節(jié)，分別為綜采環(huán)節(jié)、掘進(jìn)環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、提升環(huán)節(jié)、通風(fēng)環(huán)節(jié)、排水環(huán)節(jié)、壓風(fēng)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(jìn)線，設(shè)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(diǎn)、供電線路及負(fù)荷設(shè)備組成。該礦對地面變電站井下各采掘工作面未采取相應(yīng)的補(bǔ)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(shè)備與電源距離根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(fèi)，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(shè)備啟動困難。隨著采掘的深入，以及大量大功率非線性負(fù)荷設(shè)備的投入使用，產(chǎn)生大量諧波污染和無功損耗，導(dǎo)致變壓器帶負(fù)載能力不足，影響設(shè)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(jī)電設(shè)備故障率升高。大功率機(jī)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(fù)荷的正常運(yùn)行。

2 SVG 無功補(bǔ)償原理及方案設(shè)計

2.1 SVG 無功補(bǔ)償原理

在正常運(yùn)行時，SVG 起到的作用相當(dāng)于電壓型逆變器，在電路中負(fù)責(zé)控制電力半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流側(cè)電壓進(jìn)行逆變，形成與電網(wǎng)頻率相同的交流側(cè)輸出電壓。考慮電網(wǎng)損耗，等效于由電阻器串聯(lián)電阻承擔(dān)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(yùn)行模式，空載運(yùn)行模型、感性運(yùn)行模式和容性運(yùn)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(bǔ)償方案設(shè)計

根據(jù)無功補(bǔ)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(bǔ)償采煤機(jī)、裝載機(jī)、破碎機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備，由安裝在各采區(qū)絞車、皮帶機(jī)等負(fù)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(bǔ)償電流，調(diào)整IGBT 進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。

圖2 SVG 無功補(bǔ)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(fù)載進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)中的電壓電流，使負(fù)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(bǔ)償過程，此時開關(guān)KM1導(dǎo)通，開關(guān)KM2關(guān)斷，6 kV母線電流進(jìn)入SVG，為SVG 靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器電路充電。充電時間結(jié)束后，KM2開通，靜止無功發(fā)生器開始對煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行無功功率的測量與補(bǔ)償。如果想要SVG 停止運(yùn)行，可關(guān)閉開關(guān)KM1、KM2，即可關(guān)閉SVG，同時對外放電。速斷保護(hù)電路的電流闊值為400 A，當(dāng)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(hù)電路開始工作，保護(hù)SVG 電路不被燒毀。

3 SVG 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(shè)備及SVG 裝置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)分析結(jié)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(diǎn)，減少用電損耗，提高用電效率，達(dá)到節(jié)能增效的目的[9-10]。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過交換機(jī)上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對煤礦企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)視和控制，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Monitoring system structure diagram

主要設(shè)備作用如下：

（1）設(shè)備層

設(shè)備層由礦用多功能智能電度表和綜合節(jié)能裝置組成，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(wù)器、觸摸屏交互界面、基于以太網(wǎng)接口的IEC 104 協(xié)議轉(zhuǎn)換器等，能夠?qū)崟r采集煤礦井下各用電設(shè)備的電負(fù)荷數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控主機(jī)對煤礦井下用電負(fù)荷的實(shí)時監(jiān)測。

（3）應(yīng)用層

主機(jī)與從機(jī)通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備，共同執(zhí)行同一服務(wù)。正常工作狀態(tài)下，主機(jī)從設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生報警和事件信息；從機(jī)處于監(jiān)視狀態(tài)。一旦主機(jī)發(fā)生異常，從機(jī)可快速代替主機(jī)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(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測控制軟件，對獲取的設(shè)備層信息進(jìn)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(yuǎn)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(wù)流程，提高整體用電管理的運(yùn)營效率，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化管理，監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software structure diagram of monitoring system

SVG 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)如下：

（1）用戶管理界面可依據(jù)管理人員等級設(shè)置相應(yīng)訪問權(quán)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(shè)備運(yùn)行狀況，及時調(diào)整節(jié)能運(yùn)行策略；

（2）當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，通過驅(qū)動程序，引起實(shí)時數(shù)據(jù)庫中變量的變化。定期進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)備份管理，便于實(shí)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(shè)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(shè)備管理界面可直觀了解煤礦各環(huán)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀況，通過SVG 運(yùn)行時無功功率、功率因數(shù)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控SVG 無功補(bǔ)償效果；

（4）通過報表形式對不同監(jiān)測點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)煤礦節(jié)能需求，設(shè)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(shí)時地顯示各采區(qū)被控設(shè)備的運(yùn)行工況，以及相應(yīng)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(shí)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(yùn)行情況；

（6）通過報警管理實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)異常監(jiān)測與故障診斷。當(dāng)整個礦井各種負(fù)荷設(shè)備運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常，能夠及時報警提示，同時進(jìn)行及時分析診斷，并指導(dǎo)運(yùn)行人員到達(dá)優(yōu)化運(yùn)行現(xiàn)場，及時處理故障。

3.3 SVG 監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)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(shè)備運(yùn)行狀況，通過SVG 設(shè)備管理系統(tǒng)實(shí)時查看SVG 裝置運(yùn)行狀況，對各環(huán)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集分析。準(zhǔn)確記錄設(shè)備故障信息，實(shí)時計算設(shè)備累計發(fā)出無功功率和設(shè)備累計網(wǎng)側(cè)視在功率，實(shí)時顯示功率因數(shù)和網(wǎng)側(cè)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(nèi)工業(yè)控制機(jī)上運(yùn)行。通過SVG 的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時、明確地查看SVG 的各個參數(shù)，如線電流、線電壓的實(shí)時數(shù)值化及歷史曲線。同時具有網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)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(fù)位SVG 裝置，控制SVG 工作于無功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償、綜合補(bǔ)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(fù)載電流、SVG 補(bǔ)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(dāng)SVG 運(yùn)行時，冷卻系統(tǒng)必須投入運(yùn)行，點(diǎn)擊水冷詳情按鈕，進(jìn)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(yán)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(jié)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(bǔ)償原理的基礎(chǔ)上，確定了采用礦用隔爆SVG 對煤礦配電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償方案，并使用組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)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(bǔ)償，有效解決了煤礦大功率非線性負(fù)荷導(dǎo)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(shí)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。