王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：長期以來，煤礦生產(chǎn)管理中對能耗的管理相對粗放，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，針對礦井井下電能管理系統(tǒng)的應用進行研究分析。結(jié)合具體工程實際，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，并對其實際應用效果進行總結(jié)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(guān)鍵詞：礦井；電能管理系統(tǒng)；上位機；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)中各類電氣故障時有發(fā)生，制約了礦井生產(chǎn)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(jié)合經(jīng)驗，立足礦井實際，研究設(shè)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(zhì)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(zhì)量，進一步提高礦井的現(xiàn)代化水平。
1 系統(tǒng)構(gòu)成分析
此次設(shè)計的電能管理系統(tǒng)選用兩級網(wǎng)絡控制結(jié)構(gòu)，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(shè)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(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、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(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)軟件實現(xiàn)對井下電能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的采集，并通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析判定，設(shè)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(shè)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(guān)鍵技術(shù)分析
a) 電能管理系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮了A礦井下實際用電設(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)場總線工藝，控制結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)對設(shè)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(shù)，實時獲取現(xiàn)場施工中各個用電設(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(shè)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(nèi)設(shè)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(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)測中心通過監(jiān)測裝置實現(xiàn)對井下設(shè)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(shè)計的電能管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下生產(chǎn)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(shè)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(gòu)建起井下用電資料庫，綜合匯集整理用電設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)人員對設(shè)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(diào)控，從而實現(xiàn)對電能使用的優(yōu)化調(diào)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(chǎn)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(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、物力的同時提升了能源使用效率，降低了運行成本。結(jié)合礦井以往生產(chǎn)電能消耗相關(guān)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(gòu)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(shè)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(nèi)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(cè)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(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)
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(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(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(nèi)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)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘?，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)、規(guī)定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?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、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?qū)b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(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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(guān)、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(quán)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(nèi)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(gòu)及保護保測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)授權(quán)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(quán)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(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)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(shè)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(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)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(nèi)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(shè)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(zhì)量、各種事件報警查詢，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)計的電能管理系統(tǒng)不僅運行安全，而且高效、可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的持續(xù)運行，還可對井下各個用電設(shè)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(zhì)量和用電監(jiān)測有效性。此外，系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)測電氣設(shè)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(shè)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】
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