煤矿供电质量评价方法研究和软件开发与应用

闫亚恒

（潞安集团电力中心，山西 长治 046000）

随着煤矿现代化和信息自动化的高速发展，煤矿供电系统中各类整流器、交直流换流设备、电子电压调整设备越来越多，导致电网中非线性负荷也越来越多，煤矿电网中谐波日益严重，对供电环境造成很大的污染。除了这些设备外，目前煤矿中使用采煤机、掘进机、带式输送机、提升机等设备的功率也越来越大。这类大功率、长时间运行的设备会造成电网电压波动，给煤矿供电系统带来不可忽视的影响。要准确、有效地解决供电质量问题，需要对供电质量进行评价和分析。

1 煤矿供电质量评价指标的选择

在实际的煤矿供电网络电能质量评价体系中，指标的选择不是越多越好，也不是越少越好，而是要科学、系统、实用、有针对性。因此，结合煤矿实际和指标内涵，在电压指标、电流指标、功率因素三个大的方面以外，又选择了具体的指标。

（1）电压偏差。电压偏差是衡量煤矿供电系统电能质量的一个重要参数。电压偏差过大，会减弱设备的运行性能，降低运行效率，严重时可能导致设备无法运行，甚至损坏设备，从而影响煤炭的正常、安全、高效开采，给煤炭企业带来直接的损失。

（2）电压谐波。谐波会导致煤矿供电网络功率损耗增大，还有可能对并联电容器、电缆、变压器等电气设备产生损害。有研究表明，如果谐波电压总畸变达10%～20%，就可能在很短时间内导致电动机损坏。此外，谐波还可能造成保护装置功能失效，严重的话可能造成大面积停电，给煤矿通风、排水等带来重大影响，影响煤炭安全、高效生产。因此，谐波电压可以作为评估电能质量的重要指标之一。

（3）电流总畸变率。目前，国际上用电流总畸变率（TDD）来衡量电流质量，这样既考虑了负载电流较小的情况，也方便测量和计算。

（4）五次谐波电流。在煤矿机械设备中，有很多采用了变频调速装置，这就导致煤矿电网中含有大量五次谐波电流。五次谐波电流会导致设备电机发热和振动，给设备的安全生产带来影响，造成威胁。同时，五次谐波电流会导致负序电流的保护装置发生误动作，影响电网的安全运行。

（5）功率因数。其体现的是供电网络运行中，对视在功率的有效利用率，是评价电能利用情况的一个重要指标，同时还能对设备的使用和事故可能进行间接的评价。

针对煤矿供电系统而言，电流指标可以针对变压器低压侧、下井回路、通风回路、提升回路等。

2 煤矿供电质量评价体系研究

层次分析法（Analytic Hierarchy Process）是既包含定性分析，又通过定量分析将主观的判断转化为数值性的客观评价的一种决策方法。通过建立对比标度，对单一准则层下的指标进行两两对比构建判断矩阵（列表），能够将无形指标的测量转化为有形的判断指标，从而得到更加准确、客观、科学的评价结果。因此，层次分析法在对多指标系统的评价中，使用非常广泛。

2.1 煤矿供电质量评价体系的建立

根据前文对影响煤矿供电质量的指标的确定，建立煤矿供电质量评价体系，结构示意图如图1所示。

2.2 煤矿供电质量评价体系的分析

根据判断矩阵的构建方法、煤矿实际以及通过与一线技术人员的沟通，建立图2所示评价体系的A-B层和B1-C层、B2-C层判断矩阵如下所示：

（1）A-B层判断矩阵

（2）B1-C层判断矩阵

（3）B2-C层判断矩阵

通过计算单一准则特征向量可以得出各个因素的权重大小，也可以得出各因素在体系中的总权重。利用MATLAB软件可以计算各个矩阵的特征向量，结果如下：

从上述权重结果可以看出：

（1）在A-B层中，电压指标（B1）所占的权重最大，说明电压质量好坏对于煤矿系统电能质量评价的影响非常大，是重点监测和改善的指标；电流指标（B2）的权重大于功率因数（B3），这是由于规程中对煤矿功率因数有规定，要求大于0.9，因此一般功率因数都符合规定。

（2）在B1-C层中，电压偏差（c1）所占权重最大，在B1层中是影响最大的因素。在B2-C层中，变压器低压侧电流总畸变率（c4）所占权重最大，在B2层中是影响最大的因素。

由权重总排序可以看出各指标对整个煤矿供电系统电能质量影响的程度大小。其中，影响程度前五名的，按顺序分别为电压偏差、五次谐波电压、功率因数，变压器低压侧电流总畸变率和电压畸变率。说明以上因素是影响煤矿供电系统电能质量的主要指标，在实际的监测和运行中也应重点注意这几个方面。

图1 煤矿供电质量性评价体系结构示意图

3 煤矿供电质量综合评价方法

通过查阅文献并根据煤矿实际需要，将各个指标的等级划分为优秀、良好、合格、不合格四个大类，每个参数的划分标准如下表1所示。

可以对现场测得的数据按照上表的划分进行判断，为了得到定量的评价结果，还要为每个不同等级赋予分数，其中优秀为5分，良好为3分，合格为1分，不合格为0分。按照层次分析法计算方法，对整个系统中打分评价，评价结果也分为优秀（4分～5分）、良好（3分～4分），合格（2分～3分），不合格（2分以下）。

表1 煤矿供电系统供电质量各因素的评价标准划分

综合评价结果的计算如下式（1）所示。

式中：

F-煤矿供电系统电能质量评价结果；

P-因素C1、C2……C12的得分矩阵；

pk-分数。

4 煤矿供电质量综合评价方法实践

4.1 测点布置

以潞安集团为例，对前面所构建的煤矿供电网络电能质量评价体系进行实践。选择五阳煤矿35kV变电所作为测试对象，该变电所是整个供电网络的枢纽，负责矿井生产和生活用电需求。系统有两条进线，通过两台变压器降压到6kV后为煤矿电网供电。主接线为单母线分段方式，母线分段分别供给井下中央变电所、通风机房、提升机房等。具体结构示意图如图2所示。

图2 供电系统与测点布置示意图

4.2 测试结果

现场实测功率因数为0.92，其余各指标的具体数据如下表2和3所示。

根据前述评价标准，结合权重计算结果，最终可得供电质量评价结果为：F=3.08。

表2 电压指标的具体数据

表3 电流指标的具体数据

因此，该煤矿供电系统电能质量评价结果为良好，但是部分指标得分较低，需要查明原因进行改进。

5 煤矿供电质量综合评价软件开发

以Visual Basic编程语言为基础，研究开发了煤矿供电系统电能质量评价软件。

5.1 软件界面

图3 软件界面示意图

5.2 软件运行

仍然以五阳煤矿35kV变电所实测情况为例（数据如表2和表3），在软件中进行相应的选择，并点击“综合评价”，得到评价结果。选择与评价结果如图4所示。

图4 软件运行结果示意图

6 结语

本文对煤矿供电系统的评价体系和评价方法进行了研究。

（1）在层次分析理论基础上，建立了由三个中间层和十一个评价指标组成的评价体系，并对这个体系构建了判断矩阵，求得了各个因素的单一权重和总权重。对各个指标进行了等级划分，并建立了这个系统的打分评价方法。根据权重值和评分方法，可以得到综合的电能质量评价结果。

（2）为了简化计算，方便现场使用，开发了相应的评价软件。通过实践可知，软件运行正常，提高了供电质量评价的效率。