基于GUI环境的煤矿电能质量在线监测平台的开发

任 远

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100)

0 引言

由于煤矿中的抽水泵、升调机、采煤机和变频器等机器会给煤矿供电系统带来电流畸变、电压骤降、电压闪变以及谐波污染等问题，严重威胁着煤矿的安全生产[1]。现阶段随着智能电网的建设，电能质量的全面监测成为智能电网快速发展的基础。文献[2]中指出在未来智能电网的发展中，对电力系统的不间断监测方式已成为一种趋势。但是现有的电能质量监测系统主要为智能电网中的应用，缺少在煤矿这种特殊环境中的研究。文献[3]中提出了一种采用主观权重法对煤矿电能质量进行评价，建立起包括电压偏差等指标在内的评价体系，但是该方法主观因素较重，且该评价体系相对复杂。文献[4]中不仅对各个指标设置了独有的权重值，而且设置了一套打分评价方案，最终综合评价电能质量指标评价结果，但是该方法只适用于简单环境下的应用，具有一定的局限性。

综合以上，本文在国内标准的基础上，提出了一种煤矿电能质量综合评估体系，并基于GUI环境开发了一款针对煤矿的现代电能质量监测平台。平台中实现了大数据分析与处理，为煤矿供电系统电能质量监测提供了新的发展思路。

1 煤矿供电系统电能质量

煤矿供电作为一种特殊的供电方式，科学严格地定义电能质量指标与标准对于煤矿的生产尤为重要。其中电能质量指标包括电压、频率以及谐波等。

1.1 电能质量指标

1.1.1 电压偏差

在对电压进行检测时，常以电压偏差作为指标，其计算公式为：

(1)

其中：Ureal为系统实际运行电压；UN为系统的标称电压。

在CB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》中规定：对于35 kV及以上的系统中电压偏差不超过±10%；对于10 kV及以下的系统中允许三相电压偏差为额定电压的±7%；对于220 V单相供电系统中允许电压偏差为-10%～7%。

由于在煤矿供电系统中，电压偏差对煤矿照明设备、采煤机以及运输皮带等设备的影响尤为重要，因此电压偏差是煤矿供电系统研究中非常重要的一项电能指标。

1.1.2 频率偏差

电机正常运转与系统频率密切相关，频率稳定对于煤矿中的精密设备具有重要意义。在GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率偏差》中规定：根据系统容量划定允许频率偏差为±2%，当系统容量较小时，可允许偏差达到±5%。频率偏差的计算公式为：

Δf=freal-fN.

(2)

其中：freal为系统实际运行频率；fN为系统的标称频率。

1.1.3 谐波畸变率

通风机、排水泵等设备中的变频器会给系统带来谐波污染，通常使用电压(电流)畸变率来表示谐波，其计算公式为：

(3)

其中：Ui为第i次谐波电压有效值；U1为基波电压有效值。

表1列出了不同等级电压电网中THDU以及各次谐波电压含有率限制指标。

1.2 电能质量分析方法

1.2.1 时域检测

在时域中，运行电压或者频率通过终端监测仪实时记录。电压测量时对于a级性能的监测仪可选择3 s、1 min、10 min或2 h计算时间内10周波的电压有效值的平均值，对于b级性能的监测仪经常使用1 min或10 min的时间长度。而频率测量可采用数字式自动仪表记录。

表1 不同等级电压电网谐波限制

1.2.2 频域检测

在频域中为分析谐波分量，可采用小波包变换对谐波进行检测，通过比较小波包重构后各系数信号与原始信号基波分量，证明小波包变换能够检测到信号中的谐波分量。

2 电能质量综合评估体系

由于煤矿特殊的工作环境，考虑不同煤矿的建设规模和用户需求，以及经济性在内的各种因素，建立了煤矿多场景的综合评估体系，更贴近于实际情况。

2.1 基于质量指标的聚类分析

基于质量指标的聚类分析法是指通过分析样本数据间的关联性进行聚类处理，但是由于实际井下和地面工作情况复杂多变，聚类处理表现出明显的乏力，所以该方法仅适用于简单场所和需求不大的场景中。

聚类算法的基本步骤如下：

(1) 选择k个测量样本数据作为初始聚类中心。

(2) 计算每个聚类指标到聚类中心的距离，根据距离属性将每个聚类指标划分到距离最小的簇中。

(3) 改变每个簇的聚类中心。

(4) 计算每个簇中测量样本的平方误差，当本次计算的平方误差与上一次计算结果的绝对值误差小于设定值时，聚类过程结束，否则继续循环下去。

2.2 模糊专家评价分析

模糊专家评价法首先需要定义规则，由专家根据规则进行模糊评价。该方法适用于井下复杂的工况，适用范围广，但是需要依赖专家经验，所以建立综合有效的专家经验库是该方法的核心。

2.2.1 模糊评价流程

(1) 建立输入向量集合P=(P1,P2,P3,…，Pn)、评价等级集合Q=(Q1,Q2,Q3,…，Qm)以及评价集合C，其中C的评价矩阵为：

(4)

其中：cnm为第n个输入向量Pn关于第m个评价等级Qm的隶属程度。

(2) 建立由(P，Q，C)组成的综合模糊评价模型。

(3) 建立输出向量μ=(μ1,μ2,μ3,…)作为动作指令，完成动作机构调整。

2.2.2 隶属度函数

从实际情况来看，测量值具有非线性特点，因此采用非线性分布的函数建立隶属度函数更加符合实际情况。为了方便设计，将电能质量大致分为三个评价等级，包括优质、一般和较差，并通过柯西型函数建立电能质量的综合评价隶属度函数库。

(1) 电能质量优质时：

(5)

(2) 电能质量一般时：

(6)

其中：α>0；β为正偶数。

(3) 电能质量较差时：

(7)

其中：n=1，2，3，4；α、β>0。

3 煤矿电能质量监测系统设计

3.1 系统结构

煤矿电能质量监测系统结构框图如图1所示。该系统采用三级联动，高效完成监测任务。首先通过终端监测单元将各煤矿变电站监测点数据通过通信服务系统传输到中端数据存储系统中进行处理，最终将处理后的数据上传到在线监测分析平台中显示，后台可通过编程优化显示界面。该系统中各单元系统的功能如下：

(1) 终端监测单元：在监测站中分级监测，分别完成10台～20台、20台～50台、50台～60台的分级数据采集，并通过无线通信技术传送到数据库中备份处理。

(2) 数据存储系统：作为整个系统的核心，承担着数据交换和数据分析处理的任务。在本文设计中，专门设置了数据存储和数据共享功能。数据库支持MSSQL等数据库服务，并且为防止数据服务中心崩溃设置了一组冗余单元，实现了系统的可靠性。

(3) 通信服务系统：采用先进的无线通信技术为整个系统提供软服务，将数据打包上传到各单元中。

(4) 在线监测分析平台：基于MATLAB GUI，依靠后台编程，显示实时的三相电压、三相电流、三相功率以及频率测量值和偏差计算结果，并且可根据用户需求调取相应的三相电压曲线图。

图1 煤矿电能质量监测系统结构框图

3.2 在线监测平台开发

MATLAB GUI是一种人机交互界面设计技术，它包括两部分文件，M文件和FIG文件[5]。系统通过后台在M文件中编辑电能质量综合评价体系，并将实时结果显示在FIG文件中。相比其他可视化技术，GUI具有简化设计、兼容性好、为使用者提供了管理全局数据的途径等优点。

图2为在线监测平台界面，从界面中可以看出，

本文的设计可实时显示电能质量指标和图形，为方便用户操作，可随时启动和中断系统运行。

图2 在线监测平台界面

4 结论

煤矿供电系统电能质量关乎煤矿的安全生产。本

文首先基于国家标准重点介绍了电压偏差、频率偏差和谐波三个质量指标，建立了在简单系统中使用基于质量指标的聚类分析和在复杂系统中使用模糊专家评价分析法的综合评价体系，并基于GUI环境开发了一款煤矿电能质量在线监测平台，实现了煤矿供电系统电能质量分析和数据共享。该系统解决了煤矿中电能质量无法全面检测的问题，后期通过进一步的完善具有一定的推广作用。