基于SVG 的煤矿供电节能监控系统设计

韩 朝，杨再君，王怀志，杨伟光

（1.兖矿能源集团股份有限公司鲍店煤矿，济宁 273513；2.青岛科技大学 自动化与电子工程学院，青岛 266061）

煤矿企业为了提高生产效率，普遍地应用大功率采煤机、掘进机与提升机等非线性负荷设备，产生大量的谐波污染电网[1]，导致煤矿系统缺少稳定性，供电质量下降，煤矿供电系统电能损耗随之大幅度增长。据煤矿调研数据显示，煤矿企业每年的总电费支出约占总支出成本的6%～18.5%，因为供电质量下降导致耗能严重，在一定程度上制约了煤矿产业的可持续发展，因此采取有效措施，针对煤矿配电网实现谐波治理和无功补偿成为供电系统节能优化关键。

近年来，国内外学者对于SVG 补偿设备和节能优化控制已有较多研究成果[2-5]，比如文献[5]针对新景矿洗煤厂进行了电压分析，认为电压跌落是系统故障、恶劣天气和煤矿中感性大负荷突然启停造成的，根据新景矿选煤厂无功缺量和现场情况，提出抑制压降措施，安装静止无功补偿装置，实验后新景矿选煤厂电压畸变率由1.42%降为1.0%，功率因数达0.96，提高了经济效益。随着采煤工艺和煤矿节能方面的需求增加，通过监控系统对煤矿企业的电能损耗进行合理优化控制[6-7]，有利于提升煤矿系统的供电安全性。文献[7]运用以太网，对矿井供电系统的供电稳定性进行智能监测和调整，采用光纤通信为保护系统服务，对煤矿井下的漏电、短路、越级跳闸进行检测。目前对于整个供电系统节能优化方面仍需进一步探索，充分挖掘供电系统的电耗能损下降原因，采用适当手段对煤矿供电系统全局节能优化控制具有重要意义。

本文通过矿用隔爆SVG 动态无功补偿装置对煤矿供电系统非线性负荷设备所带的负荷进行无功补偿，有效避免谐波危害和电能质量问题的产生，同时降低供电系统谐波和无功损耗；并通过组态网开发监控节能平台，实现煤矿供电系统智能化、可视化操作，从而实现节能的目的。

1 煤矿供电系统现状分析

山东某煤矿供电系统的负载系统分为八大环节，分别为综采环节、掘进环节、运输环节、提升环节、通风环节、排水环节、压风环节和选煤环节。

该矿的供电电源来自外部220 kV 变电所进线，设有地上35 kV 变电所，并经由主副变压器向井下输出6 kV 配电电压。井下供电系统由井下中央变电所、采区变电所、工作面配电点、供电线路及负荷设备组成。该矿对地面变电站井下各采掘工作面未采取相应的补偿措施，造成的供电难题主要包括[8]：

（1）长距离供电造成功率因数过低。井下用电设备与电源距离根据现场实际测量及统计分析，井下线路功率因数过低，长距离供电将造成大量的电力损耗浪费，同时，煤矿供电系统电能损耗居高不下；

（2）供电电压不足，设备启动困难。随着采掘的深入，以及大量大功率非线性负荷设备的投入使用，产生大量谐波污染和无功损耗，导致变压器带负载能力不足，影响设备的使用，使生产的持续性和稳定性受到影响；

（3）供电系统安全稳定性受到威胁，机电设备故障率升高。大功率机组在启动/停止瞬间输出无功功率，冲击电网，造成供电系统电压闪变，增加了电能输送损耗，不利于其他用电负荷的正常运行。

2 SVG 无功补偿原理及方案设计

2.1 SVG 无功补偿原理

在正常运行时，SVG 起到的作用相当于电压型逆变器，在电路中负责控制电力半导体开关的导通与关断，将直流侧电压进行逆变，形成与电网频率相同的交流侧输出电压。考虑电网损耗，等效于由电阻器串联电阻承担这部分损耗，SVG 单相等效电路如图1 所示。

图1 SVG 单相等效电路图Fig.1 Single phase equivalent circuit diagram of SVG

由图1 可知：

SVG 有3 种运行模式，空载运行模型、感性运行模式和容性运行模式，如表1 所示。

表1 SVG 工作情况Tab.1 Work status of SVG

2.2 SVG 无功补偿方案设计

根据无功补偿原理，将矿用隔爆SVG 经电抗并联到煤矿井下-430 m 的变电站供电系统中，位置如图2 所示，用于补偿采煤机、装载机、破碎机以及运输机等设备，由安装在各采区绞车、皮带机等负荷的电表采集电流信息，控制芯片根据煤矿各处采集到的数据，使用优化算法分析整个矿区所需的补偿电流，调整IGBT 进行动态补偿。

图2 SVG 无功补偿位置电气图Fig.2 Reactive power compensation location of SVG

煤矿供电系统母线为6 kV，SVG 的作用是对各个大功率负载进行动态无功补偿，调节供电系统中的电压电流，使负载工作在安全阈值中，降低损耗。SVG 的工作流程为：将SVG 通电后，SVG 开始无功补偿过程，此时开关KM1导通，开关KM2关断，6 kV母线电流进入SVG，为SVG 静止无功补偿发生器电路充电。充电时间结束后，KM2开通，静止无功发生器开始对煤矿供电系统进行无功功率的测量与补偿。如果想要SVG 停止运行，可关闭开关KM1、KM2，即可关闭SVG，同时对外放电。速断保护电路的电流阔值为400 A，当静止无功发生器电路电流超过其所能承受的界限时，速断保护电路开始工作，保护SVG 电路不被烧毁。

3 SVG 监控系统设计

利用组态网搭建煤矿供电节能系统监控平台，对煤矿主要能耗设备及SVG 装置进行实时监测，根据能耗数据分析结果建立企业能耗及节能效率的评估和考核体系，从而找到煤矿企业的电能损耗盲点，减少用电损耗，提高用电效率，达到节能增效的目的[9-10]。

3.1 监控系统结构设计

通过矿用隔爆电能计量装置对煤矿系统中矿用多功能电度表进行数据采集，并通过交换机上传至服务器，实现对煤矿企业现场设备的监视和控制，监控系统结构如图3 所示。

图3 监控系统结构图Fig.3 Monitoring system structure diagram

主要设备作用如下：

（1）设备层

设备层由矿用多功能智能电度表和综合节能装置组成，实时测量煤矿井下变电站的各支路的累计电量、功率、功率因数、三相电流峰谷值等参数，实现电参数计量就地显示，并通过计量电度表的485 数据接口实现远程电参数查看及抄表操作。

（2）通讯层

井下监测与通讯分站是整个监控系统的中枢，包括多路串口通信服务器、触摸屏交互界面、基于以太网接口的IEC 104 协议转换器等，能够实时采集煤矿井下各用电设备的电负荷数据，并通过以太网将数据上传至上位机，实现地面监控主机对煤矿井下用电负荷的实时监测。

（3）应用层

主机与从机通过TCP/IP 网络连接，实现双机热备，共同执行同一服务。正常工作状态下，主机从设备采集数据，并产生报警和事件信息；从机处于监视状态。一旦主机发生异常，从机可快速代替主机工作。

3.2 SVG 监控系统软件开发

基于组态软件开发远程设备的数据监测控制软件，对获取的设备层信息进行处理分析，以图、表、曲线等方式为决策提供可视化数据支撑。通过报表形式将远程获取到的电量数据直接统计输出，节省下井抄表的业务流程，提高整体用电管理的运营效率，实现远程智能化管理，监控系统软件结构如图4 所示。

图4 监控系统软件结构图Fig.4 Software structure diagram of monitoring system

SVG 监控系统主要功能特点如下：

（1）用户管理界面可依据管理人员等级设置相应访问权限，利于决策人员通过界面掌握整个煤矿供电节能系统及SVG 设备运行状况，及时调整节能运行策略；

（2）当现场数据发生变化时，通过驱动程序，引起实时数据库中变量的变化。定期进行历史数据备份管理，便于实时与历史数据对照和分析，获得有用的经验参数。另外设置报警数据库，将所有的报警信息记录其中，利于后期事故分析；

（3）SVG 设备管理界面可直观了解煤矿各环节设备运行状况，通过SVG 运行时无功功率、功率因数数据，远程监控SVG 无功补偿效果；

（4）通过报表形式对不同监测点的能耗数据进行分析，根据煤矿节能需求，设置日报表、周报表、月报表，分析整个供电系统节能潜力，以此为节电计划提供依据；

（5）利用数据曲线实时地显示各采区被控设备的运行工况，以及相应的电能和功率消耗。用模拟仪表、趋势图、曲线显示参数的实时变化情况，使生产管理人员能够快速、清晰地了解整个系统的生产运行情况；

（6）通过报警管理实现对系统运行状态异常监测与故障诊断。当整个矿井各种负荷设备运行参数出现异常，能够及时报警提示，同时进行及时分析诊断，并指导运行人员到达优化运行现场，及时处理故障。

3.3 SVG 监控系统界面设计

SVG 监控系统界面便于煤矿工作人员直观了解煤矿各环节设备运行状况，通过SVG 设备管理系统实时查看SVG 装置运行状况，对各环节系统运行状态和装置运行状态数据进行实时采集分析。准确记录设备故障信息，实时计算设备累计发出无功功率和设备累计网侧视在功率，实时显示功率因数和网侧功率以及谐波含量变化趋势。

SVG 的监控系统是在控制柜内工业控制机上运行。通过SVG 的监控系统可以实时、明确地查看SVG 的各个参数，如线电流、线电压的实时数值化及历史曲线。同时具有网络传输功能，可以实现远程监控与操作。

静止无功发生器接入电网（高开合闸）后，控制系统带电，初始化主控界面如图5 所示。该界面屏幕系统状态显示主要包括运行状态、运行模式、控制方式以及主要器件的工作状态等，可以启动、停止、复位SVG 装置，控制SVG 工作于无功补偿、谐波补偿、综合补偿等工作方式；系统数据显示主要包括电网电压、电网电流、负载电流、SVG 补偿电流、有功功率、无功功率、功率因数等信息。

图5 SVG 监控系统主界面Fig.5 Main interface of SVG monitoring system

当SVG 运行时，冷却系统必须投入运行，点击水冷详情按钮，进入水冷启动界面，水冷系统界面如图6 所示。

图6 水冷系统界面Fig.6 Water cooling system interface

SVG 工作时会因为功率损耗引起器件发热、升温，最主要的发热元器件是IGBT 功率模块。元器件温度过高会缩短元器件的使用寿命，严重时甚至可能造成烧毁，因此，在使用过程中必须通过水冷系统解决SVG 的冷却问题，以延长SVG 的使用寿命，降低SVG 的失效率。

4 结语

本文在分析山东某煤矿供电系统现状和配电网无功补偿原理的基础上，确定了采用矿用隔爆SVG 对煤矿配电网进行补偿方案，并使用组态软件开发设计了煤矿供电节能监控系统平台。通过矿用隔爆SVG 对煤矿配电网的精确无功补偿，有效解决了煤矿大功率非线性负荷导致的电能损耗、谐波污染等问题，通过监控系统的开发实现了煤矿供电系统全局的节能优化控制与可视化分析，具有一定的推广意义。