张欣
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：长期以来，煤矿生产管理中对能耗的管理相对粗放，井下电气设备在使用中缺乏统一管理，使得能耗始终居高不下，不仅降低了矿井综合效益，而且在一定程度上威胁了矿井的生产安全。以此为出发点，针对矿井井下电能管理系统的应用进行研究分析。结合具体工程实际，在分析电能管理系统构成的基础上，逐一探究其关键技术和系统功能，并对其实际应用效果进行总结分析，希望能够为其他矿井相似工程的开展提供借鉴与参考。
关键词：矿井；电能管理系统；上位机；能耗质量
0引言
A矿为2000年建成投产的现代化矿井，设计生产能力为2.50x106t/a。近些年，随着矿井开采深度的不断增加，回采作业条件不断恶化，井下生产中所需的各类用电设备的数量不断增加的同时分布范围也不断扩大，使得井下电能的集中管理难度大幅增加，生产作业中各类电气故障时有发生，制约了矿井生产力。针对此类问题，为了有效降低矿井运行能耗，实现能源优化管理，A 矿结合国内外先进经验，立足矿井实际，研究设计了一套应用于井下的电能管理系统，在致力于提升矿井能耗质量的同时，增强对电能使用的实时监控，从而提升矿井电能控制质量，进一步提高矿井的现代化水平。
1 系统构成分析
此次设计的电能管理系统选用两级网络控制结构，借助冗余工业以太网实现监控中心 PC机对井下作业现场各个设备的网络监控，同时，借助现场总线工艺实现对各个职能电表的集中监控管理。整个系统的构成大体可分为硬件部分和软件部分两大块。
1.1 硬件构成
系统硬件部分主要包括系统主机、交换机、隔爆兼本安型电能监测和通讯分站、隔爆型智能电度表等构成组件，其构成如图1所示。其中，隔爆兼本安型电能监测和通讯分站属于硬件系统的核心组件，构成部分包括光纤收发装置、MCGS 触摸屏 （TPC7062K）、多路串口通讯服务装置、RS232 型转换装置和可编程控制装置（PLC） 等[1-2]。
图1系统构成示意图
1.2 软件构成
系统软件部分是借助MCGS 组态软件实现对井下电能设备能耗数据的采集，并通过对相关数据的分析判定，设计出相应的电能使用数据，以方便使用者实时查询用电参数，并对历史用电参数、用电曲线等进行查询。此外，软件通过监测所得数据与预设数据的比对分析，能及时发现数据异常现象，并及时发出预警信息，从而避免安全隐患对电能使用造成的不良影响，提升用电有效性[3]。图2即为系统分界面示意图。
图2 系统分界面示意图
2 关键技术分析
a) 电能管理系统在设计上充分考虑了A矿井下实际用电设备的分布状况，采用了冗余工业以太网、RS-485接口和 EDC3300 型电表等通讯协议的现场总线工艺，控制结构选用两级网络控制。其中，上层网络运用冗余工业以太网（基于TCP/IP 协议的交换机组网）实现监测中心上位机（PC 机）与井下下位机（TPC7062K型触摸屏）间的信息通讯，从而确保作业人员能够在地面监测中心借助 PC 机实时监控井下作业现场设备的运行情况；下层网络运用现场总线（基于EDC3300电表的通讯协议），实现TPC7062K 型下位机与现场测量装置间的有效信息互通，以确保作业人员能够通过触摸屏实现对所对应分站的集中监控。
b) 上位机将PC机作为整个系统的网络监控平台，其核心功能是借助工业以太网对网络地址进行针对性设置，进而与下位机（TPC7062K 型触摸屏）开展有效的信息通讯，以实现对现场数据的有效获取。同时，借助 MCGS 通用型组态软件，系统能够实现对设备运行情况和系统参数的显示、报警提示和查询、实时数据和历史数据查询、查询数据打印等功能。
c) 触摸屏作为井下各监测分站核心组件，主要功能是通过 EDC3300电表通讯技术，实时获取现场施工中各个用电设备的电能使用情况，并借助MCGS嵌入式组态软件将获取的各类现场数据实时显示在分站触摸显示屏上。
d) 井下监测分站作为井下各用电设备控制管理的核心组件，其核心功能是对井下作业现场的电能使用参数进行实时收集、处理，并借助 RS-485 接口与 EDC330电表内设的十六进制协议，实现与触摸屏的实时通讯，同时还可借助分布全矿的以太网与地面监测中心进行实时的信息交换。
e) 地面监测系统配套有上位机组态设备，将井下各处分布的电能采集站连入矿井工业以太网，作业人员可以在监测中心通过监测装置实现对井下设备运行状况的实时监测和管控[4]。
3 系统功能分析
所设计的电能管理系统能够实现对井下生产作业中电能使用的全过程管理，同时，记录各个作业环节及相应用电设备的电能能耗状况。此外，通过隔爆兼本安型电能监测装置与通讯分站的配合构建起井下用电资料库，综合汇集整理用电设备的各项能耗数据，使其成为对实际工作具有良好指导意义的信息。这样，不仅能够便于作业人员实时查询各用电设备能耗的实时数据和历史数据，还能够通过数据比对分析，及时发现安全隐患，发出预警信息，避免安全事故的发生。通过所设计的系统，矿井作业人员实现了对电能实验数据的实时自动统计，不仅提升了技术人员对设备运行状况的掌握、了解程度，还降低了故障发生的概率，并能够为故障发生后的有效处置提供指导。此外，基于煤矿节能降耗的综合考虑，系统可以自行对电能进行井下调控，从而实现对电能使用的优化调控[5-6]。
4 实践分析
A 矿自井下电能管理系统投入运行以来，对矿井生产作业中的电能及其消耗情况进行了直观的观测、了解，而且各类用电设备的电气故障发生概率显著降低，在大幅节约井下生产人力、物力的同时提升了能源使用效率，降低了运行成本。结合矿井以往生产电能消耗相关统计数据，电能管理系统投入运行后，A 矿年节约电费可超过百万元，节约电能超过 2.0×106 kW·h，同时还在一定程度降低了井下作业人员的劳动强度，实现了综合效益的显著提升。
5 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案
5.1概述
用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。
5.2应用场所
（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；
（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；
（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；
（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；
（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；
（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。
5.3系统结构
5.4系统功能
5.4.1
实时监测系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。
5.4.2电能统计报表
系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。
5.4.3详细电参量查询
在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。
5.4.4运行报表
系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。
5.4.5变压器运行监视
系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。
5.4.6实时报警
系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。
5.4.7历史事件查询
系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.4.8电能质量监测
系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。
5.4.9遥控操作
系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。
5.4.10用户权限管理
系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
5.4.11通讯状态图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。
5.4.12视频监控
视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。
5.4.13用户报告
用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。
5.4.14 APP支持
电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。
5.5系统硬件配置清单
6结语
此次研究所设计的电能管理系统不仅运行安全，而且高效、可靠，能够实现长时间的持续运行，还可对井下各个用电设备电能使用情况进行实时监测，发现异常情况及时发出预警，并且依据作业人员不同需求自动生成相应的数据报表，大幅提升了供电管理质量和用电监测有效性。此外，系统结合监测电气设备各自不同的特色，对其在线监测数据进行了针对性设计，从而确保了数据监测预警的针对性和准确性，为推动矿井现代化发展提供了坚实保障。
【参考文献】
[1]程卫纲.IDP 煤矿电能管理系统在矿山供电中的应用［J］.山西科技，2013，28(3)：64-66.
[2]何海涛. 井下电能管理系统应用研究
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2022.05版
