煤礦供電質量評價方法研究和軟件開發與應用

閆亞恒

（潞安集團電力中心，山西 長治 046000）

隨著煤礦現代化和信息自動化的高速發展，煤礦供電系統中各類整流器、交直流換流設備、電子電壓調整設備越來越多，導致電網中非線性負荷也越來越多，煤礦電網中諧波日益嚴重，對供電環境造成很大的污染。除了這些設備外，目前煤礦中使用采煤機、掘進機、帶式輸送機、提升機等設備的功率也越來越大。這類大功率、長時間運行的設備會造成電網電壓波動，給煤礦供電系統帶來不可忽視的影響。要準確、有效地解決供電質量問題，需要對供電質量進行評價和分析。

1 煤礦供電質量評價指標的選擇

在實際的煤礦供電網絡電能質量評價體系中，指標的選擇不是越多越好，也不是越少越好，而是要科學、系統、實用、有針對性。因此，結合煤礦實際和指標內涵，在電壓指標、電流指標、功率因素三個大的方面以外，又選擇了具體的指標。

（1）電壓偏差。電壓偏差是衡量煤礦供電系統電能質量的一個重要參數。電壓偏差過大，會減弱設備的運行性能，降低運行效率，嚴重時可能導致設備無法運行，甚至損壞設備，從而影響煤炭的正常、安全、高效開采，給煤炭企業帶來直接的損失。

（2）電壓諧波。諧波會導致煤礦供電網絡功率損耗增大，還有可能對并聯電容器、電纜、變壓器等電氣設備產生損害。有研究表明，如果諧波電壓總畸變達10%～20%，就可能在很短時間內導致電動機損壞。此外，諧波還可能造成保護裝置功能失效，嚴重的話可能造成大面積停電，給煤礦通風、排水等帶來重大影響，影響煤炭安全、高效生產。因此，諧波電壓可以作為評估電能質量的重要指標之一。

（3）電流總畸變率。目前，國際上用電流總畸變率（TDD）來衡量電流質量，這樣既考慮了負載電流較小的情況，也方便測量和計算。

（4）五次諧波電流。在煤礦機械設備中，有很多采用了變頻調速裝置，這就導致煤礦電網中含有大量五次諧波電流。五次諧波電流會導致設備電機發熱和振動，給設備的安全生產帶來影響，造成威脅。同時，五次諧波電流會導致負序電流的保護裝置發生誤動作，影響電網的安全運行。

（5）功率因數。其體現的是供電網絡運行中，對視在功率的有效利用率，是評價電能利用情況的一個重要指標，同時還能對設備的使用和事故可能進行間接的評價。

針對煤礦供電系統而言，電流指標可以針對變壓器低壓側、下井回路、通風回路、提升回路等。

2 煤礦供電質量評價體系研究

層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是既包含定性分析，又通過定量分析將主觀的判斷轉化為數值性的客觀評價的一種決策方法。通過建立對比標度，對單一準則層下的指標進行兩兩對比構建判斷矩陣（列表），能夠將無形指標的測量轉化為有形的判斷指標，從而得到更加準確、客觀、科學的評價結果。因此，層次分析法在對多指標系統的評價中，使用非常廣泛。

2.1 煤礦供電質量評價體系的建立

根據前文對影響煤礦供電質量的指標的確定，建立煤礦供電質量評價體系，結構示意圖如圖1所示。

2.2 煤礦供電質量評價體系的分析

根據判斷矩陣的構建方法、煤礦實際以及通過與一線技術人員的溝通，建立圖2所示評價體系的A-B層和B1-C層、B2-C層判斷矩陣如下所示：

（1）A-B層判斷矩陣

（2）B1-C層判斷矩陣

（3）B2-C層判斷矩陣

通過計算單一準則特征向量可以得出各個因素的權重大小，也可以得出各因素在體系中的總權重。利用MATLAB軟件可以計算各個矩陣的特征向量，結果如下：

從上述權重結果可以看出：

（1）在A-B層中，電壓指標（B1）所占的權重最大，說明電壓質量好壞對于煤礦系統電能質量評價的影響非常大，是重點監測和改善的指標；電流指標（B2）的權重大于功率因數（B3），這是由于規程中對煤礦功率因數有規定，要求大于0.9，因此一般功率因數都符合規定。

（2）在B1-C層中，電壓偏差（c1）所占權重最大，在B1層中是影響最大的因素。在B2-C層中，變壓器低壓側電流總畸變率（c4）所占權重最大，在B2層中是影響最大的因素。

由權重總排序可以看出各指標對整個煤礦供電系統電能質量影響的程度大小。其中，影響程度前五名的，按順序分別為電壓偏差、五次諧波電壓、功率因數，變壓器低壓側電流總畸變率和電壓畸變率。說明以上因素是影響煤礦供電系統電能質量的主要指標，在實際的監測和運行中也應重點注意這幾個方面。

圖1 煤礦供電質量性評價體系結構示意圖

3 煤礦供電質量綜合評價方法

通過查閱文獻并根據煤礦實際需要，將各個指標的等級劃分為優秀、良好、合格、不合格四個大類，每個參數的劃分標準如下表1所示。

可以對現場測得的數據按照上表的劃分進行判斷，為了得到定量的評價結果，還要為每個不同等級賦予分數，其中優秀為5分，良好為3分，合格為1分，不合格為0分。按照層次分析法計算方法，對整個系統中打分評價，評價結果也分為優秀（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 煤礦供電系統供電質量各因素的評價標準劃分

綜合評價結果的計算如下式（1）所示。

式中：

F-煤礦供電系統電能質量評價結果；

P-因素C1、C2……C12的得分矩陣；

pk-分數。

4 煤礦供電質量綜合評價方法實踐

4.1 測點布置

以潞安集團為例，對前面所構建的煤礦供電網絡電能質量評價體系進行實踐。選擇五陽煤礦35kV變電所作為測試對象，該變電所是整個供電網絡的樞紐，負責礦井生產和生活用電需求。系統有兩條進線，通過兩臺變壓器降壓到6kV后為煤礦電網供電。主接線為單母線分段方式，母線分段分別供給井下中央變電所、通風機房、提升機房等。具體結構示意圖如圖2所示。

圖2 供電系統與測點布置示意圖

4.2 測試結果

現場實測功率因數為0.92，其余各指標的具體數據如下表2和3所示。

根據前述評價標準，結合權重計算結果，最終可得供電質量評價結果為：F=3.08。

表2 電壓指標的具體數據

表3 電流指標的具體數據

因此，該煤礦供電系統電能質量評價結果為良好，但是部分指標得分較低，需要查明原因進行改進。

5 煤礦供電質量綜合評價軟件開發

以Visual Basic編程語言為基礎，研究開發了煤礦供電系統電能質量評價軟件。

5.1 軟件界面

圖3 軟件界面示意圖

5.2 軟件運行

仍然以五陽煤礦35kV變電所實測情況為例（數據如表2和表3），在軟件中進行相應的選擇，并點擊“綜合評價”，得到評價結果。選擇與評價結果如圖4所示。

圖4 軟件運行結果示意圖

6 結語

本文對煤礦供電系統的評價體系和評價方法進行了研究。

（1）在層次分析理論基礎上，建立了由三個中間層和十一個評價指標組成的評價體系，并對這個體系構建了判斷矩陣，求得了各個因素的單一權重和總權重。對各個指標進行了等級劃分，并建立了這個系統的打分評價方法。根據權重值和評分方法，可以得到綜合的電能質量評價結果。

（2）為了簡化計算，方便現場使用，開發了相應的評價軟件。通過實踐可知，軟件運行正常，提高了供電質量評價的效率。