煤礦“互聯網+能源”管理系統的研發與應用

唐淑芳，邱上進，陳苗虎

(淮礦西部煤礦投資管理有限公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

目前以清潔、低碳、高效為主題，互聯網和智能化為主要技術手段特征的全球新一輪能源革命和產業變革正在興起。“互聯網+能源”綜合運用先進電力電子技術、信息技術和智能管理技術，將分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置等各種類型負載能源節點互聯起來，實現能量雙向流動的對等交換，實現能源互聯。“互聯網+能源”是以“設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放”為特征，對提高可再生能源比重，促進化石能源高效利用，提升能源綜合效率，推動產業升級，形成經濟新增長點，提升國際能源合作具有重要意義。

“互聯網+能源”作為一種能源產業發展新常態，從發展理念來看，開放、對等、互聯、共享是基本理念；從系統構成來看，涉及煤、油、氣、電、冷、熱不同能源形式的互聯互通，涉及信息和能源之間深度融合，涉及大量豐富商業模式；從發展改革角度來看，涉及能源基礎設施合理開放，涉及能源生產消費有機融合，從而推動能源商品屬性進一步還原，以及大眾參與程度進一步提升。

1 煤礦能源使用管理現狀

煤礦行業在我國能源企業中占有重要地位，在一次能源生產中，煤炭生產占70%以上，是保證我國經濟可持續發展的重要能源。在降產能和供給側改革大背景下，煤礦行業受到嚴重影響，產業升級和發展空間很大，傳統粗獷型生產方式必須向精細化轉變。煤礦行業是我國九大能耗行業之一，平均能耗利用率普遍較低且低于全國平均能源利用率，同時也是污染排放較為嚴重行業之一。煤碳生產節能不僅能降低噸煤能耗，提高企業利潤，還減少排放，保護環境，利國、利民、利己。據統計，我國每年煤礦行業總能耗折合成煤炭超過8 500萬t/a，約占當年我國生產煤炭總量的5%左右。 如果計算煤炭產品生產過程中損失的能源，則總量將超過1.5億t/a。因此，煤礦行業節能減排已經刻不容緩。

煤礦生產企業能源消費主要分為采掘生產，提升運輸，固定通、壓、排系統，輔助生產系統，辦公生活以及煤炭洗選等6個方面。其中，直接圍繞煤炭生產的采掘、提升和運輸作業用電量占煤礦主要能源消費的1/2左右，煤炭洗選作業用電量占主要能源消費的1/4左右。根據大量調查顯示，煤炭行業能源管理現狀及不足主要表現在以下幾個方面：

1) 能耗計量方面。能源消耗數字化計量表安裝偏少，能耗數據采集主要靠手工抄表，數據精細化程度無法達到能耗管理要求，各流程環節，能耗數據都是孤立的，沒有集中管理，無法進行關聯性分析。

2) 標準建設方面。我國煤礦行業設備和過程環節缺乏能耗標準，缺少具有一定技能水平的能耗管理和分析人員。煤炭生產環節多，流水線長，地下地上工藝復雜，各環節能源配給沒有優化，設備大馬拉小車、欠負荷運行等能源浪費現象非常嚴重。

3) 管理考核方面。在很多煤礦企業中，雖然采掘自動化水平很高，但能耗管理水平卻很低。煤礦企業很少設置能源管理部門，沒有一套科學、完整管理制度。沒有將能源消耗納入到班組考核，沒有對機器進行能效評估和分析，管理模式粗放。

2 煤礦“互聯網+能源”管理系統研究目的

煤礦“互聯網+能源”管理系統應用物聯網技術、大數據技術，以能源流通為抓手，通過檢測用電系統設備的電能、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素等技術參數，采集煤炭生產全流程能耗數據并集中管理，實現對生產工藝和用電設備實時監測，為生產提供數據依據。該系統研究開發的主要目的為：

1) 實現能耗數據自動采集和集中管理。建立一套獨立的能耗數據采集系統，精準、精細、實時在線采集能耗數據，將各部門有關能耗數據集中到一個服務器，統一管理。

2) 實時監控能耗數據，建立精準考核制度標準。對重點能耗設備和生產過程，通過能耗大數據分析和工作原理，制定能效考核標準和非正常能耗診斷；通過對能耗大數據分析，做到能耗透明化管理和實時監控，建立精準有效管理制度和獎罰措施，對區隊、班組進行能耗考核，實現節能降耗。

3) 優化各個生產環節、部門之間的能源配給。煤礦各個生產環節之間的能源流通有其內在規律，以井下采掘生產煤炭和掘進進尺為參考依據，通過集中數據，關聯分析，可以實現各生產環節、部門之間的能源優化配給，避免“大馬拉小車”現象。

4) 實現能源消耗預警。在用能過程中，針對設備空載，可設置一定的報警閾值進行報警，提示使用者可能存在的能源浪費情況。在礦井總需求用量超出設定最大值時，預警提示相關部門需要關閉一些負載，保證最大需量范圍內的一類負荷用電需求；在系統能耗出現異常時，預警提示相關工作人員對系統設備進行維護等。

3 煤礦“互聯網+能源”管理系統技術方案

3.1 系統軟件開發體系結構

煤礦“互聯網+能源”管理系統采用B/S(瀏覽器/服務器)架構，基于Java語言、MyEcplice開發工具、Tomcat服務器及MySQL 數據庫開發而成，提供內外網訪問功能，具有跨終端訪問特性，具有一定的功能擴展性，維護升級簡單。

B/S架構的web管理系統可以從結構上分3層(B/S/D)，即用戶服務層、應用邏輯層、數據庫服務層，系統邏輯結構如圖1所示。

圖1 系統邏輯結構

1) 用戶服務層，即瀏覽器端，提供網頁人性化界面，可注冊、查詢、提交相關數據。服務層除了可在瀏覽器進行訪問，也可以在其他程序訪問。

2) 應用邏輯層，包括界面處理層、應用處理層和數據庫操作層，界面處理層使用JSP/Servlet進行頁面顯示，應用處理層處理從界面層或數據層獲取的命令和數據，數據操作層直接和數據庫通信，提供多個原理性的DAO操作，如增加、修改、刪除等。

3) 數據庫服務層，封裝了數據庫的基本操作，存儲數據表。

3.2 系統硬件設計

煤礦“互聯網+能源”管理系統硬件設施主要由智能化數字電力儀表、能耗數據采集網關、通信網絡、數據服務器等組成。系統拓撲結構如圖2所示。以智能化數字儀表(傳感器)為主，構成底層感知網絡，實時采集能耗數據。感知網絡與能耗數據采集網關相連，采用TCP/IP有線傳輸網絡或LORA窄帶物聯網無線傳輸網絡，將采集數據上傳服務器。能耗數據采集網關具有采集數據周期可調，數據本地存儲時間長，支持數據斷點續傳，支持多協議數據采集，數據傳輸方式多樣化等特點。通過軟件設置，能耗數據采集網關可適合不同協議能耗計量數字儀表協議，實現數據存儲、時鐘讀寫、斷點續傳、TCP/IP協議傳輸、無線傳輸、MD5加密認證和數據轉換等功能，解決了傳輸速度較高的以太網和傳輸速度較低的現場總線之間不同速度和不同協議的問題。

系統物理上采用兩級服務器，第一級為內網服務器，在礦區現場，用于運行全部的能源管理系統；第二級為云端服務器，架設在集團公司機房或公共云端，提供數據異地備份及遠程服務，更便于集團公司對分布在各地的煤礦能耗數據管理。

圖2 煤礦“互聯網+能源”管理系統拓撲結構

3.3 系統實現功能目標

1) 配電系統實時監測。可實時監測配電系統中各支路各儀表的用能及電力參數。

2) 部門/班組分析。可實時監測各部門/班組各設備的用能比、同比、環比和電流趨勢等。

3) 原始數據查詢。可按時間查詢電量、電流、電壓以及功率等電力參數的原始數值。

4) 能耗數據查詢。可按時間查詢分鐘、小時、天、月以及年的用能數據。

5) 能耗圖表。提供繪制能耗折線圖、柱狀圖、餅形圖的功能。

6) 電力參數圖表。提供繪制電流、電壓、功率以及頻率等電力參數的折線圖和柱狀圖的功能。

7) 同比環比。可對各支路進行能耗同比、環比以及日比的分析。

8) 報警/預警查詢。根據時間和支路查詢所發生的報警事件，可設置最大需量(功率)預警。

9) 數據配置。提供系統相關基礎數據，如計量儀表、數據采集網關、支路信息、部門/班組信息、電流參數以及報警閾值等信息進行配置的功能。

10) 用戶管理。提供對用戶進行增刪改查、用戶角色、用戶權限的配置功能。

4 煤礦“互聯網+能源”管理系統建設方案

4.1 建立能耗數據實時采集網絡

4.1.1 煤礦地面負荷

在原有線路不變基礎上，每個配電房需要監測的所有負載均需要加裝智能化數字電力儀表，實時采集能耗數據。對于監測低壓380 V負荷，需獨立加裝互感器和數字電力儀表；對于監測高壓10 kV配電及負荷，在共享原有互感器基礎上，加裝新的數字電力儀表，與原有電力儀表進行電流串聯，電壓并聯，避免和其他系統接口造成干擾。同時，配電房配備能耗數據采集網關，通過RS-485接口與智能化數字電力儀表連接，利用已布置的礦井工業有線網絡將采集數據上傳至服務器。

在環境比較穩定且布網絡線難度大的場合，可以通過在現場布置窄帶物聯網，實現數據無線傳輸至服務器平臺。無線傳輸系統拓撲結構如圖3所示。

圖3 窄帶物聯網無線傳輸網絡拓撲結構

窄帶物聯網無線通信模塊采用LoRa機制組建無線局域網，采用基站和客戶端模塊構建，實現數據無線傳輸。

4.1.2 煤礦井下負荷

井下需要監測的能耗數據，直接從中央變電所、盤區變電所或各個配電點的已有高、低壓開關保護器上獲取，利用其485通信口，匯集接入增設的防爆型能耗數據采集網關上。礦井井下敷設工業以太環網，各變電所和配電點采集到的能耗數據，通過防爆型能耗數據采集網關就近接入環網交換機，傳輸至地面服務器。

在安裝設置有井下電力監控系統的礦井，井下能耗數據也可以直接從地面電力監控系統服務器獲取。

4.2 能源管理系統大數據軟件平臺研究與開發

軟件采用B/S(瀏覽器/服務器)架構，客戶端可通過瀏覽器對系統進行跨終端訪問(比如：PC、手機、平板等)，打破以往能源管理受時間和空間限制。該架構十分靈活，可擴展新極強，可快速以模塊的形式為系統增加新的功能，且具有較好可維護性。

煤礦“互聯網+能源”管理系統大數據軟件平臺具有總配電系統、實時能耗指標、分析報表、部門/班組、系統、報警/預警、統計分析、數據配置、用戶管理等11個界面。

1) 配電系統界面如圖4所示。可直觀查看各支路實時用能情況和用能分析數據，隨時查詢任意時段任意儀表能耗數據。如：同比、環比、系統用能、分表用能、產能比、負載分析等。還可以方便查詢整個配電系統的拓撲結構。

2) 實時能耗指標界面。可實時監測各生產系統環節月度能耗情況和噸煤能耗情況，并且通過錄入考核指標，實時了解掌握各部門/班組和系統能耗超節情況，并采取相應控制措施。

3) 分析報表界面。可了解查詢各單位月度用能指標完成情況，或月與月各系統用能環比分析情況，也可以提供數據報表下載和導出，減少了人工超表和統計分析工作量。

4) 部門/班組界面或系統界面。煤礦企業可按照管理或生產責任范圍，劃分能耗計量儀表，進行能耗考核。部門/班組或系統、可通過查詢責任小組內的具體用能情況、同比環比、產能比的數據，做到具體的能效考核，將用能節能落到實處，實現最大程度的節能減排。

5) 報警/預警界面。可通過設置礦井最大能耗需量報警值，實時監測礦井最大負載及其變化情況。

6) 統計分析界面。礦井各個部門、班組、系統都能快速實時查詢出任意時間范圍內耗統計分析報表，可包含各種用能數據和產量數據等，讓企業制定和實施用能策略更加直接和快速。

7) 用戶管理界面。可根據不同權限修改訪問數據的等級，可設置部門/班組及系統級的訪問權限，以及儀表級訪問權限，還有各種對系統的操作權限。

圖4 總配電圖界面(實時顯示能耗數據)

5 結論

1) 煤礦“互聯網+能源”管理系統是利用互聯網技術為傳統能源企業本身提供信息支持，是傳統能源信息的大數據處理與應用。煤礦“互聯網+能源”管理系統實現了節能減排，是煤礦工業供給改革和產業升級主要技術手段之一。

2) 煤礦“互聯網+能源”管理系統已首次在淮礦西部公司唐家會礦進行開發研究和建設應用。經過近半年的平臺系統研究開發和現場安裝調試，該系統于2017年初建成并投入試運行。系統投入試運行半年后，效果得到充分肯定，并在淮礦西部公司泊江海子礦和色連二礦進行了全面推廣運用。系統運行后，通過對能耗數據實時采集和集中管理，礦井實現能耗數據查詢、監測、統計、分析、對比、關聯、對標等分析應用，能準確判斷掌握各個生產系統環節設備能源消耗、負載異常、最大用電需量等各種生產情況，及時指導調整生產負荷，降低能源消耗，減少能源浪費，節約生產成本，實現煤礦生產能源消耗的精細化管理，提高行業管理效率和決策的科學性。