礦山自動(dòng)化系統(tǒng)中基于智能電源的能源管理優(yōu)化研究

陳亦胡，張融海，劉 武

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 能源管理概述

1.1 能源管理的概念和重要性

能源管理是當(dāng)今社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的重要議題，尤其是在高度能耗的礦山自動(dòng)化系統(tǒng)中。能源管理可以通過有效利用和合理分配能源，實(shí)現(xiàn)能源消耗和資源利用的最佳效益，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。礦山自動(dòng)化系統(tǒng)由于其設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)流程等因素，對(duì)能源的需求常常高于其他行業(yè)，需要深入思考和創(chuàng)新能源管理方式。智能電源是一種具有前瞻性的能源管理手段，其以先進(jìn)的技術(shù)和可調(diào)節(jié)性，為礦山自動(dòng)化系統(tǒng)提供了更靈活、智能的能源供應(yīng)和控制方式[1]。深入研究智能電源在礦山自動(dòng)化系統(tǒng)中的能源管理優(yōu)化，有助于實(shí)現(xiàn)能源管理的新突破，為行業(yè)發(fā)展注入新動(dòng)力。

1.2 智能電源的原理和特點(diǎn)

智能電源基于先進(jìn)的電子控制技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和調(diào)整電力輸出，以適應(yīng)礦山自動(dòng)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的電能需求。智能電源的特點(diǎn)主要包括靈活性、智能性以及可定制性。其中，靈活性使得智能電源能夠迅速響應(yīng)系統(tǒng)需求的變化，即時(shí)調(diào)整電力輸出，提高系統(tǒng)在不同工況下的能源利用效率。智能性使得智能電源能夠集成先進(jìn)的智能算法，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)做出智能決策，優(yōu)化能源管理策略，自動(dòng)選擇最佳的能源供應(yīng)方案。可定制性使得智能電源能夠根據(jù)礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的特定需求進(jìn)行定制，具有較高的適配性和良好的性能表現(xiàn)。

2 智能電源的數(shù)學(xué)模型

2.1 智能電源的電路模型

智能電源的電路模型是深入研究其工作原理和性能的關(guān)鍵，對(duì)于構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要。典型的智能電源電路模型可以描述為

式中：Uout(t)為電路的輸出電壓；Uin(t)為輸入電壓；t為時(shí)間；R為電阻值；C為電容值；e 為自然常數(shù)，通常取2.718 28。這個(gè)模型基于電阻-電容（Resistor-Capacitance，RC）充放電的原理，能夠較為準(zhǔn)確地描述智能電源在實(shí)際工作中的電路行為。在這個(gè)模型中，RC 的取值決定了電路的響應(yīng)速度。調(diào)整電阻和電容的數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路輸出的平滑調(diào)節(jié)，符合智能電源在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)電能需求時(shí)的高效性。此外，該模型考慮了電路的非線性特性，使其更貼近實(shí)際工作情況。在技術(shù)上，該模型主要基于現(xiàn)代電子元器件的特性，結(jié)合反饋控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。采用微控制單元（Micro Control Unit，MCU）實(shí)時(shí)監(jiān)測電路參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出，以智能管理電能。

2.2 智能電源的控制模型

智能電源的控制模型可以有效確保其在實(shí)際運(yùn)行中能夠快速而精準(zhǔn)地響應(yīng)系統(tǒng)需求。文章采用的智能電源控制模塊基于比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）控制器，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為系統(tǒng)輸出與期望輸出的誤差；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分與微分系數(shù)。在電源控制中，PID 控制器會(huì)通過不斷地調(diào)整輸出，使得誤差逐漸趨向于零，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。在智能電源的控制模型中，PID 控制器可以通過監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電能需求，調(diào)整電路參數(shù)，以確保輸出電壓穩(wěn)定在期望值。這種控制模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和健壯性，能夠應(yīng)對(duì)礦山自動(dòng)化系統(tǒng)中復(fù)雜多變的電能需求。為提升控制的準(zhǔn)確性，現(xiàn)代智能電源通常會(huì)結(jié)合模糊邏輯控制或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高級(jí)控制技術(shù)。這些技術(shù)能夠在不斷學(xué)習(xí)的過程中優(yōu)化控制策略，更好地適應(yīng)礦山環(huán)境中的實(shí)際工作條件。

2.3 智能電源的優(yōu)化模型

智能電源的優(yōu)化模型是研究其在礦山自動(dòng)化系統(tǒng)中能源管理最佳化的關(guān)鍵。文章采用基于最小化成本函數(shù)的思想，將系統(tǒng)能源消耗與產(chǎn)出效益相平衡，從而優(yōu)化智能電源，其模型可以表示為

式中：p1(t)為高峰時(shí)段的電源輸出；p2(t)為低谷時(shí)段的電源輸出；C1和C2為成本函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)。這個(gè)模型可以通過調(diào)整智能電源輸出，使系統(tǒng)在滿足電能需求的同時(shí)，最小化能源消耗的經(jīng)濟(jì)成本。

3 基于智能電源的礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)，主要包括5 個(gè)功能模塊，如圖1 所示。

圖1 煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測煤礦的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、氣體濃度等。通過利用傳感器反饋的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以有效評(píng)估礦山工作環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集與通信模塊負(fù)責(zé)利用無線傳輸與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集中處理傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心。控制中心模塊是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收、解析、處理來自傳感器模塊的數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)調(diào)整礦山設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳生產(chǎn)效益[3]。執(zhí)行器模塊需要根據(jù)控制中心的指令，控制礦山設(shè)備的具體操作，如挖掘機(jī)械、輸送帶等，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理礦山生產(chǎn)過程。智能電源模塊作為礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定、可控的電能供應(yīng)。

3.2 智能電源在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的配置和控制

煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的智能電源配置和控制是實(shí)現(xiàn)對(duì)電力智能供應(yīng)和高效管理的重要措施之一。其中，系統(tǒng)需求分析是配置的基礎(chǔ)，其綜合考慮了峰值負(fù)荷、功率波動(dòng)等因素。在配置過程中，智能電源需具備防塵、防潮等特殊設(shè)計(jì)，以適應(yīng)煤礦環(huán)境的挑戰(zhàn)。控制策略是管理的核心，通過電能監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，為后續(xù)控制提供準(zhǔn)確的參考。本研究中控制策略采用PID 控制算法，通過控制中心與智能電源之間的通信信道，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源的輸出參數(shù)，保證電源輸出的穩(wěn)定性和靈活性。控制策略還利用負(fù)載平衡技術(shù)，通過合理分配電能供應(yīng)，防止局部過載，提升系統(tǒng)整體效能。具體配置參數(shù)為：智能電源容量為1 000 kVA；輸出電壓范圍為380（1±5%）V；頻率可調(diào)節(jié)范圍為50（1±1%）Hz。控制策略中，PID 控制器的比例系數(shù)Kp為0.5，積分系數(shù)Ki為0.2，微分系數(shù)Kd為0.1。電源配置和控制策略的綜合應(yīng)用使得煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)能夠在動(dòng)態(tài)工況下智能管理電能，最大限度地提高電能利用效率，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3.3 智能電源在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的優(yōu)化效果

智能電源在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用是為了實(shí)現(xiàn)能源管理的最佳化，提高系統(tǒng)效能。智能電源通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出參數(shù)和精準(zhǔn)控制電能供應(yīng)，帶來了顯著的優(yōu)化效果。一方面，智能電源通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電能的智能分配，提高了系統(tǒng)的整體能源利用效率。在智能電源優(yōu)化前，系統(tǒng)能源利用效率為78%，而優(yōu)化后，系統(tǒng)能源利用效率達(dá)到了92%。另一方面，智能電源通過負(fù)載平衡技術(shù)，有效避免了系統(tǒng)局部過載問題，保證了各設(shè)備的平衡運(yùn)行。在智能電源優(yōu)化前，設(shè)備A 的電能利用率為95%，設(shè)備B 的電能利用率為85%，而優(yōu)化后，設(shè)備A 和設(shè)備B的電能利用率均為90%，整體系統(tǒng)負(fù)載更加均衡，具體如表1 所示。

表1 智能電源在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的優(yōu)化效果

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真和實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)與參數(shù)

為驗(yàn)證智能電源在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的效果，文章采用了先進(jìn)的仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了詳盡的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用Simulink 仿真軟件。該軟件提供了強(qiáng)大的電力系統(tǒng)仿真功能，能夠模擬智能電源在不同工況下的響應(yīng)和系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是一套實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括智能電源模塊、傳感器模塊、控制中心模塊以及模擬的煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)[4]。智能電源模塊的容量為1 000 kVA，輸出電壓為380（1±5%）V，頻率為50（1±1%）Hz。傳感器模塊監(jiān)測溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)。控制中心模塊采用MCU 實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)。在仿真和實(shí)驗(yàn)過程中，文章模擬了煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)在不同負(fù)荷、溫度及濕度條件下的工作情況，通過調(diào)整智能電源的控制參數(shù)和配置參數(shù)，記錄系統(tǒng)的電能消耗、負(fù)載平衡情況以及智能電源的實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，文章全面評(píng)估了智能電源在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，驗(yàn)證其在動(dòng)態(tài)工況下的高效能源管理和優(yōu)越控制能力。

4.2 仿真和實(shí)驗(yàn)的過程與結(jié)果

在開始仿真和實(shí)驗(yàn)前需要設(shè)定不同工況下的場景，模擬煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)在不同負(fù)荷和環(huán)境條件下的運(yùn)行狀態(tài)。通過Simulink 仿真軟件和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，記錄系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和智能電源的實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)。在一次實(shí)驗(yàn)中，文章模擬了系統(tǒng)負(fù)荷突然增加的情況[5]。結(jié)果顯示，在智能電源優(yōu)化前，系統(tǒng)電能消耗迅速上升，電壓波動(dòng)較大。而經(jīng)過智能電源的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)能夠迅速而平穩(wěn)地適應(yīng)新的負(fù)荷，電能消耗穩(wěn)定在較低水平。另一方面，在模擬環(huán)境溫度升高的場景下，智能電源通過調(diào)整輸出參數(shù)，使系統(tǒng)電能消耗保持在合理范圍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在高溫環(huán)境中，智能電源優(yōu)化后系統(tǒng)的電能消耗相較于未優(yōu)化的情況降低了15%，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié) 論

通過深入研究煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中智能電源的配置、控制及優(yōu)化效果，文章揭示了其在提高能源利用效率、確保系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的顯著潛力。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在不同工況下，智能電源能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電能的智能管理，取得了顯著的效能提升。這一研究為礦山能源管理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了實(shí)質(zhì)性支持，為實(shí)現(xiàn)礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和高效運(yùn)行貢獻(xiàn)了新的思路和方法。