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万方数据 万方数据 I 煤矿电气综合节能技术的研究与应用 摘 要 目前，煤矿企业利润虽然有一定程度的回暖，但是节约电能、减少浪费仍然 是企业生产的主旋律。对于绝大多数的煤矿企业来说，供电系统中存在着大量的 大功率异步电动机与电力电子设备，导致无功功率消耗与谐波干扰增加，致使电 能质量降低，造成电能浪费。 煤矿企业为了实现电气节能，在无功和谐波治理方面采取了一定措施，但由 于缺乏电气节能规划、先进的补偿装置以及有效的电能监测和管理措施，导致实 际节能效果不佳，因此，急需开展煤矿电气综合节能技术研究。本文以煤矿供电 系统为研究背景，在对其供电系统特点、主要耗电设备以及煤矿供电系统运行现 状分析的基础上，从三方面进行节能设计。 第一，对煤矿供电系统进行全局无功优化分析，提出了煤矿供电系统无功优 化方案，计算得出煤矿供电系统潮流分布，确定煤矿最优补偿装置安装位置；第 二，通过对低压无功与滤波同时补偿技术的研究，通过快速傅里叶变换（FFT） 和九域图控制算法实现配电网电参量采集与电容器投切控制，分别从硬件设计与 软件实现两方面设计适用于煤矿低压供电系统的综合节能装置，并将其应用于煤 矿供电系统，减少煤矿供电系统中的无功功率与谐波干扰；第三，通过对煤矿能 量监控与管理技术的研究， 完成基于 MCGS 组态软件的煤矿配电网能耗联网监控 系统设计，实现煤矿用电量的数字化总线采集，并部署矿井电气能量监视与管理 系统软件平台，实现全煤矿范围内电气能量的精细化管理，提高矿井用电监管水 平。 关键词电气综合节能 无功优化 无功补偿与滤波 电能监控与管理 改进遗传 算法 MCGS 组态软件 万方数据 II RESEARCH AND APPLICATION OF COMPREHENSIVE ENERGY SAVING TECHNOLOGY IN COAL MINE ABSTRACT At present, although the profits of coal mining enterprises have recovered to a certain extent, saving energy and reducing waste are still the main theme of corporate production. For the vast majority of coal mining enterprises, there are a large number of high-power asynchronous motors and power electronic equipment in the power supply system, resulting in increased reactive power consumption and harmonic interference, resulting in reduced power quality and waste of electrical energy. In order to realize electrical energy saving, coal mining enterprises have taken certain measures in the aspects of reactive power and harmonic control. However, due to the lack of electrical energy conservation planning, advanced compensation devices, and effective power monitoring and management measures, the actual energy saving effect is poor, so it is urgently needed. Develop coal mine electrical comprehensive energy-saving technology research. This paper takes the coal mine power supply system as the research background, based on the analysis of its power supply system characteristics, main power-consuming equipment and coal mine power supply system operation status, energy-saving design from three aspects. Firstly, analyze the global reactive power optimization of the coal mine power supply system, and propose a reactive power optimization scheme for the coal mine power supply system based on forward-return generation power flow calculation and improved genetic algorithm. The distribution of the power flow in the coal mine power system is calculated and the coal mine optimal is determined. Compensation device installation position; Secondly, through the research on simultaneous compensation technology for low-voltage reactive power and filtering, FFT and Nine-domain control algorithms are used to achieve electrical parameter acquisition and capacitor switching control of distribution networks, respectively, from hardware design and software. Realize two aspects of designing comprehensive energy-saving devices suitable for low-voltage power supply systems in coal mines, and apply them to coal mine power supply systems to reduce reactive power and harmonic interference in coal mine power supply systems; Thirdly, through the study of coal mine energy monitoring and management technology, the design of the coal 万方数据 III mine distribution network energy consumption network monitoring system based on the MCGS configuration software is completed, the digital bus collection of the coal mine electricity consumption is realized, and the electric energy monitoring and management of the mine is deployed. The system software plat realizes the refined management of electrical energy within the entire coal mine and improves the supervision level of mine power consumption. KEY WORDS Comprehensive electrical energy-saving Reactive optimization Reactive power compensation and filtering Power monitoring and management Improved genetic algorithm MCGS configuration software 万方数据 IV 目 录 1 绪论 ......................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 .............................................................................................. 1 1.2 课题研究现状 .................................................................................................. 2 1.3 本文研究内容 .................................................................................................. 4 2 煤矿电气综合节能需求分析 ................................................................. 6 2.1 煤矿供电系统介绍 .......................................................................................... 6 2.1.1 煤矿供电系统特点 ............................................................................... 6 2.1.2 煤矿主要耗电设备 ............................................................................... 7 2.1.3 地面供配电系统 ................................................................................... 9 2.1.4 井下供配电系统 ................................................................................. 10 2.2 煤矿综合节能系统功能与设计目标 ............................................................ 12 2.2.1 系统功能需求分析 ............................................................................. 12 2.2.2 设计目标 ............................................................................................. 12 2.3 煤矿电气综合节能系统设计方案 ................................................................ 13 2.4 本章小结 ......................................................................................................... 15 3 煤矿供电系统全局无功优化调度技术 ............................................... 16 3.1 煤矿电网无功模型 ........................................................................................ 16 3.1.1 配电网无功优化原则 ......................................................................... 16 3.1.2 配电网数学模型 ................................................................................. 17 3.2 煤矿配电网潮流计算 .................................................................................... 18 3.2.1 配电网常用潮流算法 ......................................................................... 18 3.2.2 煤矿配电网潮流算法确定 ................................................................. 21 3.3 基于改进遗传算法的无功优化 .................................................................... 22 3.3.1 遗传算法概述 ..................................................................................... 22 3.3.2 改进遗传算法在配电网无功优化中的应用 ..................................... 24 3.3.3 基于改进遗传算法与前推回代法的无功优化流程 ......................... 25 3.4 改进遗传算法在煤矿无功优化中的应用 .................................................... 26 3.5 本章小结 ........................................................................................................ 30 4 无功与滤波技术研究 ........................................................................... 31 4.1 无功补偿与滤波原理 ..................................................................................... 32 4.1.1 无功补偿原理 ..................................................................................... 32 4.1.2 无功补偿的优点 .................................................................................. 33 4.1.3 无功补偿的方式 ................................................................................. 34 4.1.4 谐波的产生与治理 ............................................................................. 34 4.2 综合节能装置设计 ........................................................................................ 35 万方数据 V 4.2.1 综合节能装置电容器容量确定 ........................................................ 35 4.2.2 综合节能装置系统结构 .................................................................... 37 4.3 主控制器电路设计 ....................................................................................... 38 4.3.1 三相电参量采集电路 ........................................................................ 39 4.3.2 通信电路 ............................................................................................ 40 4.4 主控制器软件实现 ....................................................................................... 40 4.4.1 基于 FFT 的无功测量算法 ................................................................ 40 4.4.2 电容投切控制 .................................................................................... 43 4.5 仿真与实现 ................................................................................................... 45 4.6 本章小结 ....................................................................................................... 46 5 煤矿配电网能耗联网监控系统设计 ................................................... 47 5.1 系统的组成 ................................................................................................... 47 5.1.1 上位机监测系统 ................................................................................ 48 5.1.2 井下能耗监测与通信分站 ................................................................ 48 5.2 系统通信设计 ................................................................................................ 49 5.2.1 综合节能装置通信设计 .................................................................... 49 5.2.2 智能电表通信设计 ............................................................................ 51 5.2.3 上位机通信设计 ................................................................................ 51 5.3 系统组态设计 ................................................................................................ 54 5.3.1 组态软件介绍 ..................................................................................... 54 5.3.2 触摸屏组态设计 ................................................................................. 59 5.3.3 上位机组态设计 ................................................................................. 57 5.4 工程应用与效益分析 ................................................................................... 61 5.5 本章小结 ....................................................................................................... 61 总结与展望 ............................................................................................... 62 参考文献 ................................................................................................... 64 致 谢 ......................................................................................................... 67 攻读学位期间发表的学术论文目录 ....................................................... 68 独创性声明 ............................................................................................... 69 关于论文使用授权的说明 ....................................................................... 69 万方数据 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 目前，煤矿企业利润虽然有一定程度的回暖，但是实现电气节能、避免电能 浪费仍然是煤矿企业生产的主旋律[1]。煤矿企业要想实现电气节能的目标就需要 从加强市场开拓和强化成本控制两方面着手，而在煤矿生产的各项成本中，电费 已成紧随物料成本、人工成本之后的第三项最大的成本。然而，对绝大多数的煤 矿企业来说，由于煤矿企业管理、生产工艺、生产技术等各方面原因，导致电能 浪费严重，已经成为煤矿企业成本控制的重中之重。因此，通过研究、应用先进 的煤矿综合节能技术，降低煤矿电能浪费，提高煤矿的电能利用率，最大可能的 减少煤矿企业电费支出，提高煤矿企业经济效益已经成为煤矿企业生产的重要任 务。 随着煤矿企业现代化程度的提高，采煤机、运输机、刮板机、转载机等大功 率异步电动机与电力电子设备广泛应用于煤矿供电系统，致使煤矿供配电系统中 的无功功率消耗和谐波干扰增加，导致供电质量下降[2]。 供电质量（包括线损、无功和谐波）是造成煤矿企业电能利用效率低下的重 要原因之一。煤矿企业供电系统存在供电环境复杂、生产设备电机轻载率较高、 供电线路长等诸多问题，因此无功功率的增加对煤矿供电系统的影响更为明显。 煤矿配电系统中无功功率的增加会造成供电线路损耗增加，导致电压下降，影响 煤矿机电设备的正常运行，影响煤矿企业的正常生产。同时，由于煤矿供电系统 中电力电子设备的广泛应用，导致煤矿供电系统谐波含量增加，增加的谐波会严 重危害煤矿供电系统，包括损坏煤矿配电网络元件、损坏变压器、影响通信信号、 损坏微机保护及控制设备，甚至会影响煤矿企业的正常生产[3]。因此提高煤矿供 电系统供电质量，对配电网络进行无功补偿、减少谐波含量势在必行。 企业为了实现电气节能，在无功和谐波治理方面采取了一定措施，但由于缺 乏规划和全局无功优化以及先进的补偿装置，实际节能效果不佳；同时，缺乏有 效的电能监测和管理，管理节能发挥的作用还有待提高，急需开展综合电气节能 技术研究。“矿井电气综合节能技术研究与应用”项目属于 2016 年山东省第一 批技术创新项目，该项目以矿井综合电气节能为目标，通过对全矿供电系统的节 能评估、矿井供电综合节能方案的优化改造和节能装置的研究与应用，为煤矿生 产企业电气节能规划、节能管理以及节能控制等提供技术支撑。 万方数据 煤矿电气综合节能技术的研究与应用 2 1.2 课题研究现状 随着科学技术的不断发展，在煤矿电气节能技术的研究方面也取的了一定的 进展，但目前的研究往往针对某单一的、局部问题，节能效果难以达到最佳，因 而煤矿企业综合电气节能技术方面的研究正逐渐引起高度重视。 （1）低压系统无功和谐波同时补偿技术 煤矿供配电系统中低压配电系统的损耗要远高于高压配电系统，因此，开展 适用于低压配电系统的无功补偿技术研究是煤矿电气综合节能研究的重中之重。 目前，在煤矿低压配电系统中使用最为广泛的是采用投切电容组的方式进行无功 补偿，该补偿方式补偿效果较好，补偿成本较低。然而，为简化设计和控制，其 分组一般较少，投切次数受机械开关限制；而且其对系统适应性差，当系统发生 变化时，可能与系统发生谐振造成谐波放大。由于上述问题的存在导致投切电容 器组的无功补偿方式难以达到理想的要求，接下来出现的晶闸管投切滤波器 （TSF） ，能够避免投切电容组方式的谐振问题，但却无法实现连续调节。以晶闸 管控制电抗器（TCR）[4]为代表的相控技术的出现，虽然能够实现连续无功调节， 但该种方式自身会产生大量谐波，导致自身损耗增加，而且所需的空心电抗器占 地面积大，在低压系统中应用较少。为了提高低压系统无功补偿效果，相继提出 了配电静止同步补偿器DSTATCOM、有源滤波器（APF）等装置，虽然可获得 良好的补偿效果，但其成本高、推广应用受到限制[5]。 （2）低压系统全局无功优化调度技术 全局无功优化调度涵盖了运行方式优化、无功优化以及无功电压控制三个方 面，是保证电网安全运行、提高运行经济性、实现电气节能的重要技术措施和手 段。配电网运行方式优化主要研究对配电网影响最为明显的网络重构和变压器经 济运行两方面[6]，考虑到供电安全性和可靠性，网络重构不经常发生，且变压器 经济运行的决策周期相对较长，在煤矿企业配电网中，可操作性较差。因此针对 煤矿企业的全局无功优化问题，主要开展计及负荷特性的无功优化及无功电压控 制两方面的研究，更具有可操作性。 1）配电网的无功优化 查阅资料可知，国内外对于配电网的无功优化始于很早之前，其中，动态无 功优化与静态无功优化是研究的两个方向。动态无功优化[7]的目的是更好的确定 电容器组和变压器在接下来的一个时间范围内如何实现最优的调节，这属于一个 非线性优化问题，如何实现对该非线性优化问题的快速、准确求解是目前动态无 功优化主要的研究方向。静态无功优化是一种对动态无功优化的简化方式，静态 无功优化的主要研究方向是如何实现在一段时间的时面上对电容器组的投切和 万方数据 青岛科技大学研究生学位论文 3 变压器分接头的调整进行决策[8]。对上述问题的研究主要是通过最优潮流（OPF） 技术来实现的，在实际应用中也是以离线辅助分析为主的。随着计算机水平的提 高以及大容量动态无功补偿技术的逐渐成熟和推广，使得动态无功优化的应用成 为可能和趋势。 煤矿供电系统的无功优化属于非线性优化问题， 该问题具有多目标、 多变量、 多约束的特点[9]。无功优化问题的控制变量不仅有离散变量，而且有连续变量， 因此使得求解过程较为繁琐[10]。目前，有大量的算法可以应用于无功优化，种类 繁多的无功优化算法大致可以分为常规优化算法和人工智能算法两大类。传统无 功优化算法包括非线性规划法、 线性规划法、 混合整数规划法MIP、 动态规划法； 现代人工智能优化算法大致可以分为遗传算法、人工神经网络及专家系统、禁忌 搜索Tabu与模拟退火算法、模糊集理论FS、多智能体优化算法[11]。随着技术 的进步和电力系统的发展，传统的无功优化算法已经无法满足电力系统的无功优 化的需求，根据实际问题的需求，通过利用多种优化算法的混合优化，扬长避短， 充分发挥各个算法自身的优越性，规避算法自身的局限性，更快、更准确地求解 得到最优解，这将成为接下里无功优化算法的发展方向。 2）配电网的无功电压控制 由于受到投资成本和补偿技术限制，基于就地无功平衡原则的电压分布控制 -电压无功控制VQC[12,13]获得了广泛应用，但该控制方式存在电容器组投切范围 窄、容易误动作等问题，近年来，科研人员开始对配电网的集中控制技术－自动 电压控制AVC[14]技术进行研究，并进行了一定程度推广应用。该技术是在调度 侧通过 SCADA 系统采集遥测和遥信数据，进行全网集中无功优化，然后根据优 化结果进行无功电压的在线闭环控制。这种控制模式在实际应用中存在一定的困 难，主要体现在由于电气设备参数、计算边界条件以及算法本身存在的误差， 使在线分析和计算的结果很难与实际电网的状态相符合，也很难依赖计算结果形 成合理的控制策略或者形成的控制策略的应用效果很难达到预期；由于 AVC 技 术进行全网集中优化，需要处理大量的信息和数据，造成控制系统过于庞大，运 行和维护困难。受上述因素的制约，现有 AVC 系统不仅没有充分发挥集中优化 控制的优势，而且造成了控制效率的低下。 （3）配电网能量监控和管理技术 煤矿配电网能量监控与管理系统要求为调度人员提供准确的电网实时信息 以作为事故处理、计划用电和生产统计的依据。早在 20 多年前，国外就已经开 始了对配电网的能量和管理技术的研究，并有较多的研究成果出现。日本主要把 研究重心放在配电自动化方面的研究，包括配电线故障定位及自动隔离、小电流 故障接地选线、雷电预测、配电变压器负荷管理、配电网用户电量自动检测等研 万方数据 煤矿电气综合节能技术的研究与应用 4 究开发[14]。美国则将研究重心倾向于馈线切换操作及自动分段、用户电量遥测、 配电网停电故障分析和维修管理系统的等方面[15]。我国配电网能量监控和管理系 统的研究水平仍较低，其发展一直受到设备和技术的制约。在 90 年代的末期， 我国的企业和科研单位逐渐领会到对配电网研究的重要性，于此同时，我国的科 技水平也进一步提升，我国配电网的自动化研究开始了迅猛的发展[16]。 目前，随着煤矿开采条件的日趋恶劣，井下用电设备的数量越来越多，煤矿 对电气节能、生产管理等方面的需求越来越高，因而有必要开展对煤矿企业的配 电网能量监控与管理系统研究。煤矿企业的配电网能量监控与管理系统要求可以 实时监测矿井电网供电系统中各个用电设备的用电情况，并具有用电设备实时数 据展示，设备故障实时报警以及自动生成数据报表等功能，为实现煤矿配供电系 统的自动化运行提供条件[17]。 综上所述，随着科学技术的不断发展，国内外在大型工业企业能源节约方面 做了诸多的探索与尝试，取得了较为显著的成果。然而，对于煤矿这种比较特殊 的企业，在综合节能方面的研究仍然存在着不足，因此，我们对煤矿综合节能技 术的研究是十分有必要的。 1.3 本文研究内容 煤矿企业即是产能大户，也是耗能大户。随着科技的发展与进步，煤矿企业 在如何实现供电系统电能节约方面也做了诸多尝试，但是由于缺乏先进的节能设 备、有效的电能监管系统，在煤矿电力系统综合节能方面仍然无法取得令人满意 的效果。本文通过对煤矿供电系统的特点分析，提出适用于煤矿供电系统的多种 节能技术，并将这些技术应用于煤矿供电系统，达到综合节能的效果。本文的主 要研究内容分为如下几个方面 第一章重点介绍了煤矿供电系统节能技术的研究背景、意义、国内外研究现 状以及本文的主要研究内容。 第二章从煤矿供电系统的特点出发，对系统中的主要耗电设备和系统运行现 状进行分析，指出煤矿供电系统中存在着的大量无功功率与谐波是造成电能质量 下降、电能浪费的主要原因。基于上述问题提出可以从对煤矿供电系统进行全局 无功优化分析、在合适的无功补偿点安装高性能无功补偿与谐波抑制装置、部署 矿井电气能量监视与管理系统软件平台三方面进行电气节能，完成煤矿电气综合 节能总体方案设计。 第三章通过对煤矿全局无功优化调度技术的研究，提出了基于前推回代法潮 流计算法与改进遗传算法的煤矿供电系统无功优化，计算得出供电系统潮流分 万方数据 青岛科技大学研究生学位论文 5 布，确定煤矿最优补偿装置安装位置。首先确定煤矿电网的无功模型，然后通过 对潮流计算算法的分析比较确定利用前推回带代法对煤矿配电网进行潮流计算， 之后对改进遗传算法做了详细的介绍，并将该算法应用于煤矿配电网的无功优化 中，计算得到煤矿供电系统潮流分布并确定煤矿节能装置的安装位置。 第四章通过对低压无功与滤波同时补偿技术的研究，通过快速傅里叶变换 （FFT）和九域图控制算法实现配电网电参量采集与电容器投切控制，分别从硬 件设计与软件实现两方面完成了适用于煤矿低压供电系统的综合节能装置的设 计，并成功应用于煤矿供电系统，运行稳定、节能效果明显。 第五章通过煤矿电能监控与管理技术的研究， 设计了一种基于 MCGS 组态软 件的煤矿电网能耗监控与管理系统，该系统由上位机监测系统与井下监测与通信 分站两部分组成， 井下监测分站通过安装有嵌入版 MCGS 组态软件的触摸屏实现 与矿用多功能电表和综合节能装