韩家村选煤厂电力智能监控系统研究与应用
时间：2024-05-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：科技引领
韩家村选煤厂电力智能监控系统研究与应用
0 引言
国能包头能源有限责任公司煤炭洗选分公司(以下简称“韩家村选煤厂”)供电监测区域包括10 kV高压配电室、4号成品仓配电室、旧主选配电室、筛分车间配电室、新主选配电室、装车塔楼配电室等配电室。通过各变电所及配电室相应配备的通信管理机、光纤环网交换机及配套的不间断电源等设备监控数据采集传输，将该选煤厂所有高、低压供配电系统的综保、多功能仪表、开关、电动机保护装置等数据统一纳入选煤厂电力监控系统进行管理，同时将数据信息上传至MES智能生产管理平台系统。然而在传统系统的功能中，缺少对于关键的配电设备历史运行参数分析，同时缺少设备运行数据的深度数据挖掘，无法提供完整配电室内配电设备运行监测的解决方案[1-3]。
李伟等[4]针对电网监测中出现的故障，引入残差全连接神经网络，设计电力监控系统故障检测方法。将半监督学习与深度学习融合，构建残差全连接的次级神经网络模型，并将其作为系统故障检测的分类模型。通过对训练样本特征在神经网络中的子空间、含有标签的训练样本子集和残差全连接层的层数进行多种形式的组合，在样本特征的混合扰动下，构建差异性特征的分类器。通过计算分类器的误差率，通过加权多数表决对无标记样本数据进行增量学习，生成分类器。实验证明，与已有算法相比，该算法具有更高的识别精度和收敛性，能够快速准确地识别出电力监控系统中的异常行为，减少对训练样本的标注代价。方崇全[5]为解决矿井电力供应监测中由于监测分站出现故障而造成的远距离监测不能使用的问题，提出了一种监测分站冗余的矿井电力供应监测体系，2个监测分站相互作为热备份，各监测分站间以光纤通信方式保持同步运行。采用RS485总线通信系统中2个监视分站与电源保护设备间的RS485总线通信的硬件互锁线路，实现了监视分站的热备份。实践证明，在一个监测分站出现故障时，30 s以内就可以启动另一个监测分站，对提升矿井电力监测的可靠性具有重要意义。
基于以上研究背景，笔者以韩家村选煤厂为研究对象，设计了电力智能监控系统，从而实时掌握韩家村选煤厂的电力运行情况。
1 韩家村选煤厂概况
韩家村选煤厂位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西北约7 km处，原煤品种属于不粘煤-长焰煤，产品为洗精煤和选混煤，发热量大于4 650 kcal/kg和4 250 kcal/kg，洗精煤粒度为50～200 mm，硫分<0.8%，选煤方法是200～50 mm大块煤采用重介浅槽分选，50～0 mm小块煤采用复合式风力干选机分选工艺，处理原煤能力为1 200万t/a。韩家村选煤厂采用的电力监控系统为传统监控系统，检测信息包括10 kV中压配电柜所有回路的断路器/负荷开关的开关状态，0.4 kV回路的三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等各种电参量和报警信息等。现阶段系统由于运行时间较长，存在运行卡顿现象(响应时间长)，系统监控效果较差，此外电力监控数据传输信道信号由于受到外界干扰，导致电力监控数据的传输质量较差，间接导致电力设备运行的经济性较低，用电量较高。
2 电力智能监控系统设计
2.1 系统总体架构设计
在韩家村选煤厂中，电力智能监控系统采用分层分布式的后台主站层、通信间隔层和现场设备层3个层次，其总体架构如图1所示。
图1 电力监控系统总体架构
(1)后台主站层。后台主站层设置在选煤厂值班室内部，是电力智能监控系统的核心管理层。主要设备包括后台主机、键盘、鼠标和音箱等。后台主站层负责对通信间隔层传输过来的数据进行解析、管理与分析[6]，通过数据解析和分析后，后台主站层可以实时监控整个电力系统的运行情况，并做出合理的决策。此外，后台主站层还具备与选煤厂生产管理平台进行数据交互的功能，将选煤厂的电力数据传输给生产管理平台，用于生产管理的决策支持。
(2)通信间隔层。通信间隔层位于选煤厂内部，连接后台主站层和现场设备层。通信间隔层的主要任务是与现场设备层中的各种电力设备进行通信，采集并加工电力设备的运行数据[7]。通信间隔层起到中转站作用，接收后台主站层发出的命令，并将命令传递给现场设备层中的各种设备，采集的智能设备遵循Modbus规约，采用RS485通信方式，各配电室之间采用光缆传输，通过CloudEngine 16808 CE16800数据交换机进行内部传输数据包。同时，通信间隔层还负责将采集的数据封装处理后传输给后台主站层，提供全面的电力系统状态信息。
(3)现场设备层。现场设备层位于选煤厂内部的现场区域，是电力智能监控系统中的数据采集单元。现场设备层通过与通信间隔层进行通信，接收命令并控制电力设备的运行状态。采集的数据包括电力设备的实时状态、电流电压等参数，实现监测和反馈功能，采集设备包括GHR3351压力传感器、GHR-SH温度传感器和MCZJK22电流传感器等，变电所内具体采集智能设备包括10 kV综保(具备RS485接口，支持Modbus规约)、马达保护装置(具备RS485接口，支持Modbus规约)等。此外，现场设备层还应具备一定的自动化控制能力，能够根据设定的条件自动执行相应的控制策略，提高整个电力系统的运行效率和可靠性。
2.2 系统功能设计
采用组态软件布置在地面集控中心的监控计算机上，实现韩家村选煤厂电力智能系统的监测和控制需求。电力智能监控系统功能模块主要分为通信与数据处理模块、报表处理模块、图形界面模块、报警处理模块、权限设置模块和数据库模块。以上模块共同构成了电力智能监控系统的核心功能，通过各个模块的协同工作，实现对电力系统全面、高效、安全的监控和管理。电力智能监控系统功能设计如图2所示。
图2 电力监控系统功能设计
(1)通信与数据处理模块。该模块与现场设备建立通信连接，通过现场设备层的传感器实时采集电力设备的运行数据，包括电压、电流、功率因数、温度等各种参数。该模块能够根据要求进行数据的周期性或触发式采集，并确保所采集数据的准确性和完整性。采集到的原始数据通常需要进行解析和封装，使其符合特定的通信协议格式，以便与后台主站层进行有效的数据交互。该模块会对采集到的数据进行解析，提取有用信息，并将其封装成相应的数据报文或数据帧。经过解析和封装的数据需要通过合适的通信方式传输给后台主站层。该模块会自动选择如以太网、无线通信等合适的通信协议和通信介质，将数据通过网络传输给主站层。该模块需要保证数据传输的稳定性、可靠性和实时性。该模块不仅能够接收后台主站层发送的命令，还可以将这些命令传递给对应的设备执行，同时能够针对不同的设备类型和通信协议进行命令的解析和格式转换，以确保设备间的操作性和正确的控制指令下发。
(2)报表处理模块。该模块用于生成各类报表，以提供电力系统的运行统计和分析结果。该模块可以根据系统配置进行自动化报表生成，包括设备运行时间统计、能耗统计等。用户还可以根据需求进行自定义报表的生成。该模块提供可视化的报表界面，方便用户查阅和导出报表数据。
(3)图形界面模块。该模块是用户与电力智能监控系统交互的界面，提供直观、友好的操作界面。用户可以通过图形界面查询设备状态、进行参数设置、查看历史数据等操作。该模块采用如仪表盘、曲线图等图形化的方式显示电力设备的实时状态，以便用户能够清晰地了解设备的运行情况。
(4)报警处理模块。该模块负责对电力系统中的异常情况和告警信息进行监测和处理。当系统检测到设备运行异常、电力供应不稳定等情况时，会及时生成告警信息，并通过图形界面或其他方式进行提示。同时，该模块还提供了告警处理功能，如告警级别划分、处理流程配置等，以保证告警信息得到及时响应和处理。
(5)权限设置模块。该模块用于对系统的用户权限进行管理和设置。通过权限设置模块，管理员可以为不同用户分配不同的权限级别，以限制其对系统各个模块和功能的访问和操作，不仅可以保护系统的安全性和数据的保密性，而且可以防止未经授权的操作对系统造成损害。
(6)数据库模块。该模块用于存储和管理电力系统的相关数据，具备数据存储、查询和备份功能，存储的数据包含历史趋势图、事件记录表等。数据库模块可以保障数据的完整性和可靠性，同时该模块还可以提供对历史数据的分析和统计功能，为后续的决策和优化提供支持。
2.3 系统硬件电路设计
根据电力智能监控系统的网络结构，设计电力监控器的硬件电路，实现系统的硬件设计。将微控制器嵌入到电力监控器的硬件电路中，选择73S169DT型号的单片机作为控制核心，与累加器结构的CPU相比，该单片机程序代码更加简洁，存储空间的利用率也更高，因此，将该单片机用于电力监控器硬件电路的实时控制中能过提高电力智能监控系统的性能[8]。该单片机操作直接对内存中的全部数据寄存器进行，能够避免一些微处理器仅使用累加器进行运算的“瓶颈”，因此计算效率和数据吞吐能力都得到较大提升。
电力智能监控器采用了一种由数字信号处理器与单片机组成的双CUP并行处理技术，可以在同一时间内完成数据的采集与信号处理。通过DSP对数据的处理功能，使电力智能监控系统能够同时采集多个电压和电流信号[9-11]。电力智能监控器硬件电路示意如图3所示。
图3 电力智能监控器硬件电路示意
由图3可以看出，电压和电流信号经电压变换器和二次电流互感器后，被变换成能够被模拟/数字变换器接收的水平信号，并被直接输入到ADSP-2185的各种信道中。由MCU充当主机，启动DSP程序后加载数据，与DSP交换数据并分析结果。DSP主要负责对电压电流信号进行数字滤波、谐波分析以及其他有关的参数运算。
煤矿通信网络大多采用RS485总线方式，有一部分设备采用CAN总线通信，基于“工业以太网+现场总线”结构模式的通信分站设计需要实现RS485总线与以太网通信的无缝连接以及CAN总线与以太网通信的无缝连接。针对设计的需要，设计采用ARM微控制器+以太网控制芯片为主的核心方案，通过微控制器内嵌实时操作系统和开放的TCP/IP网络协议栈实现RS485和CAN总线与以太网的无缝通信，同时通过具有标准串行外设接口的以太网控制芯片实现转换接口的连接。作为电力智能监控系统的核心设备，通信分站的硬件设计主要包括微处理器、以太网驱动电路、以太网接口电路、电源电路、存储器接口、RS485接口以及存储器接口等电路。通信分站可以实现不同总线协议间的转化，提高系统的兼容性，为韩家村选煤厂不同型号电力设备之间信号的互联提供必要的支持。
2.4 系统软件设计
在完成电力智能监控硬件设计后，设计系统的软件，主要分为电力监控数据传输信道信号滤波处理和电力智能监控算法2个部分。
2.4.1 电力监控数据传输信道信号滤波处理
由于韩家村选煤厂的电力监控数据传输信道信号受到外界干扰，导致电力监控数据的传输质量较差，因此为了提高电力监控数据传输信道的性能，引入滤波算法处理传输信道信号。将选煤厂电力设备的运行数据存储到后台主站层，以保证监控数据获取的实时性。
根据电力设备的编号可以确定运行状况，通过建立电力设备运行状况对应的数据采集单元，采集电力监控数据传输信道信号。为了增强电力监控的抗干扰性能，对采集的电力监控数据传输信道进行滤波处理，构建电力监控数据滤波处理的数字滤波器，得到处理后的传输信道中电力监控数据。利用因果条件和稳定性条件下的数字滤波器，对电力监控数据传输信道信号进行滤波处理，从而获取高质量的电力监控数据，为电力智能准确监控奠定基础[12-13]。
2.4.2 电力智能监控算法
为了使电力监控器屏幕中显示的数据具有原始特征，将每一个电力监控数据的概率密度分布视为原始特征，该步骤通过设置全局最大阈值筛选特征。为了从电力监控数据中获取电力运行最佳特征集合，利用线性分类器分类电力监控数据，得到分类后的电力监控数据[14]。基于分类结果，结合电力运行异常阈值和韩家村选煤厂的电力运行情况，增加偏置分量项，构建选煤厂的电力智能监控函数，实现韩家村选煤厂电力智能监控软件设计。
综上所述，通过对电力监控数据传输信道的滤波处理[15]，提高监控信道的性能，以此为基础，考虑电力监控数据的原始特征，结合损失函数，设计了电力智能监控算法，实现电力智能监控系统监控选煤厂电力设备的温度、电压等。电力智能监控系统温度监控功能可视化展示如图4所示。
图4 电力智能监控系统温度监控功能可视化展示
3 测试效果
电力智能监控系统设计完成后，根据韩家村选煤厂电力设备的运行特点，对系统进行了测试，设置的硬件环境包含数据库服务器，16 GB内存，采用Intel(R)Core(TM)5 Duo T8700 5.60 GHz中央处理器，操作系统为Windows 7，使用MYSQL 6.4.10数据库。在上述测试环境下，搭建了电力智能监控系统测试平台。
2022年10月-2023年5月，通过上述平台测试完成后，电力智能监控系统在韩家村选煤厂开始试运行，监控的电力设备包括变压器、破碎机、给料机、精煤离心脱水机、10 kV中压配电柜等。韩家村选煤厂电力智能监控系统界面如图5所示。
图5 韩家村选煤厂电力智能监控系统界面
在试运行期间，根据选煤厂实际情况多次调整了系统并不断完善系统功能，最终该系统运行效果良好，可以有效监控韩家村选煤厂电力设备。
(1)利用电力智能监控系统监控韩家村选煤厂的5个电力设备(破碎机、给料机、刮板输送机、重介浅槽分选机、精煤离心脱水机)，统计了电力设备运行1个月的电费情况。对韩家村选煤厂进行电力监控之前，5个电力设备运行1个月的电费均超过了20万元，而利用电力智能监控系统对韩家村选煤厂实施电力监控之后，可以将电力设备运行一个月的电费降低到10万元以下，电费大幅度降低。
(2)在电力监控数据的不同归一化值下，测试系统的响应时间。采用电力智能控制系统时，响应时间在0.2 s以内，电力监控器可以为系统提供清晰的画面支持，并通过电力监控数据的滤波处理，提高了电力监控的抗干扰性能，加快了系统的响应速度。
(3)电力智能监控系统支持历史数据存储、查询和分析等功能，可以满足故障和运行正常的数据查询，通过数据分析，可准确判断出电力故障，从而对韩家村选煤厂电力设备进行精确高效地监控。
(4)通过实时监控和分析，优化了电力的供应和消耗，减少了无效能源的浪费，提高了整体电力使用效率，同时能够及时发现电力设备的故障和隐患，通过采取必要的预防措施，避免了因设备故障造成的生产中断和损失。此外，系统记录的历史数据更加准确，生成的相关报告为企业的管理决策提供了有效的参考依据。
4 结语
电力智能监控系统为提高韩家村选煤厂的电力运行的经济性和降低系电力监控系统的响应时间提出了一种新的电力智能监控解决方案，通过测试应用表明，该系统具有较好的经济性，系统运行效果良好，可以有效监控选煤厂电力设备。
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Rsearch and application of power intelligent monitoring system in Hanjiacun Coal Preparation Plant
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LI Ming，LIU Yijuan，ZOU Shiqiang，et al.Rsearch and application of power intelligent monitoring system in Hanjiacun Coal Preparation Plant[J].China Coal，2024，50(2)：84-89.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.02.011
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