李嘉儀，李小鋒

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)股份有限公司 西安分公司，陜西 西安 710054)

煤礦配電系統(tǒng)是向礦井提供電力服務(wù)的系統(tǒng)，其主要由各級(jí)變電所、電壓等級(jí)以及輸配電線路組成，通常情況下該配電系統(tǒng)分為深井和淺井2種配電系統(tǒng)。煤礦在開采以及正常作業(yè)過(guò)程中[1]，電能是其主要能源。因此，需保證供電的安全性、電能的可靠性、良好的供電質(zhì)量以及節(jié)能降耗。煤礦配電系統(tǒng)在選擇時(shí)是依據(jù)礦井的深度決定，通常情況下礦井距離地表的距離在200 m以內(nèi)的為小礦井[2]，該類礦井通常采用淺井配電系統(tǒng)，如果距離大于200 m的礦井則采用深井配電系統(tǒng)。配電系統(tǒng)在支撐煤礦供電過(guò)程中，機(jī)電設(shè)備的功率很大、并且供電距離較遠(yuǎn)，并且，隨著開采作業(yè)面的不斷加深，配電線路以及相應(yīng)設(shè)備的不斷深入，則會(huì)導(dǎo)致配電過(guò)程中發(fā)生不同程度的電能損耗，且能源消耗較大。對(duì)于煤礦企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何控制煤礦配電系統(tǒng)的能耗[3]，成為煤礦企業(yè)運(yùn)行管理中的一個(gè)重要部分。BIM也稱為建筑信息模型，其能夠完成建筑工程的三維模型構(gòu)建，并且可提供詳細(xì)工程的信息，其依據(jù)數(shù)字化技術(shù)完成，多方人員可通過(guò)BIM模型協(xié)同工作[4]，可使工作效率顯著提升。為實(shí)現(xiàn)能耗有效控制，李鵬等[5-6]分別對(duì)此展開研究，提出基于任務(wù)調(diào)度和基于功率預(yù)測(cè)的能耗控制方法，上述方法在能耗控制過(guò)程中，主要依據(jù)電能需求和運(yùn)行功率完成能耗控制，但是在控制過(guò)程中，上述方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電系統(tǒng)的所有信息集成以實(shí)時(shí)共享。本文提出基于BIM的煤礦配電系統(tǒng)節(jié)能降耗方法，利用BIM的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)能耗的優(yōu)化控制。

1 配電系統(tǒng)節(jié)能耗控制方法

1.1 煤礦配電系統(tǒng)BIM平臺(tái)

配電系統(tǒng)BIM通過(guò)參數(shù)化信息模型完成配電系統(tǒng)全部生命周期中信息的集成，可將該信息在決策、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)以及施工等過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，便于多方參與人員了解、掌握配電系統(tǒng)的全面運(yùn)行狀態(tài)和信息[7]。BIM能夠在配電系統(tǒng)運(yùn)行的全部過(guò)程中，可依據(jù)數(shù)字化技術(shù)完成配電系統(tǒng)實(shí)體數(shù)據(jù)信息的集成以及虛擬仿真化的呈現(xiàn)，用時(shí)形成完整項(xiàng)目，為相關(guān)人員的隨時(shí)調(diào)用提供模型數(shù)據(jù)，并且能夠進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的調(diào)整和修改，在滿足配電系統(tǒng)物理和功能兩種特性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建模(圖1)。BIM具備8大主要特性，分別是可視化、實(shí)體模擬、溝通協(xié)調(diào)性、修改優(yōu)化性、高效出圖、參數(shù)化、一體化以及信息完備?；谄渖鲜鎏匦?，BIM模型在描述配電系統(tǒng)的物理、幾何、專業(yè)以及運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，可完成時(shí)間和成本相關(guān)特性的描述。

1.2 系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)集成

在對(duì)煤礦配電系統(tǒng)實(shí)行能耗控制前，需對(duì)配電系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)實(shí)行集成，依據(jù)BIM的數(shù)據(jù)集成優(yōu)勢(shì)，完成配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)集成[8]。在集成過(guò)程中，依據(jù)配電系統(tǒng)在不同應(yīng)用階段內(nèi)的變化為依據(jù)，結(jié)合不同的軟件完成能耗數(shù)據(jù)集成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)幾何和屬性信息的轉(zhuǎn)換，其中包含的軟件有OBJ格式、解析DWG、DXF等文件格式、EPM Technology、BIMserve等，基于上述軟件實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和共享，基于BIM的配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)集成框架如圖2所示。

圖1 配電系統(tǒng)BIM數(shù)字化建模模型Fig.1 BIM digital modeling model of distribution system

圖2 基于BIM的配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)集成框架Fig.2 Energy consumption data integration framework of distribution system based on BIM

配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)在集成過(guò)程中，通過(guò)AutoCAD平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的批量處理后導(dǎo)入3DMax/Maya建模軟件中，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的模型生成，同時(shí)以煤礦配電系統(tǒng)的能耗控制需求以及實(shí)際情況對(duì)模型的精度和粒度實(shí)行劃分處理，利用3DS/OBJ等通用格式完成文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出，將該文件導(dǎo)入至BIM軟件中，將其作為配電系統(tǒng)的模型生成的構(gòu)件或者單元，完成參數(shù)化建模以及空間位置的集成；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)GIS/BIM完成能耗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及模型的輕量化處理，形成BIM模型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)全部的煤礦配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)交互、查詢的需求，同時(shí)為能耗控制提供全面、完整的能耗數(shù)據(jù)。

1.3 配電系統(tǒng)BIM特征應(yīng)用

由于BIM能夠高度完成配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)的集成，參數(shù)配電系統(tǒng)整個(gè)生命周期，因此能夠?yàn)槊旱V配電管理決策提供可靠的依據(jù)，同時(shí)BIM集成的煤礦配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)中包含豐富的數(shù)據(jù)特征，為實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)能耗的控制，需準(zhǔn)確掌握數(shù)據(jù)中能耗數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，組合可采用配電系統(tǒng)的BIM特征完善能耗數(shù)據(jù)時(shí)間序列，以此可提升能耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確描述和刻畫。配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)的BIM特征是建立在配電系統(tǒng)全部能耗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。因此，其可分為配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息和運(yùn)行信息，前者是描述配電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，后者則是面向BIM開發(fā)人員的配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯式特征，并依據(jù)該特征的直接相關(guān)性，完成配電系統(tǒng)的模型建立，確定的BIM特征描述見表1。表1中的4個(gè)分類特征可直接作為特征進(jìn)行使用，采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式完成特征變換，使其形成向量，采用拼接組合的方式對(duì)多個(gè)向量化的類別特征實(shí)行處理，形成BIM特征。

表1 煤礦配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)的BIM特征Tab.1 BIM characteristics of energy consumption data of coal mine distribution system

1.4 煤礦配電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)

1.4.1 煤礦配電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型工作原理

為實(shí)現(xiàn)煤礦配電系統(tǒng)能耗的有效控制，需明確配電系統(tǒng)的能耗情況。本文在能耗控制前，對(duì)煤礦配電系統(tǒng)的能耗情況實(shí)行預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)過(guò)程中，以表1的BIM特征為依據(jù)，將注意力機(jī)制(Attention Mechanism，AM)和長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-term Memory Units，LSTM)相結(jié)合，形成預(yù)測(cè)模型，完成煤礦配電系統(tǒng)的特征序列獲取、重構(gòu)以及預(yù)測(cè)。煤礦配電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型工作原理如圖3所示。

2.4.2 煤礦配電系統(tǒng)的特征序列獲取以及重構(gòu)

定義外因序列X，其是指長(zhǎng)度為T的耗電單位時(shí)間序列，且不包含目標(biāo)序列Y，Y的數(shù)量為n；數(shù)量為n+1的耗電單位的BIM特征用B表示，合理運(yùn)用Z能夠保證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。本文在對(duì)能耗預(yù)測(cè)前，需先獲取以及重構(gòu)煤礦配電系統(tǒng)的特征序列，采用AM和LSTM結(jié)合完成。通過(guò)編碼器先對(duì)輸入能耗數(shù)據(jù)實(shí)行特征提取[9]，形成每個(gè)特征對(duì)應(yīng)的編碼向量。

圖3 煤礦配電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型工作原理Fig.3 Schematic diagram of energy consumption prediction model of coal mine distribution system

但是煤礦配電系統(tǒng)存在多變量時(shí)間序列，并且與之間的關(guān)聯(lián)程度不確定，因此定義輸入編碼器中的能耗數(shù)據(jù)為全電力序列為V=(v1，v2，…，vT)，其中Vt∈Rn+1，n為數(shù)量，對(duì)應(yīng)外因序列；t時(shí)刻下，輸入序列的編碼向量用ht表示，vt至hf的映射關(guān)系為：hf=(fht-1，fvt)，m表示編碼長(zhǎng)度；f表示映射關(guān)系，對(duì)應(yīng)輸入和編碼2種向量之間。對(duì)輸入的V實(shí)行重構(gòu)，對(duì)重構(gòu)后的序vt←BIM-Attention(vt)實(shí)行編碼；對(duì)分配權(quán)重實(shí)行學(xué)習(xí)，其通過(guò)注意力機(jī)制完成。則在t時(shí)刻時(shí)，第k個(gè)外因序列權(quán)重計(jì)算公式為：

(1)

(2)

為獲取全電力序列的權(quán)重向量，計(jì)算全電力序列的權(quán)重，然后獲取長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，從而獲取煤礦配電系統(tǒng)的特征序列，從而獲取煤礦配電系統(tǒng)的能耗預(yù)測(cè)值[10]，對(duì)特征序列實(shí)行解碼處理，解碼后，完成煤礦配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)的重構(gòu)，并且解碼后的序列與解碼前序列的形式存在差異，BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)行為在此情況下不會(huì)發(fā)生改變，因此，表示解碼后的數(shù)據(jù)內(nèi)容不會(huì)發(fā)生變化，能夠保證數(shù)據(jù)的完成性。

1.4.3 煤礦配電系統(tǒng)的能耗預(yù)測(cè)

通過(guò)上述步驟完成煤礦配電系統(tǒng)的特征序列獲取以及重構(gòu)，在此情況下，為了提升能耗預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，對(duì)重構(gòu)的配電能耗數(shù)據(jù)實(shí)行歸一化處理，使數(shù)據(jù)均處于一定的區(qū)間內(nèi)，不存在大小不一的數(shù)據(jù)，以此可提升預(yù)測(cè)效率以及精度。因此，將重構(gòu)后的數(shù)據(jù)歸一化處理使其位于[-1，1]，以此保證重構(gòu)后數(shù)據(jù)中的BIM特征以及其他能耗特征均能夠在預(yù)測(cè)中發(fā)揮最大作用，同時(shí)保證能耗數(shù)據(jù)中變量的維度相同，將能耗數(shù)據(jù)目標(biāo)序列中的多個(gè)歷史值和預(yù)測(cè)值實(shí)行拼接，將其通過(guò)LSTM完成能耗預(yù)測(cè)。

1.5 煤礦配電系統(tǒng)的能耗優(yōu)化控制

獲取煤礦配電系統(tǒng)能耗的預(yù)測(cè)值后，采用模糊能耗控制方法對(duì)預(yù)測(cè)實(shí)行優(yōu)化控制，在煤礦配電系統(tǒng)信息管理模式下[13]，能耗控制決策函數(shù)為：

(3)

為獲取煤礦配電系統(tǒng)能耗控制的適應(yīng)度函數(shù)之間的分布關(guān)系，且在BIM環(huán)境下，利用最小二乘法對(duì)能耗數(shù)據(jù)實(shí)行回歸分析完成，則在BIM環(huán)境下配電系統(tǒng)的能耗控制模糊決策函數(shù)，依據(jù)模糊控制的決策調(diào)度獲取能耗控制的反饋函數(shù)，根據(jù)反饋函靈敏完成煤礦配電系統(tǒng)能耗控制。

2 應(yīng)用性能分析

2.1 煤礦配電系統(tǒng)的設(shè)置

為測(cè)試本文方法在煤礦配電系統(tǒng)能耗控制中的應(yīng)用性能和控制效果，將本文方法用于某煤礦中，對(duì)其配電系統(tǒng)實(shí)行節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)其能耗控制。該配電系統(tǒng)中共包含36個(gè)節(jié)點(diǎn)，6組電容器組，共有3條饋線，其基準(zhǔn)電壓為10 kV。有載分接頭變壓器額定容量為10 MVA，該配電系統(tǒng)在實(shí)行能耗控制前。對(duì)該煤礦配電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)行采集，采集時(shí)間間隔為1 h，每天采集24次，采集獲取的數(shù)據(jù)共720個(gè)，期望的數(shù)據(jù)失效率低于0.5%。采用本文方法依據(jù)應(yīng)用對(duì)象的配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建BIM模型，模型的部分情況如圖4所示。

2.2 煤礦配電系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)集成效果

為衡量本文方法的配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)集成性能，以數(shù)據(jù)集成失效率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試本文在對(duì)不同屬性數(shù)量的能耗數(shù)據(jù)實(shí)行集成時(shí)的失效率結(jié)果(圖5)。分析圖5測(cè)試結(jié)果可得，隨著采集的能耗數(shù)量逐漸增加，不同屬性數(shù)量的數(shù)據(jù)的集成失效率結(jié)果存在一定的差異，但是該差距較小，屬性數(shù)量越多數(shù)據(jù)集成后的數(shù)據(jù)失效率則相對(duì)略高，但是整體數(shù)據(jù)失效率均低于 0.3%。因此，表明本文方法具備良好的數(shù)據(jù)集成性能，是由于本文方法采用GIS/BIM完成能耗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及模型的輕量化處理，形成BIM模型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，因此，可最大限度保證數(shù)據(jù)的完整性。

圖4 煤礦配電系統(tǒng)的BIM模型(局部)Fig.4 BIM model of coal mine power distribution system(local)

圖5 煤礦配電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)集成效果Fig.5 Energy consumption data integration effect of coal mine distribution system

2.3 煤礦配電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)效果

為測(cè)試本文方法對(duì)于配電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)的性能，采用擬合優(yōu)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

(4)

擬合優(yōu)度值越接近1表示擬合程度越好，即本文方法的預(yù)測(cè)性能越好；反之則越差。依據(jù)式(4)獲取本文方法對(duì)采集的能耗數(shù)據(jù)實(shí)行預(yù)測(cè)，獲取不同時(shí)段內(nèi)的擬合優(yōu)度(圖6)。分析圖6進(jìn)行分析可得：在不同的時(shí)間段內(nèi)，煤礦配電系統(tǒng)的能耗預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定差異，表示煤礦配電系統(tǒng)在不同的時(shí)間段內(nèi)損失的能量不相同，并且本文方法對(duì)能耗的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際能耗結(jié)果之間的擬合優(yōu)度值較高，表示本文方法能夠可靠預(yù)測(cè)出配電系統(tǒng)的能耗結(jié)果。

圖6 煤礦配電系統(tǒng)能耗的預(yù)測(cè)效果Fig.6 Prediction effect of energy consumption of coal mine distribution system

2.4 煤礦配電系統(tǒng)能耗控制最佳適應(yīng)度系數(shù)

本文方法在對(duì)能耗實(shí)行控制時(shí)，需確定最佳的適應(yīng)度系數(shù)，以能耗控制收斂值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，獲取在不同取值下能耗控制收斂值的變化情況，將最小收斂值結(jié)果對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度系數(shù)取值作為最佳取值，結(jié)果如圖7所示。分析圖7測(cè)試結(jié)果可得，在適應(yīng)度系數(shù)取值為0.4時(shí)，能耗控制收斂值最小。因此，確定本文方法的適應(yīng)度系數(shù)最佳取值為0.4，并用于后續(xù)應(yīng)用中。

圖7 最佳的適應(yīng)度系數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Best fitness coefficient test results

2.5 煤礦配電系統(tǒng)能耗控制效果

為測(cè)試本文方法的能耗控制效果，以功率耗損情況以及節(jié)點(diǎn)電壓的變化情況作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試應(yīng)用對(duì)象的配電系統(tǒng)在控制前后功率損耗以及電壓的變化情況，結(jié)果如圖8和圖9所示。由于篇幅有限，結(jié)果僅隨機(jī)呈現(xiàn)10個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)果。分析圖8和圖9的測(cè)試結(jié)果可得：控制前后，36個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率損耗結(jié)果之間存在明顯差異，控制前，功率的損耗結(jié)果存在顯著的波動(dòng)變化，并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)功率損耗結(jié)果均在0.025 MW以上；控制后，各節(jié)點(diǎn)的功率損耗結(jié)果均低于0.015 MW。此外，控制前各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)較大，控制后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓相對(duì)較為平穩(wěn)，均在0.94 p.u.左右波動(dòng)。因此，本文方法的能耗控制效果良好，控制后，能夠降低配電系統(tǒng)的能量損失，能夠保證電壓的平穩(wěn)。

圖8 煤礦配電系統(tǒng)的功率損耗測(cè)試結(jié)果Fig.8 Power loss test results of coal mine power distribution system

圖9 煤礦配電系統(tǒng)的電壓變化結(jié)果Fig.9 Voltage change results of coal mine power distribution system

3 結(jié)語(yǔ)

電能是保證煤礦正常、安全開采的保證，但是煤礦在實(shí)際開采過(guò)程中其配電系統(tǒng)在開采面不斷深入的情況下，其供電線路也不斷發(fā)生改變，會(huì)造成電能發(fā)生不同程度的損耗。為對(duì)該損耗實(shí)行有效控制，本文研究基于BIM的煤礦配電系統(tǒng)節(jié)能降耗方法，實(shí)現(xiàn)煤礦配電系統(tǒng)的能耗控制。經(jīng)測(cè)試，本文方法具備良好煤礦配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成性能，可最大限度保證數(shù)據(jù)的完整性，并且能夠可靠預(yù)測(cè)配電系統(tǒng)的能耗結(jié)果，即使配電系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗存在差異時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果依據(jù)與實(shí)際結(jié)果吻合，并且經(jīng)過(guò)本文方法控制后，煤礦配電系統(tǒng)的功率損耗明顯下降且穩(wěn)定。