煤礦配電網(wǎng)故障預(yù)測(cè)技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安江偉

0 引言

煤炭資源是我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展的最堅(jiān)強(qiáng)保障，隨著煤炭開(kāi)采過(guò)程中科技含量的不斷提高，所使用的電氣設(shè)備越來(lái)越多，進(jìn)而導(dǎo)致礦井的用電負(fù)荷急劇增加，一旦電力中斷，生產(chǎn)將被迫停止。煤礦供電系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，礦井供電系統(tǒng)的分層分布式結(jié)構(gòu)上，為了確保煤礦生產(chǎn)的安全運(yùn)行，需要采取有效的措施，確保供電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。煤礦供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，線(xiàn)路連接異常繁瑣，同時(shí)為了確保安全而設(shè)置的多種接地方式，也給故障的排除增加了不小的難度。同時(shí)，由于煤礦供電系統(tǒng)的工作環(huán)境非常差，能夠?qū)е鹿收系囊蛩胤浅６?，也?dǎo)致故障的診斷難度大幅度提升。因此，對(duì)故障進(jìn)行診斷分析，采取行之有效的措施具有深遠(yuǎn)的意義。

1 故障預(yù)測(cè)方法

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，利用電網(wǎng)調(diào)度控制中心，監(jiān)測(cè)供電電網(wǎng)中的中樞點(diǎn)和負(fù)荷點(diǎn)上的電壓大小、各個(gè)供電線(xiàn)路中的電流大小、繼電器的工作情況等。

1.1 專(zhuān)家系統(tǒng)法

專(zhuān)家系統(tǒng)法在進(jìn)行電網(wǎng)故障分析時(shí)，所依據(jù)的主要是各種繼電器保護(hù)和開(kāi)關(guān)動(dòng)作的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)。專(zhuān)家系統(tǒng)的組成部分主要有：人機(jī)交互界面、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取等6各部分，其中，知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)成了專(zhuān)家系統(tǒng)的主要功能部分。在知識(shí)庫(kù)中儲(chǔ)存了大量針對(duì)供電系統(tǒng)故障的解決辦法，推理機(jī)通過(guò)利用知識(shí)庫(kù)中的資料，并進(jìn)行一定組合，進(jìn)而給出解決問(wèn)題的辦法。因此，知識(shí)庫(kù)建設(shè)的是否全面，很大程度上決定著問(wèn)題的解決程度以及解決辦法的合理性。利用專(zhuān)家系統(tǒng)法對(duì)供電故障進(jìn)行解決時(shí)，需要將電網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，通過(guò)系統(tǒng)的分析處理后，再經(jīng)由輸出系統(tǒng)進(jìn)行輸出，就能得到相應(yīng)的處理方法。

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的特點(diǎn)是采用神經(jīng)元及其優(yōu)先權(quán)連接起來(lái)處理問(wèn)題，主要缺陷是需要大量的、具有代表性的樣本、系統(tǒng)自身無(wú)法保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在網(wǎng)絡(luò)中的處理單元可以分為：輸入單元、輸出單元和隱單元等三種類(lèi)型。輸入單元的功能是將外部的信號(hào)與數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的輸入；輸出單元的功能是將系統(tǒng)處理后的結(jié)果向外部進(jìn)行有效的輸出。

1.3 模糊理論法

配電網(wǎng)的故障類(lèi)型較多，其表現(xiàn)出來(lái)的故障征兆也是不盡相同。目前，故障診斷遇到的最大困難就是故障和征兆并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，各種故障之間相互影響，不能準(zhǔn)確的判斷故障的全部信息，對(duì)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行全面診斷。網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障是一個(gè)漸變的過(guò)程，故障與非故障狀態(tài)存在較大的模糊性，因此模糊診斷法就必須對(duì)每一個(gè)故障征兆與設(shè)備參數(shù)進(jìn)行關(guān)系探尋，求解出上下限和合適的隸屬函數(shù)。

2 煤礦配電網(wǎng)故障測(cè)距

2.1 單端行波測(cè)距

對(duì)于較為簡(jiǎn)單的線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，一般采用單端行波測(cè)距，其原理是通過(guò)計(jì)算從測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)行波的傳播時(shí)間差值，來(lái)確定故障位置。該測(cè)距方法的關(guān)鍵技術(shù)是獲取準(zhǔn)確的行波信號(hào)[1]。

單端行波測(cè)距的主要公式為：

式（1）中，L表示的是故障點(diǎn)距線(xiàn)端的距離，t1為故障發(fā)生后產(chǎn)生的行波第一次到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間，t2表示的是行波從故障點(diǎn)反射回測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間；v是行波的傳播速度。

接地故障中的高阻抗接地故障發(fā)生時(shí)，還要測(cè)量行波從母線(xiàn)段反射到測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間，求出它與第一次到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差。其基本的測(cè)距公式為：

式（2）中：L為故障點(diǎn)距離線(xiàn)端的長(zhǎng)度；t3為故障發(fā)生后行波從母線(xiàn)端反射回測(cè)量點(diǎn)所用的時(shí)間。

2.2 雙端行波測(cè)距

雙端行波測(cè)距是根據(jù)測(cè)量線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)行波到達(dá)線(xiàn)路兩端所用的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算其時(shí)間差來(lái)進(jìn)行故障定位的，測(cè)量精度較高，受系統(tǒng)故障類(lèi)型、線(xiàn)路參數(shù)的影響較小。其測(cè)距所用的公式如下：

式(3)、(4)中：L1、L2分別表示的是故障點(diǎn)到線(xiàn)路兩端的距離；t1、t2分別表示的是行波到達(dá)線(xiàn)路兩端所用的時(shí)間。

雙端行波法對(duì)時(shí)間的要求較高，尤其在線(xiàn)路較長(zhǎng)的情況下，（行波的傳播速度近似光速300 m/μs，時(shí)間上的誤差造成的測(cè)距誤差就較大）因此需要時(shí)間的同步性，這就必須安裝GPS全球定位系統(tǒng)，以保證線(xiàn)路上所有點(diǎn)的時(shí)間的同步，一般精確到1μs以?xún)?nèi)[2]。雙端測(cè)距技術(shù)最重要的是對(duì)于線(xiàn)路上行波的準(zhǔn)確采集，盡量減小采集的時(shí)間誤差，對(duì)于提高故障測(cè)距的精度有明顯的效果。

2.3 雙端行波測(cè)距的誤差及優(yōu)缺點(diǎn)

雙端行波測(cè)距的誤差一般分為兩類(lèi)：（1）測(cè)距裝置本身的測(cè)量誤差，其中對(duì)行波的采集精度影響測(cè)距的誤差；（2）對(duì)行波分析方法的差異，每一種算法都有自己的特性，因此算法的不同也會(huì)造成測(cè)量精度的不同。

雙端行波法的優(yōu)點(diǎn)是：在線(xiàn)路較為復(fù)雜時(shí)，適用范圍較廣。母線(xiàn)兩端都有檢測(cè)行波的裝置，只需要準(zhǔn)確的檢測(cè)第一個(gè)到達(dá)的行波，較單端行波測(cè)距檢測(cè)兩個(gè)行波可靠性更高[3]。線(xiàn)路的特征電阻、電容的分布及系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化都對(duì)測(cè)距的影響較小，有著良好的抗干擾能力，測(cè)距精確度更高。雙端行波法的測(cè)距結(jié)果基本上都能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)故障精準(zhǔn)定位的要求，試驗(yàn)表明測(cè)距的誤差一般在500 m范圍內(nèi)。

雙端行波測(cè)距的缺點(diǎn)是：需要在母線(xiàn)的兩端都安裝有行波檢測(cè)的裝置，和GPS時(shí)標(biāo)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信的設(shè)備，增大了投資成本，經(jīng)濟(jì)性較差[5]。在一些結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的線(xiàn)路上，應(yīng)該采用單端行波測(cè)距，兩者相互結(jié)合。

3 故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

為了煤礦配電網(wǎng)進(jìn)行有效的故障診斷，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普及。故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)經(jīng)常受到外界因素的干擾，因此去除在線(xiàn)監(jiān)測(cè)中的干擾成為研究的重點(diǎn)。[4-5]配電網(wǎng)的故障預(yù)測(cè)器測(cè)量參數(shù)為故障時(shí)放電過(guò)程中的脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)獲取的是否完整精確，決定了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的精度，決定了其對(duì)故障是否存在異常與缺陷的判斷。變電站有大量的電氣設(shè)備，許多設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生干擾信號(hào)，嚴(yán)重地影響了信號(hào)采集的精確度和故障診斷的可靠性。如何有效地去除測(cè)量的干擾信號(hào)，成為電氣設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的面臨的難題。

本文通過(guò)提出一種新的干擾信號(hào)綜合處理的方法，將獲取的信號(hào)經(jīng)過(guò)分層次濾除，盡可能將脈沖完整的采集出來(lái)。

此模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該綜合去干擾模型分為三步去除干擾，要保證每一步去干擾盡量對(duì)原信號(hào)的影響最小，前一步的濾除不影響后面的濾除效果。先后順序考慮了干擾的特性，先把連續(xù)性、周期性較高的干擾濾除，如果沒(méi)有消除該干擾信號(hào)，直接采用小波消噪技術(shù)濾除干擾，有可能造成有用的脈沖信號(hào)當(dāng)作白噪聲濾除掉[6]。因此決定首先為采用去窄帶干擾，然后用小波消噪去除白噪聲，最后采用去脈沖干擾。經(jīng)過(guò)以上三步對(duì)干擾的濾除，基本上得到了較為準(zhǔn)確的局部放電信號(hào)。

圖1 抗干擾分層處理綜合模型

經(jīng)過(guò)對(duì)周期窄帶干擾信號(hào)的分析后，可以采用基于傅里葉級(jí)數(shù)的放電信號(hào)去干擾的方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局煤礦安全規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

［2］徐玉龍.煤礦供電系統(tǒng)可靠性研究［J］.水力采煤與管道運(yùn)輸，2012（03）：17-19.

［3］蘆琳娜.煤礦單相接地電容電流對(duì)電網(wǎng)的影響［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011（03）：113-115.

［4］竇新宇，李春明.小電流接地系統(tǒng)行波測(cè)距方法研究［J］.電力科學(xué)與工程，2010（02）：64-65.

［5］王茂生，李赫，謝圣劍.配電線(xiàn)路行波故障測(cè)距初探［J］.工程技術(shù)（全文版），2016（5）：208-208.

［6］丁恩杰，王超楠，崔連成.礦井配電網(wǎng)輸電線(xiàn)路故障測(cè)距方法的研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（03）：24-26.