煤礦采區(qū)供電系統(tǒng)故障診斷技術研究

馮 強

（西山煤電集團有限責任公司發(fā)電公司， 山西 太原 030053）

引言

煤礦采區(qū)供電系統(tǒng)承擔著整個工作面機械等耗電設備運行的任務，供電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，長時間供電系統(tǒng)的修復將給礦井帶來巨大的經(jīng)濟損失[1-2]。隨著自動化水平的不斷發(fā)展，礦井供電系統(tǒng)故障診斷方法也有了較大的改善，通過遙測技術可以迅速判斷供電系統(tǒng)的故障類型，通過調(diào)度人員可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)供電系統(tǒng)的正常運行；此外，在數(shù)據(jù)挖掘概念的指導下，采用時間序列匹配的方法進行供電系統(tǒng)的故障診斷已有了較快的發(fā)展，通過警報信息序列對復雜故障進行正確診斷的同時，實現(xiàn)對繼電器的準確評價[3]。實現(xiàn)對礦井供電系統(tǒng)的準確診斷一直是難點，因此Petri 網(wǎng)故障診斷方法逐漸映入眼簾，利用Petri 網(wǎng)故障診斷方法實現(xiàn)了電氣設備信息的融合，能充分記錄設備的動作信息，利用多源信息的冗余度可以檢驗警報信息，提高了故障診斷的可靠性[4]。本文通過改進Petri 網(wǎng)故障診斷方法，實現(xiàn)了供電系統(tǒng)故障診斷的實時性以及準確性，為礦井供電系統(tǒng)故障診斷技術的研究提供了參考。

1 煤礦采區(qū)供電系統(tǒng)及Petri 網(wǎng)診斷理論

煤礦供電系統(tǒng)有傳統(tǒng)式供電和現(xiàn)代式供電兩種，供電系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。從圖1-1 中可看出，傳統(tǒng)式供電系統(tǒng)通過兩條下井電纜將地面變電站的電傳送至井下中央變電站，井下變電站統(tǒng)一調(diào)控輸送至各個采區(qū)及工作面。從圖1-2 中可以看出，現(xiàn)代煤礦分區(qū)供電系統(tǒng)通過多條下井電纜將地面變電站的電傳送至工作面、采區(qū)或者中央變電站。相比較傳統(tǒng)式煤礦供電系統(tǒng)，現(xiàn)代煤礦分區(qū)供電系統(tǒng)避免了井下多電纜供電的復雜性，當井下發(fā)生供電故障后，小范圍的故障區(qū)域保證了其他工作面正常的開采，采用井下電纜直接接入?yún)^(qū)域載荷，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)結構圖

煤礦供電系統(tǒng)對于煤礦正常生產(chǎn)起著決定性作用，為此，對供電系統(tǒng)進行監(jiān)測和故障分析就顯得尤為重要。當煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過元件診斷以及斷路器保護動作進行故障診斷，隨著電氣自動化技術的快速發(fā)展，礦井已經(jīng)實現(xiàn)了電力監(jiān)測，通過電氣設備實現(xiàn)了供電系統(tǒng)的監(jiān)測診斷。

煤礦電力監(jiān)測系統(tǒng)結構主要由電力元件測控單元、井下監(jiān)控站和地面監(jiān)控站三部分構成。電力元件監(jiān)控單元負責對供電系統(tǒng)的各個元件進行監(jiān)測，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)整理上傳至井下監(jiān)控站，井下監(jiān)控站則負責接收數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的存儲以及傳送，通過和井下開關等裝置的連接，實現(xiàn)了及時通訊功能以及下達命令的功能；地面監(jiān)控站負責整個礦井供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理、監(jiān)測調(diào)控。

每個采區(qū)供電系統(tǒng)都配有專門的電力監(jiān)控分站，電力監(jiān)控分站負責對供電系統(tǒng)狀態(tài)量進行信息采集，采集的信號以二進制數(shù)值0 和1 的形式傳出，用于表征斷路器、保護裝置等零件的工作狀態(tài)。因此，通過井下電力監(jiān)控進行供電系統(tǒng)的故障監(jiān)測，為供電系統(tǒng)故障診斷技術的發(fā)展提供了參考。

煤礦電力監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展基于Petri 網(wǎng)理論，Petri 網(wǎng)理論主要由有向網(wǎng)、Petri 網(wǎng)、變遷觸發(fā)規(guī)則和Petri 網(wǎng)動態(tài)性能四個方面構成。

基本有向網(wǎng)是由三元組構成，設其為N=（P，T，F(xiàn)），P為有限庫所集合，T為有限變遷集合，F(xiàn)為函數(shù)集合。

Petri 網(wǎng)由有向網(wǎng)N，容量函數(shù)K，權函數(shù)W以及標識向量集M構成的六元組，表示為PN=（N，K，W，M）；變遷觸發(fā)規(guī)則是基于Petri 網(wǎng)PN=（N，K，W，M），當標識向量集M 使能變遷引發(fā)時，變遷使得標識向量集中的數(shù)據(jù)庫進行了重新分布，導致標識符號的變動。

Petri 網(wǎng)動態(tài)性能主要是實現(xiàn)對監(jiān)測目標性能和功能的獲取，其主要由Petri 網(wǎng)本身的結構和初始標識的行為特性決定，當動態(tài)系統(tǒng)具有良好的可達性和活性時，表示Petri 網(wǎng)動態(tài)性能良好，當有界性模糊且Petri 網(wǎng)發(fā)生沖突時，表示Petri 網(wǎng)動態(tài)性能不佳。

2 改進Petri 網(wǎng)的采區(qū)供電系統(tǒng)故障元件診斷

因為礦井供電系統(tǒng)的復雜性，基于Petri 網(wǎng)理論的故障分析并不能實現(xiàn)實時的故障診斷，因此，本文通過簡化Petri 網(wǎng)模型實現(xiàn)對礦井供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測。通過將斷路器和保護系統(tǒng)的動作信息加入到Petri 網(wǎng)模型中，通過一次設備和二次設備的聯(lián)合運行避免了原有模型的局限性。本文將供電系統(tǒng)中的元件與Petri 網(wǎng)中的變遷進行對應，即將Petri 網(wǎng)理論中廣義的變遷元素定義為了確定的物理參數(shù)并具有確定的現(xiàn)實意義。通過此方法，當供電系統(tǒng)中的保護信息有新動作后，模型中變遷就會有響應的動作，通過定義故障信息，便可實時獲得供電系統(tǒng)元件的故障信息。在供電系統(tǒng)中，當發(fā)生故障后，繼電保護器便會自動切除故障部分保證故障外電網(wǎng)不受影響，這一動作與Petri 網(wǎng)模型中的變遷動作一致，在原有模型的基礎上，將保護配置和變遷相匹配，完善了故障診斷模型，解除了原有模型的局限性，簡化了Petri 網(wǎng)模型，增強了拓展性和通用性。

礦井供電系統(tǒng)的電路線路依次由母線、變壓器以及反饋電荷串聯(lián)而成，改進后的Petri 網(wǎng)故障診斷方法能夠?qū)崿F(xiàn)供電線路中各個線路元件的故障診斷，將一個工作面的供電故障診斷擴寬延展，便實現(xiàn)了整個采區(qū)的故障診斷，進行故障診斷的步驟具體如下：

1）熟悉工作面供電系統(tǒng)中所有設備元件，并將元件的配置表和斷路器相匹配，便于變遷模型的建立；

2）對應關系表確定后，將設備元件與變遷匹配，建立工作面供電系統(tǒng)Petri 網(wǎng)模型；3）求取改進后的Petri 網(wǎng)模型對應的關聯(lián)矩陣；4）當供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過斷路器采集的報警信息確定Petri 網(wǎng)模型中的標識向量集M；

5）通過故障元件發(fā)出的動作信息確定觸發(fā)向量集；

6）采用關聯(lián)矩陣法進行故障的計算分析；

7）計算完成后，將標識向量集M與改進后的工作面供電系統(tǒng)Petri 網(wǎng)模型中的關系表進行對比，得出故障診斷的結果。

通過改進后的Petri 網(wǎng)診斷模型可以看出，采區(qū)供電系統(tǒng)中的電子元件較多時，建立的Petri 網(wǎng)模型就會龐大，故障監(jiān)測的時間以及準確性就會降低，容易導致系統(tǒng)的崩潰。將工作面各個設備元件以及相應的斷路器相連，通過故障信息和設備元件的對應關系，最終轉(zhuǎn)化為模型中的變遷，實現(xiàn)了高效快捷的故障測試。

3 結論

通過分析采區(qū)供電系統(tǒng)及Petri 網(wǎng)診斷理論，改進了礦區(qū)供電的Petri 網(wǎng)模型，該模型實現(xiàn)了元件繼電保護的變遷化，賦予了變遷物理意義。通過對工作面各設備元件的故障診斷分析，發(fā)現(xiàn)了該方法實現(xiàn)了設備元件故障監(jiān)測的實時性，突破了供電系統(tǒng)的限制，其通用性診斷的特點不僅加快了診斷時間，且表現(xiàn)出較強的拓展性。對于采區(qū)供電系統(tǒng)的故障診斷，礦井可在工作面供電系統(tǒng)的規(guī)模上進行拓展，用相同的方法實現(xiàn)對采區(qū)供電系統(tǒng)故障的診斷。