多源融合的礦用電纜態(tài)勢感知技術(shù)研究

馮 琛 周 賀 陳 鵬

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.山東大學(xué)，山東 濟南 250100；3.濟寧礦業(yè)集團有限公司物資供應(yīng)分公司，山東 濟寧 272000；4.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

在“中國制造2025”戰(zhàn)略的背景下，我國的“智慧礦山”建設(shè)是現(xiàn)代化煤礦的轉(zhuǎn)變和發(fā)展必經(jīng)之路[1]。煤礦電網(wǎng)是保證煤礦井下生產(chǎn)、安全和效益的大動脈，需要隨著“智慧礦山”的建設(shè)進行整體水平的提升或重塑[2]。煤礦電網(wǎng)是連接在大電網(wǎng)上的特殊的、獨立的、龐大的終端用電系統(tǒng)，其對供電的安全性和可靠性要求更高。煤礦礦用電纜作為煤礦電網(wǎng)重要的組成部分，作為煤礦供電系統(tǒng)核心元件，其運行安全狀態(tài)直接影響著煤礦電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，甚至關(guān)乎煤礦的生產(chǎn)安全[3]。

煤礦礦用電纜的運行安全狀態(tài)主要受其運行環(huán)境和運行工作狀態(tài)的影響，煤礦井下空氣濕度大，不同區(qū)域溫度差異較大，礦用電纜絕緣極易出現(xiàn)老化，導(dǎo)致絕緣下降，且煤礦井下的空間狹窄，礦用電纜容易受到砸、碰及拖拽等突發(fā)狀況而使電纜絕緣被破壞，發(fā)生接地或漏電故障。煤礦電網(wǎng)通常采用中性點經(jīng)消弧線圈的接地方式，采用這種接地方式時原則上能夠允許供電系統(tǒng)帶故障運行2～3 h。但是，煤礦井下環(huán)境不同于地上，井下封閉環(huán)境充斥著大量的瓦斯和煤塵，在礦用電纜因絕緣故障發(fā)生放電或者單相接地時，產(chǎn)生的電火花極易導(dǎo)致環(huán)境達到“起火”“起爆”條件，引起煤礦機電事故、電纜“放炮”、井下火災(zāi)、爆炸等嚴重的煤礦安全事故。根據(jù)2022 年初國家和多個省份發(fā)布的煤礦事故分析報告統(tǒng)計情況，2021 年全國發(fā)生的煤礦事故91 起，死亡178 起，其中機電、瓦斯、電纜放炮事故共占總事故數(shù)的19%，因機電、瓦斯、電纜放炮事故所致死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的27%。煤礦電纜故障是導(dǎo)致電纜放炮事故的直接原因，是導(dǎo)致部分機電事故重要因素，也是引起瓦斯事故的主要外因火源。

在電纜故障時的監(jiān)測與診斷方面，國內(nèi)外研究已經(jīng)提出了多種傳統(tǒng)方法，如有交流注入法、直流注入法、直流分量法、零序電流法和介質(zhì)損耗法等。但是這些方法在煤礦井下應(yīng)用時均存在一定缺陷。為此，眾多學(xué)者近幾年還提出了其他的礦用電纜監(jiān)測與診斷方法。如，西安交通大學(xué)的宋國兵教授等人利用行波診斷電纜故障發(fā)生和位置[4]；中國礦業(yè)大學(xué)的盧丹博士等人利用模式識別法求取絕緣電阻值，判斷煤礦電纜故障[5]；此外，遼寧電力科學(xué)研究院的劉佳鑫博士等人提出通過光纖測溫診斷電纜狀態(tài)等[6]。在運行態(tài)勢評價、預(yù)測與異常預(yù)警等方面，邵陽學(xué)院羅慶躍教授等人提出一種多指標綜合靜態(tài)電壓穩(wěn)定薄弱母線辨識方法[7]；中國電科院的費雯麗博士提出基于運行數(shù)據(jù)分析的電纜老化狀態(tài)評估方法等[8]。

但是，總結(jié)目前的研究還存在以下問題和難點。

1）電纜狀態(tài)監(jiān)測不全面，影響電纜運行安全態(tài)勢的因素眾多。受煤礦井下環(huán)境惡劣、通信不暢、傳感器技術(shù)有限等原因的限制，多是以局部的電纜絕緣監(jiān)測和診斷為主，監(jiān)測數(shù)據(jù)類型單一，多是以監(jiān)測電纜線路的零序電流和零序電壓來判斷電纜故障。煤礦電纜運行時的環(huán)境因素（環(huán)境溫度、濕度、粉塵、瓦斯含量）和電氣量因素（電流、電壓、諧波、頻率等）可能都會影響電纜的運行安全。由于煤礦井下監(jiān)測節(jié)點過少且監(jiān)測數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量較小，不能全局把握整個煤礦電網(wǎng)中電纜的故障和狀態(tài)。

2）電纜故障診斷不準確。診斷新方法多是照搬普通電網(wǎng)電纜狀態(tài)診斷的算法，提出的相關(guān)算法以傳統(tǒng)專家系統(tǒng)算法或可靠性理論為主，但缺少專門針對煤礦這一特殊、極端環(huán)境下的電纜狀態(tài)診斷方法。這些算法多是將狀態(tài)的變量殘差與設(shè)置閾值相比較來判別電纜故障[9]。受環(huán)境和井下負載干擾的影響，監(jiān)測到的故障信號噪聲較大，導(dǎo)致計算診斷結(jié)果誤差較大。特別是以局部放電信號監(jiān)測為主的早期故障診斷，故障信號往往被噪聲所覆蓋，導(dǎo)致診斷算法判斷不準確。

3）電纜故障預(yù)警不及時。因為煤礦電網(wǎng)接地方式的原因，導(dǎo)致電纜發(fā)生故障時的故障電流較小，特征不明顯。

鑒于上述煤礦電纜監(jiān)測的不足，在礦用電纜的全生命周期過程中，如圖1 所示，研究煤礦電纜故障前的運行態(tài)勢評價以及相應(yīng)的故障、異常態(tài)勢的早期預(yù)警更有前景，因為若能在煤礦電纜故障發(fā)生前就掌握了電纜運行狀態(tài)和其發(fā)展趨勢，通過對異常態(tài)勢的診斷與早期預(yù)警，達到防患于未然。

圖1 礦用電纜全生命周期

礦用電纜故障長期對煤礦電網(wǎng)經(jīng)濟、安全、可靠運行構(gòu)成威脅，因此，對煤礦礦用電纜運行狀態(tài)診斷與故障監(jiān)測至關(guān)重要。將人工智能、5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與煤礦電纜運行安全狀態(tài)評估深度融合，形成對整個礦區(qū)電纜運行安全態(tài)勢的智能感知預(yù)測、分析和決策的技術(shù)，實時掌握電纜運行安全狀態(tài)和發(fā)展趨勢，智能地早期診斷和預(yù)警電纜異常狀態(tài)，能以較小的投入突破現(xiàn)階段技術(shù)瓶頸，解決實際需求問題，有效降低因煤礦電纜故障造成的人身及財產(chǎn)損失。

1 多源信息感知框架

針對存在的問題，提出了多源信息融合的礦用電纜運行態(tài)勢感知框架。礦用電纜運行態(tài)勢感知包括三個部分，分別是態(tài)勢感知與提取、態(tài)勢評估和態(tài)勢預(yù)測。態(tài)勢感知框架是整個態(tài)勢感知的基礎(chǔ)。結(jié)合煤礦實際特點和IEC 61850 標準，建立多源數(shù)據(jù)感知框架如圖2 所示。該體系結(jié)構(gòu)分為三層，即主控制層、傳輸層和感知層。感知層所有GPS 模塊的授時信號通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛妫⒃谥骺刂茖优c衛(wèi)星通信進行授時校準。感知層的信號采集電纜運行多源信息信號，對采集到的信號進行預(yù)處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過傳輸層傳輸?shù)皆瓶刂浦行?，并在主控制層的云控制中心對?shù)據(jù)進行分析計算，判斷礦井電纜的運行狀態(tài)?？蚣軆?nèi)各元件特點如下：

圖2 多源數(shù)據(jù)感知框架

1）多源傳感器采集。建立多源傳感網(wǎng)絡(luò)拓展電纜狀態(tài)信息可感知邊界，實現(xiàn)多源傳感數(shù)據(jù)采集的統(tǒng)一規(guī)范化。

2）分區(qū)段核心節(jié)點采集。依照電纜的節(jié)點及巷道情況，分區(qū)段采集各項參數(shù)。

3）已有監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)接入。借助井下現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、零序數(shù)據(jù)、部分溫度數(shù)據(jù)等，統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入方式，可以減小采集成本。

4）分區(qū)段設(shè)置邊緣計算工作站。根據(jù)采集節(jié)點位置，就近分區(qū)段設(shè)置小型工控機工作站，用于對采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理和輕量級的信號分析、特征提取判別，對較為明顯的故障就地實時在線診斷，在第一時間執(zhí)行相應(yīng)的動作。同時，與中央服務(wù)器通信，實現(xiàn)智能協(xié)同控制。

5）海量數(shù)據(jù)傳輸與存儲。將預(yù)處理后的海量數(shù)據(jù)，通過5G 網(wǎng)絡(luò)或者井下高速環(huán)網(wǎng)傳輸至中央分析層服務(wù)器的存儲數(shù)據(jù)庫中，為大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法的應(yīng)用提供支撐。

2 礦用電纜雙端同步感知

礦用電纜長度較大，僅在一點監(jiān)測無法全面掌握整個電纜的運行狀態(tài)，需要進行多點位同步監(jiān)測。但是，監(jiān)測節(jié)點過多勢必會導(dǎo)致監(jiān)測成本過高，電纜的電路參數(shù)具有分布特性。電纜的電路參數(shù)有電路電阻、對地絕緣電阻、線路電感和分布電容四種。不同長度的電纜，其分布參數(shù)值不同。在煤礦電網(wǎng)中運行的電纜的任意一點處的電壓、電流值都與其他部位的電壓、電流值不同。如圖3 所示，為電纜某一相為例的分布參數(shù)模型。

圖3 礦井電纜單相分布參數(shù)模型

假設(shè)電纜電源側(cè)為電纜首端，負載側(cè)為電纜末端。U˙1、I˙1分別為電纜線路首端的電壓和電流，U˙2、I˙2分別為電纜線路末端的電壓和電流，U˙、I˙分別為距離電纜線路末端x處的電壓和電流。通過模型可以得到dx段電纜的電壓、電流約束方程，同時考慮電能在電纜中傳播的損耗，可以推出電纜的每單位長度阻抗與導(dǎo)納關(guān)系為：

因此，對于長度為l的電纜，導(dǎo)納值與電纜首末兩端的電壓電流之間的關(guān)系為：

在實際應(yīng)用分析計算時，采用分布模型計算較為復(fù)雜。為了簡化計算量，一般采用π型參數(shù)模型和T 型參數(shù)模型來計算。如圖4（a）、（b）分別為π型參數(shù)和T 型參數(shù)等值電路。

圖4 π 型參數(shù)和T 型參數(shù)等值電路

根據(jù)π 型電路的簡化原則，電纜參數(shù)與兩端電壓電流之間的關(guān)系為：

根據(jù)T 型電路的簡化原則，電纜參數(shù)與兩端電壓電流之間的關(guān)系為：

通過公式（3）～（5）可以看出，不論采用何種參數(shù)計算模型，只需要同時測量電纜首末端的電壓和電流的量，便可計算出電纜的絕緣參數(shù)。

基于本文提出的多源信息感知框架，提出了廣域同步多源信息監(jiān)測方法。為在煤礦井下實現(xiàn)廣域同步測量技術(shù)，測量每條電纜的電壓、電流參數(shù)，計算其絕緣阻抗等參數(shù)。監(jiān)測方法如圖5。

圖5 單條電纜雙端同步感知

圖5 為以單條電纜線路為例的監(jiān)測感知方法。在每條線路電纜的首末兩端同步測量電流和電壓值進行計算，從而求出電纜的參數(shù)，以此判斷電纜的絕緣狀態(tài)。這種監(jiān)測感知方式是對每一相獨立地進行計算分析，三相之間不受影響，且不受接地方式的影響。

3 結(jié)論

本文將專家經(jīng)驗與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合對礦用電纜運行安全態(tài)勢感知展開研究，提出了多源信息融合礦用電纜運行態(tài)勢感知框架，并在此基礎(chǔ)上，提出了礦用電纜雙端同步感知方法。研究可以為最終實現(xiàn)對煤礦電網(wǎng)中礦用電纜運行安全態(tài)勢的感知、評價與預(yù)測提供監(jiān)測理論基礎(chǔ)，以期可以對礦用電纜運行態(tài)勢的全方位感知，為礦用電纜運行異常早期識別預(yù)警，防患電纜故障提供理論框架支撐。