煤礦采區(qū)供電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究

馮 強(qiáng)

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)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(dān)著整個(gè)工作面機(jī)械等耗電設(shè)備運(yùn)行的任務(wù)，供電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，長(zhǎng)時(shí)間供電系統(tǒng)的修復(fù)將給礦井帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。隨著自動(dòng)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(cè)技術(shù)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行；此外，在數(shù)據(jù)挖掘概念的指導(dǎo)下，采用時(shí)間序列匹配的方法進(jìn)行供電系統(tǒng)的故障診斷已有了較快的發(fā)展，通過警報(bào)信息序列對(duì)復(fù)雜故障進(jìn)行正確診斷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[3]。實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井供電系統(tǒng)的準(zhǔn)確診斷一直是難點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備信息的融合，能充分記錄設(shè)備的動(dòng)作信息，利用多源信息的冗余度可以檢驗(yàn)警報(bào)信息，提高了故障診斷的可靠性[4]。本文通過改進(jìn)Petri 網(wǎng)故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)故障診斷的實(shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性，為礦井供電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)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(jié)構(gòu)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(gè)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(fù)雜性，當(dāng)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(jié)構(gòu)圖

煤礦供電系統(tǒng)對(duì)于煤礦正常生產(chǎn)起著決定性作用，為此，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障分析就顯得尤為重要。當(dāng)煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過元件診斷以及斷路器保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行故障診斷，隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，礦井已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電力監(jiān)測(cè)，通過電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)診斷。

煤礦電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由電力元件測(cè)控單元、井下監(jiān)控站和地面監(jiān)控站三部分構(gòu)成。電力元件監(jiān)控單元負(fù)責(zé)對(duì)供電系統(tǒng)的各個(gè)元件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理上傳至井下監(jiān)控站，井下監(jiān)控站則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及傳送，通過和井下開關(guān)等裝置的連接，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)通訊功能以及下達(dá)命令的功能；地面監(jiān)控站負(fù)責(zé)整個(gè)礦井供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理、監(jiān)測(cè)調(diào)控。

每個(gè)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(fù)責(zé)對(duì)供電系統(tǒng)狀態(tài)量進(jìn)行信息采集，采集的信號(hào)以二進(jìn)制數(shù)值0 和1 的形式傳出，用于表征斷路器、保護(hù)裝置等零件的工作狀態(tài)。因此，通過井下電力監(jiān)控進(jìn)行供電系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)，為供電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

煤礦電力監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)性能四個(gè)方面構(gòu)成。

基本有向網(wǎng)是由三元組構(gòu)成，設(shè)其為N=（P，T，F(xiàn)），P為有限庫(kù)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(quán)函數(shù)W以及標(biāo)識(shí)向量集M構(gòu)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(dāng)標(biāo)識(shí)向量集M 使能變遷引發(fā)時(shí)，變遷使得標(biāo)識(shí)向量集中的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了重新分布，導(dǎo)致標(biāo)識(shí)符號(hào)的變動(dòng)。

Petri 網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)性能和功能的獲取，其主要由Petri 網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)和初始標(biāo)識(shí)的行為特性決定，當(dāng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)具有良好的可達(dá)性和活性時(shí)，表示Petri 網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能良好，當(dāng)有界性模糊且Petri 網(wǎng)發(fā)生沖突時(shí)，表示Petri 網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能不佳。

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

因?yàn)榈V井供電系統(tǒng)的復(fù)雜性，基于Petri 網(wǎng)理論的故障分析并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的故障診斷，因此，本文通過簡(jiǎn)化Petri 網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過將斷路器和保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作信息加入到Petri 網(wǎng)模型中，通過一次設(shè)備和二次設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)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(jìn)行對(duì)應(yīng)，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(shí)意義。通過此方法，當(dāng)供電系統(tǒng)中的保護(hù)信息有新動(dòng)作后，模型中變遷就會(huì)有響應(yīng)的動(dòng)作，通過定義故障信息，便可實(shí)時(shí)獲得供電系統(tǒng)元件的故障信息。在供電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生故障后，繼電保護(hù)器便會(huì)自動(dòng)切除故障部分保證故障外電網(wǎng)不受影響，這一動(dòng)作與Petri 網(wǎng)模型中的變遷動(dòng)作一致，在原有模型的基礎(chǔ)上，將保護(hù)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(jiǎn)化了Petri 網(wǎng)模型，增強(qiáng)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(jìn)后的Petri 網(wǎng)故障診斷方法能夠?qū)崿F(xiàn)供電線路中各個(gè)線路元件的故障診斷，將一個(gè)工作面的供電故障診斷擴(kuò)寬延展，便實(shí)現(xiàn)了整個(gè)采區(qū)的故障診斷，進(jìn)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(shè)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(duì)應(yīng)關(guān)系表確定后，將設(shè)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(jìn)后的Petri 網(wǎng)模型對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣；4）當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過斷路器采集的報(bào)警信息確定Petri 網(wǎng)模型中的標(biāo)識(shí)向量集M；

5）通過故障元件發(fā)出的動(dòng)作信息確定觸發(fā)向量集；

6）采用關(guān)聯(lián)矩陣法進(jìn)行故障的計(jì)算分析；

7）計(jì)算完成后，將標(biāo)識(shí)向量集M與改進(jìn)后的工作面供電系統(tǒng)Petri 網(wǎng)模型中的關(guān)系表進(jìn)行對(duì)比，得出故障診斷的結(jié)果。

通過改進(jìn)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(shí)，建立的Petri 網(wǎng)模型就會(huì)龐大，故障監(jiān)測(cè)的時(shí)間以及準(zhǔn)確性就會(huì)降低，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。將工作面各個(gè)設(shè)備元件以及相應(yīng)的斷路器相連，通過故障信息和設(shè)備元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終轉(zhuǎn)化為模型中的變遷，實(shí)現(xiàn)了高效快捷的故障測(cè)試。

3 結(jié)論

通過分析采區(qū)供電系統(tǒng)及Petri 網(wǎng)診斷理論，改進(jìn)了礦區(qū)供電的Petri 網(wǎng)模型，該模型實(shí)現(xiàn)了元件繼電保護(hù)的變遷化，賦予了變遷物理意義。通過對(duì)工作面各設(shè)備元件的故障診斷分析，發(fā)現(xiàn)了該方法實(shí)現(xiàn)了設(shè)備元件故障監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，突破了供電系統(tǒng)的限制，其通用性診斷的特點(diǎn)不僅加快了診斷時(shí)間，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的拓展性。對(duì)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(jìn)行拓展，用相同的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)供電系統(tǒng)故障的診斷。