煤礦配電網故障預測技術研究與系統設計

安江偉

0 引言

煤炭資源是我國電力事業發展的最堅強保障，隨著煤炭開采過程中科技含量的不斷提高，所使用的電氣設備越來越多，進而導致礦井的用電負荷急劇增加，一旦電力中斷，生產將被迫停止。煤礦供電系統的電網結構非常復雜，礦井供電系統的分層分布式結構上，為了確保煤礦生產的安全運行，需要采取有效的措施，確保供電系統能夠穩定的運行。煤礦供電系統的結構非常復雜，線路連接異常繁瑣，同時為了確保安全而設置的多種接地方式，也給故障的排除增加了不小的難度。同時，由于煤礦供電系統的工作環境非常差，能夠導致故障的因素非常多，也導致故障的診斷難度大幅度提升。因此，對故障進行診斷分析，采取行之有效的措施具有深遠的意義。

1 故障預測方法

當電網發生故障后，利用電網調度控制中心，監測供電電網中的中樞點和負荷點上的電壓大小、各個供電線路中的電流大小、繼電器的工作情況等。

1.1 專家系統法

專家系統法在進行電網故障分析時，所依據的主要是各種繼電器保護和開關動作的監測數據和對供電系統進行維護人員的工作經驗。專家系統的組成部分主要有：人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數據庫、知識獲取等6各部分，其中，知識庫和推理機構成了專家系統的主要功能部分。在知識庫中儲存了大量針對供電系統故障的解決辦法，推理機通過利用知識庫中的資料，并進行一定組合，進而給出解決問題的辦法。因此，知識庫建設的是否全面，很大程度上決定著問題的解決程度以及解決辦法的合理性。利用專家系統法對供電故障進行解決時，需要將電網的基礎數據進行輸入，通過系統的分析處理后，再經由輸出系統進行輸出，就能得到相應的處理方法。

1.2 人工神經網絡法

人工神經網絡法的特點是采用神經元及其優先權連接起來處理問題，主要缺陷是需要大量的、具有代表性的樣本、系統自身無法保持相對穩定的狀態等。人工神經網絡法在網絡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型。輸入單元的功能是將外部的信號與數據進行有效的輸入；輸出單元的功能是將系統處理后的結果向外部進行有效的輸出。

1.3 模糊理論法

配電網的故障類型較多，其表現出來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應的關系，各種故障之間相互影響，不能準確的判斷故障的全部信息，對設備無法進行全面診斷。網絡出現故障是一個漸變的過程，故障與非故障狀態存在較大的模糊性，因此模糊診斷法就必須對每一個故障征兆與設備參數進行關系探尋，求解出上下限和合適的隸屬函數。

2 煤礦配電網故障測距

2.1 單端行波測距

對于較為簡單的線路來說，一般采用單端行波測距，其原理是通過計算從測量點與故障點行波的傳播時間差值，來確定故障位置。該測距方法的關鍵技術是獲取準確的行波信號[1]。

單端行波測距的主要公式為：

式（1）中，L表示的是故障點距線端的距離，t1為故障發生后產生的行波第一次到達測量點的時間，t2表示的是行波從故障點反射回測量點的時間；v是行波的傳播速度。

接地故障中的高阻抗接地故障發生時，還要測量行波從母線段反射到測量點的時間，求出它與第一次到達測量點的時間差。其基本的測距公式為：

式（2）中：L為故障點距離線端的長度；t3為故障發生后行波從母線端反射回測量點所用的時間。

2.2 雙端行波測距

雙端行波測距是根據測量線路發生故障時行波到達線路兩端所用的時間，通過計算其時間差來進行故障定位的，測量精度較高，受系統故障類型、線路參數的影響較小。其測距所用的公式如下：

式(3)、(4)中：L1、L2分別表示的是故障點到線路兩端的距離；t1、t2分別表示的是行波到達線路兩端所用的時間。

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

2.3 雙端行波測距的誤差及優缺點

雙端行波測距的誤差一般分為兩類：（1）測距裝置本身的測量誤差，其中對行波的采集精度影響測距的誤差；（2）對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造成測量精度的不同。

雙端行波法的優點是：在線路較為復雜時，適用范圍較廣。母線兩端都有檢測行波的裝置，只需要準確的檢測第一個到達的行波，較單端行波測距檢測兩個行波可靠性更高[3]。線路的特征電阻、電容的分布及系統運行方式的變化都對測距的影響較小，有著良好的抗干擾能力，測距精確度更高。雙端行波法的測距結果基本上都能夠滿足系統對故障精準定位的要求，試驗表明測距的誤差一般在500 m范圍內。

雙端行波測距的缺點是：需要在母線的兩端都安裝有行波檢測的裝置，和GPS時標系統及數據通信的設備，增大了投資成本，經濟性較差[5]。在一些結構較為簡單的線路上，應該采用單端行波測距，兩者相互結合。

3 故障預測系統抗干擾設計

為了煤礦配電網進行有效的故障診斷，在線監測技術的應用越來越普及。故障在線監測經常受到外界因素的干擾，因此去除在線監測中的干擾成為研究的重點。[4-5]配電網的故障預測器測量參數為故障時放電過程中的脈沖信號，對脈沖信號獲取的是否完整精確，決定了在線監測技術的精度，決定了其對故障是否存在異常與缺陷的判斷。變電站有大量的電氣設備，許多設備在運行過程產生干擾信號，嚴重地影響了信號采集的精確度和故障診斷的可靠性。如何有效地去除測量的干擾信號，成為電氣設備在線監測技術的面臨的難題。

本文通過提出一種新的干擾信號綜合處理的方法，將獲取的信號經過分層次濾除，盡可能將脈沖完整的采集出來。

此模型結構如圖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原信號的影響最小，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，先把連續性、周期性較高的干擾濾除，如果沒有消除該干擾信號，直接采用小波消噪技術濾除干擾，有可能造成有用的脈沖信號當作白噪聲濾除掉[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。經過以上三步對干擾的濾除，基本上得到了較為準確的局部放電信號。

圖1 抗干擾分層處理綜合模型

經過對周期窄帶干擾信號的分析后，可以采用基于傅里葉級數的放電信號去干擾的方法。

參考文獻：

［1］國家安全生產監督管理總局.國家煤礦安全監察局煤礦安全規程［M］.北京：煤炭工業出版社，2011.

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

［3］蘆琳娜.煤礦單相接地電容電流對電網的影響［J］.科技情報開發與經濟，2011（03）：113-115.

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

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

［6］丁恩杰，王超楠，崔連成.礦井配電網輸電線路故障測距方法的研究［J］.中國礦業大學學報，2006（03）：24-26.