煤礦采區供電系統故障診斷技術研究

馮 強

（西山煤電集團有限責任公司發電公司， 山西 太原 030053）

引言

煤礦采區供電系統承擔著整個工作面機械等耗電設備運行的任務，供電系統一旦發生故障，長時間供電系統的修復將給礦井帶來巨大的經濟損失[1-2]。隨著自動化水平的不斷發展，礦井供電系統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的故障類型，通過調度人員可以在短時間內實現供電系統的正常運行；此外，在數據挖掘概念的指導下，采用時間序列匹配的方法進行供電系統的故障診斷已有了較快的發展，通過警報信息序列對復雜故障進行正確診斷的同時，實現對繼電器的準確評價[3]。實現對礦井供電系統的準確診斷一直是難點，因此Petri 網故障診斷方法逐漸映入眼簾，利用Petri 網故障診斷方法實現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 網故障診斷方法，實現了供電系統故障診斷的實時性以及準確性，為礦井供電系統故障診斷技術的研究提供了參考。

1 煤礦采區供電系統及Petri 網診斷理論

煤礦供電系統有傳統式供電和現代式供電兩種，供電系統結構圖如圖1 所示。從圖1-1 中可看出，傳統式供電系統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，井下變電站統一調控輸送至各個采區及工作面。從圖1-2 中可以看出，現代煤礦分區供電系統通過多條下井電纜將地面變電站的電傳送至工作面、采區或者中央變電站。相比較傳統式煤礦供電系統，現代煤礦分區供電系統避免了井下多電纜供電的復雜性，當井下發生供電故障后，小范圍的故障區域保證了其他工作面正常的開采，采用井下電纜直接接入區域載荷，提高了供電系統的穩定性。

圖1 煤礦供電系統結構圖

煤礦供電系統對于煤礦正常生產起著決定性作用，為此，對供電系統進行監測和故障分析就顯得尤為重要。當煤礦供電系統發生故障時，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展，礦井已經實現了電力監測，通過電氣設備實現了供電系統的監測診斷。

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

每個采區供電系統都配有專門的電力監控分站，電力監控分站負責對供電系統狀態量進行信息采集，采集的信號以二進制數值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。因此，通過井下電力監控進行供電系統的故障監測，為供電系統故障診斷技術的發展提供了參考。

煤礦電力監測系統的發展基于Petri 網理論，Petri 網理論主要由有向網、Petri 網、變遷觸發規則和Petri 網動態性能四個方面構成。

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

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

Petri 網動態性能主要是實現對監測目標性能和功能的獲取，其主要由Petri 網本身的結構和初始標識的行為特性決定，當動態系統具有良好的可達性和活性時，表示Petri 網動態性能良好，當有界性模糊且Petri 網發生沖突時，表示Petri 網動態性能不佳。

2 改進Petri 網的采區供電系統故障元件診斷

因為礦井供電系統的復雜性，基于Petri 網理論的故障分析并不能實現實時的故障診斷，因此，本文通過簡化Petri 網模型實現對礦井供電系統的實時監測。通過將斷路器和保護系統的動作信息加入到Petri 網模型中，通過一次設備和二次設備的聯合運行避免了原有模型的局限性。本文將供電系統中的元件與Petri 網中的變遷進行對應，即將Petri 網理論中廣義的變遷元素定義為了確定的物理參數并具有確定的現實意義。通過此方法，當供電系統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元件的故障信息。在供電系統中，當發生故障后，繼電保護器便會自動切除故障部分保證故障外電網不受影響，這一動作與Petri 網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 網模型，增強了拓展性和通用性。

礦井供電系統的電路線路依次由母線、變壓器以及反饋電荷串聯而成，改進后的Petri 網故障診斷方法能夠實現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，便實現了整個采區的故障診斷，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Petri 網模型；3）求取改進后的Petri 網模型對應的關聯矩陣；4）當供電系統發生故障時，通過斷路器采集的報警信息確定Petri 網模型中的標識向量集M；

5）通過故障元件發出的動作信息確定觸發向量集；

6）采用關聯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Petri 網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 網診斷模型可以看出，采區供電系統中的電子元件較多時，建立的Petri 網模型就會龐大，故障監測的時間以及準確性就會降低，容易導致系統的崩潰。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，最終轉化為模型中的變遷，實現了高效快捷的故障測試。

3 結論

通過分析采區供電系統及Petri 網診斷理論，改進了礦區供電的Petri 網模型，該模型實現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，發現了該方法實現了設備元件故障監測的實時性，突破了供電系統的限制，其通用性診斷的特點不僅加快了診斷時間，且表現出較強的拓展性。對于采區供電系統的故障診斷，礦井可在工作面供電系統的規模上進行拓展，用相同的方法實現對采區供電系統故障的診斷。