基于知識圖譜的煤礦井下供電系統繼電保護

摘要：總結來說，文章旨在通過優化煤炭地下電力系統的電氣保護設備的智能化管理來提升其運行效能及穩健度。文章從電氣保護的相關規定出發，構建了標準化的繼電器保護設備的數據出口模式;依據專業的見解，確定了智能維護體系的信息收集點與其所對應的標準化數據輸出的連接方式，由此構成了智能維護體系信息的獲取設置知識網絡結構。為實現更高級別的智能化，利用過往的配置記錄進行了知識的學習，進而創建了一個智能維護體系信息獲取設置知識網絡。

關鍵詞：知識圖譜；煤礦井下；智能化；供電系統；繼電保護

電力系統的穩定運維取決于合適的電氣設備維護措施，這些措施又基于工作人員對于變壓器設施的常規檢查及定期的檢測。不過，由于變壓器的體積增大并變得更加復雜化，這種情況下，電力系統穩定的保障需求與工作負擔之間產生了越來越大的沖突。現有的維護方式已無法適應變壓器維護所需，所以我們需要向智能化維護轉型。

智能維護體系利用其對于電氣保護及輔助電路狀況的理解、分析與評判能力，引導操作員執行任務，從而使電力設施由傳統的常規檢查和定期的檢測方式轉變成積極性的故障修復機制。此舉能有效地減少運維管理負擔，增強保護運行效能，并且優化了保護系統的穩定性。但是，為了讓智能維護體系能夠識別出各種情況，我們必須構建一種連接信息收集點和次級裝置的數據傳輸接口的信息匹配模型。

為處理這些挑戰，我們采用了知識圖譜技術，以充分利用其在創建知識網絡及揭示知識關系上的強大功能。根據電力保護規則與智能化維護體系的歷史設置資料，我們構筑了一張關于智能化維護體系的信息收集與二元器件數據傳輸接口位置信息的聯系型知識圖譜[1]。在項目執行期間，借助知識圖譜驅動的自動化設置，提升了智能化維護體系的設置效能，并且保證了設置的精確度。

1煤礦井下低壓供電系統繼電保護特征

針對煤礦井下的供電系統狀況，現階段通常會使用多個獨立的小型供電系統共同運行的方法來構建煤礦井下的低壓電網。為了實現電壓的轉換和穩定，通常會配置一臺采用獨立動力的變壓器。煤礦的實際供電電壓一般為660V或1140V，根據采煤方法的不同而有所差異。綜合機械化或普通機械化采煤常使用660V的供電電壓。為了保障工作人員的安全，煤礦通常使用分布式對地電容全電纜線路，以防止電容集中，從而增強井下作業的安全性。

煤礦井下低壓供電系統的構成器件種類繁多、數量眾多，并且穩定性不足。為保障煤炭開采場所中電力線路的安全性能，我們必須全面提高其電源網絡及各部件的功能穩定性和可靠性。隨著地下礦場自動化機器設備使用范疇持續擴展，對于地下供能體系的供給穩定性和安全性的需求也在逐步增加。該供能系統承擔了大量的負擔，并且會受各種機械設備開啟時的電流量沖擊影響，所以對其內部繼電器防護設備的準確性和敏感度的標準也相應提高了。

目前，電力供應系統的繼電器保護設備使用了a"/"d（模數）轉換器控制方式，但這種方法存在一些問題，如采樣電流波動大、數據收集速度緩慢、傳輸效率低下、穩定性不足以及操作延遲等，這些都無法滿足礦山供電系統日益增長的安全防護需求。為了精確判斷和安全保護井下供電線路的短路、過壓、漏電等異常情況，需要結合知識圖譜技術，實現對異常情況的準確判斷和安全保護。通過迅速識別出故障的種類和根源，能夠有效提高供電系統的運行安全性和穩定性。

2知識圖譜技術在繼電保護方面的應用

知識圖譜技術在繼電保護方面的應用可以提供故障診斷和分析、設備狀態監測和評估、智能決策支持以及知識管理和共享等功能。這些應用有助于增強繼電保護系統的效能和穩定性，縮短故障處理周期，并提升電力系統的安全性與穩定性[2]。

（1）故障診斷和分析：知識圖譜可以整合和表示繼電保護系統的各種知識和信息，包括設備參數、故障模式、操作規程等。通過構建繼電保護知識圖譜，可以實現對故障信息的有效管理和查詢。基于知識圖譜的故障診斷系統可以根據輸入的故障信息，自動推理和分析，快速定位和診斷電力系統中的故障，并提供相應的修復建議。

（2）設備狀態監測和評估：知識圖譜技術可以與繼電保護設備的監測系統集成，實時收集和分析設備的狀態數據。通過將設備狀態數據與知識圖譜中的設備模型和參數進行關聯，可以實現對設備狀態的監測和評估。當設備狀態異常時，知識圖譜可以根據設備模型的知識，提供相應的警報和建議，以支持操作人員進行及時的干預和維修。

（3）智能決策支持：知識圖譜可以整合和表示繼電保護系統的運行規程、操作經驗和最佳實踐等知識。基于知識圖譜的智能決策支持系統可以根據當前的電力系統狀態和運行需求，自動推理和分析，提供相應的操作決策建議。這可以幫助操作人員做出準確、及時的操作決策，提高繼電保護系統的可靠性和效率。

（4）知識管理和共享：知識圖譜可以作為一個統一的知識管理平臺，幫助繼電保護系統中的不同角色和部門之間進行知識的共享和交流。通過將各種知識和信息整合到知識圖譜中，可以提高知識的可訪問性和可重用性，避免信息孤島的問題，促進跨部門和跨系統的協同工作[3]。

3基于知識圖譜的煤礦井下供電系統繼電保護工程配置

圖1展示了以知識圖譜為基礎的煤礦井下電力供應系統中繼電器保護智能化運維維護體系的設計結構。此系統構建了一個信息收集模式，同時還提供了一系列功能模塊，包括全面可見性視角、虛擬環路監控、光纜線路監測、二次設備狀況監察、一次與二次狀態差異檢測、同一來源數據比較、斷開連接電路診斷、智能巡查等[4]。借助這種信息獲取方式及各個具體應用場景的設置，這個系統能夠實現智能化運行管理系統中的二元系統層次化的全方位可見性和二元設備故障的智能化識別和解析。

智能維護體系的信息工程設置包含了系統信息的收集設定與各種業務模式的具體實施設定的組合。參照圖1，該過程是通過把每個IED的固定參數、斷路器狀態、GOOSE信號、數字輸入/輸出信號及模擬輸入/輸出信號等數據轉換為智能維護體系中的相應信息獲取節點來完成的，這樣就能夠有效地捕捉并記錄下所有IED的工作情況[5]。

主要職責在于實施智能化運維維護系統的工程設置，其中包括對信息的收集和配置。現階段，這項操作通常依賴于人類手工地把IED接口上的文字說明對應到智能運維維護系統中的相應的信息收集位置上。本文通過運用知識圖像的強大優勢，在構筑知識網絡和揭示認知關系領域，依據繼電保障九統一規范以及歷史配置數據分析，創建了信息系統收集配置的認知圖像，達到了智能化運維信息系統收集的自動化。

4建立繼電保護智能運維管理系統的數據信息收集配置相關知識圖譜

我們采用了自上而下的方式來建立和定義智能維護系統的信息收集節點與其二進制設備的數據出口地址信息的聯系網絡。繼電器保護九一化標準規定了一致化的輸送信息規則，為繼電器保護設備的數據出口接口制定了一個標準的模式[6]。依據IED類型的智能維護系統會創建所需收集的信息的模板，并且基于專家的理解，以IED類型作為基礎，搭建出智能維護系統的信息收集節點及其九一致統繼電器保護設備的標準數據出口接口的關系網，由此構成了我們的知識網絡實體。

通過對智能運維系統的過往設置資料進行知識的學習和理解，該系統能夠解讀出其過去的設定文檔并提取出有關智能運維系統的信息收集節點與其二進制設備的數據傳輸接口的聯系模式。此外，依據于知識圖表中的智能運維系統信息收集節點及其繼電器保護設備的標準化數據輸出接口模態間的連接方式，我們建立起了繼電器保護設備標準化的數據輸出接口模態與二進制設備的數據傳輸接口地址信息的連通機制。最后，形成了智能運維系統信息收集設定的知識圖表，具體展示在圖2之中。

為解決使用智能化維護系統的過往設定參數構建知識網絡的問題，本研究引入了一個創新的方法。此法根據二次設備的數據傳輸出口和九統一電力保護設備的數據傳輸出口的標準化模式間的相近度來算出二者對應的關系，進而自動化地把二次設備的數據傳輸出口配對至標準的輸入接口位置。然后，以人工作業方式核準這些配對的結果，以此形成二次設備的數據傳輸出口及智能化維護系統的信息收集點的連接關系，并實現了知識的整合。這個策略有效運用了二次設備的數據傳輸出口和其標準化的模式間的相關性，并且借助人工審核保證了配對效果的精確性。

5自動分配的繼電保障智能運維系統信息收集是基于知識圖譜

在煤礦井下繼電保護智能運維系統中，各個二次設備的模型信息都被集成在全站配置SCD文件中。這個文檔采用了層次化的構造方式，所有的二級設備都在SCD文件里被表示為首級的IED節點和它們的子節點的集合。在我們開始設置參數前，我們要對SCD文件進行解讀，以便找到要監控的IED，并且從中提取出它的數據輸出口的位置與說明，從而構建起這臺IED的數據口位置信息。

我們在設置的過程中，基于知識圖形里的二級裝置為起始點，依照圖表上標明的路線來尋找并配對，例如圖4展示的情況。首要的是，依據SCD文檔解讀出的IED設備類型數據，于知識圖形內搜索需監控的IED相對應的二級裝置。其次，把從SCD文檔里解譯出來的這個IED的所有資訊端口位置同知識圖形的資訊端口位置做比照，以此找到標準的資訊端口位置。經過找到了智能維護系統的資訊收集點后，就能完成智能維護系統資訊收集的自動化設定。

經過以上步驟的操作，我們能夠精確地匹配和配置文件中的二次設備信息與智能運維系統的信息采集點，從而實現自動化的智能運維系統信息收集。

當需要設置的時候，若發現知識圖譜內找不到相應的二層設備，將會執行下述流程。第一步是利用設備種類從智能化維護體系中檢索出相關設備的數據收集點及其相應標準的數據接口位置。接著，經過對比IED的數據接口位置及標準化數據接口位置的相似度并加以人工核準后，完成二層設備數據接口位置與智能化維護體系數據收集點的連接設定。此外，把這種聯系保存于知識圖表之中，以便保持知識的實時更新。

即便在知識圖譜中找不到相應的二次設備，經過對設備類型和數據連接位置進行配對與校驗后，仍能成功構建二次設備數據連接位置與智慧運維管理系統信息采集點之間的聯動分配。這種方法充分利用了設備類型和信息接口地址的相似性，通過人工校驗確保了匹配結果的準確性，并將新的關聯關系存儲到知識圖譜中，實現了知識的更新。

6結論

為了解決煤礦井下繼電保護智能運維系統配置中遇到的問題，如信息收集點過多、防護模式混亂以及沒法實時進行自動反映等，我們提供了一套采用知識圖譜的自動化繼電保護智能運維系統配置策略。

此種策略依賴于繼電器保護規則及專家長期積累的專業經驗來建立知識體系。借助智能維護平臺的歷史設置記錄進行知識的學習，并以此為基礎創建了智能維護平臺的數據收集點的設定方案。在此過程當中，我們使用二元設備信息的接入端口地址的相似度比較作為配對依據，從而達到知識整合的目的。

知識圖譜驅動的繼電保護智能運維系統自動化配置技術有助于顯著提升配置效率，確保了配置的精準度。這種方法解決了人工配置在智能運維系統中所面臨的大量、低效和長期的問題，對于保證智能電網的穩定性具備重要價值。

參考文獻：

[1]"許堯，馬歡，許旵鵬，等.智能變電站繼電保護智能運維系統自動配置技術研究[J].電力系統保護與控制，2022，50（11）：160-168.

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[3]"Shaoming"Z"，Zhongshuo"L"，Yiting"Y"，"et"al."A"quality"evaluation"method"for"the"unstructured"defect"record"of"relay"protection"devices"based"on"ontology"and"knowledge"graph[J]."Energy"Reports，2023，9（S7）.

[4]"金楠.煤礦井下供電系統繼電保護裝置的應用研究[J].能源與節能，2020（09）：177-178.

[5]"彭峰，周凌峰.基于知識圖譜的隧道機電智能運維平臺淺析[J].中國交通信息化，2023，（10）.

[6]"陳曉宇，賈琨，張振國，等.基于元數據的建筑機電系統智能運維[J].建筑科學，2023，39（10）.

作者簡介：劉顯貴（1985—""），男，漢族，黑龍江望奎人，碩士，工程師，研究方向：礦山機電。