煤矿配电网故障预测技术研究与系统设计

2018-04-25安江伟

机电工程技术 2018年1期

安江伟

0 引言

煤炭资源是我国电力事业发展的最坚强保障，随着煤炭开采过程中科技含量的不断提高，所使用的电气设备越来越多，进而导致矿井的用电负荷急剧增加，一旦电力中断，生产将被迫停止。煤矿供电系统的电网结构非常复杂，矿井供电系统的分层分布式结构上，为了确保煤矿生产的安全运行，需要采取有效的措施，确保供电系统能够稳定的运行。煤矿供电系统的结构非常复杂，线路连接异常繁琐，同时为了确保安全而设置的多种接地方式，也给故障的排除增加了不小的难度。同时，由于煤矿供电系统的工作环境非常差，能够导致故障的因素非常多，也导致故障的诊断难度大幅度提升。因此，对故障进行诊断分析，采取行之有效的措施具有深远的意义。

1 故障预测方法

当电网发生故障后，利用电网调度控制中心，监测供电电网中的中枢点和负荷点上的电压大小、各个供电线路中的电流大小、继电器的工作情况等。

1.1 专家系统法

专家系统法在进行电网故障分析时，所依据的主要是各种继电器保护和开关动作的监测数据和对供电系统进行维护人员的工作经验。专家系统的组成部分主要有：人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6各部分，其中，知识库和推理机构成了专家系统的主要功能部分。在知识库中储存了大量针对供电系统故障的解决办法，推理机通过利用知识库中的资料，并进行一定组合，进而给出解决问题的办法。因此，知识库建设的是否全面，很大程度上决定着问题的解决程度以及解决办法的合理性。利用专家系统法对供电故障进行解决时，需要将电网的基础数据进行输入，通过系统的分析处理后，再经由输出系统进行输出，就能得到相应的处理方法。

1.2 人工神经网络法

人工神经网络法的特点是采用神经元及其优先权连接起来处理问题，主要缺陷是需要大量的、具有代表性的样本、系统自身无法保持相对稳定的状态等。人工神经网络法在网络中的处理单元可以分为：输入单元、输出单元和隐单元等三种类型。输入单元的功能是将外部的信号与数据进行有效的输入；输出单元的功能是将系统处理后的结果向外部进行有效的输出。

1.3 模糊理论法

配电网的故障类型较多，其表现出来的故障征兆也是不尽相同。目前，故障诊断遇到的最大困难就是故障和征兆并不是一一对应的关系，各种故障之间相互影响，不能准确的判断故障的全部信息，对设备无法进行全面诊断。网络出现故障是一个渐变的过程，故障与非故障状态存在较大的模糊性，因此模糊诊断法就必须对每一个故障征兆与设备参数进行关系探寻，求解出上下限和合适的隶属函数。

2 煤矿配电网故障测距

2.1 单端行波测距

对于较为简单的线路来说，一般采用单端行波测距，其原理是通过计算从测量点与故障点行波的传播时间差值，来确定故障位置。该测距方法的关键技术是获取准确的行波信号[1]。

单端行波测距的主要公式为：

式（1）中，L表示的是故障点距线端的距离，t1为故障发生后产生的行波第一次到达测量点的时间，t2表示的是行波从故障点反射回测量点的时间；v是行波的传播速度。

接地故障中的高阻抗接地故障发生时，还要测量行波从母线段反射到测量点的时间，求出它与第一次到达测量点的时间差。其基本的测距公式为：

式（2）中：L为故障点距离线端的长度；t3为故障发生后行波从母线端反射回测量点所用的时间。

2.2 双端行波测距

双端行波测距是根据测量线路发生故障时行波到达线路两端所用的时间，通过计算其时间差来进行故障定位的，测量精度较高，受系统故障类型、线路参数的影响较小。其测距所用的公式如下：

式(3)、(4)中：L1、L2分别表示的是故障点到线路两端的距离；t1、t2分别表示的是行波到达线路两端所用的时间。

双端行波法对时间的要求较高，尤其在线路较长的情况下，（行波的传播速度近似光速300 m/μs，时间上的误差造成的测距误差就较大）因此需要时间的同步性，这就必须安装GPS全球定位系统，以保证线路上所有点的时间的同步，一般精确到1μs以内[2]。双端测距技术最重要的是对于线路上行波的准确采集，尽量减小采集的时间误差，对于提高故障测距的精度有明显的效果。

2.3 双端行波测距的误差及优缺点

双端行波测距的误差一般分为两类：（1）测距装置本身的测量误差，其中对行波的采集精度影响测距的误差；（2）对行波分析方法的差异，每一种算法都有自己的特性，因此算法的不同也会造成测量精度的不同。

双端行波法的优点是：在线路较为复杂时，适用范围较广。母线两端都有检测行波的装置，只需要准确的检测第一个到达的行波，较单端行波测距检测两个行波可靠性更高[3]。线路的特征电阻、电容的分布及系统运行方式的变化都对测距的影响较小，有着良好的抗干扰能力，测距精确度更高。双端行波法的测距结果基本上都能够满足系统对故障精准定位的要求，试验表明测距的误差一般在500 m范围内。

双端行波测距的缺点是：需要在母线的两端都安装有行波检测的装置，和GPS时标系统及数据通信的设备，增大了投资成本，经济性较差[5]。在一些结构较为简单的线路上，应该采用单端行波测距，两者相互结合。

3 故障预测系统抗干扰设计

为了煤矿配电网进行有效的故障诊断，在线监测技术的应用越来越普及。故障在线监测经常受到外界因素的干扰，因此去除在线监测中的干扰成为研究的重点。[4-5]配电网的故障预测器测量参数为故障时放电过程中的脉冲信号，对脉冲信号获取的是否完整精确，决定了在线监测技术的精度，决定了其对故障是否存在异常与缺陷的判断。变电站有大量的电气设备，许多设备在运行过程产生干扰信号，严重地影响了信号采集的精确度和故障诊断的可靠性。如何有效地去除测量的干扰信号，成为电气设备在线监测技术的面临的难题。

本文通过提出一种新的干扰信号综合处理的方法，将获取的信号经过分层次滤除，尽可能将脉冲完整的采集出来。

此模型结构如图1所示。

该综合去干扰模型分为三步去除干扰，要保证每一步去干扰尽量对原信号的影响最小，前一步的滤除不影响后面的滤除效果。先后顺序考虑了干扰的特性，先把连续性、周期性较高的干扰滤除，如果没有消除该干扰信号，直接采用小波消噪技术滤除干扰，有可能造成有用的脉冲信号当作白噪声滤除掉[6]。因此决定首先为采用去窄带干扰，然后用小波消噪去除白噪声，最后采用去脉冲干扰。经过以上三步对干扰的滤除，基本上得到了较为准确的局部放电信号。