煤礦高壓電網(wǎng)故障點(diǎn)定位系統(tǒng)的研究

　　1.引言

　　目前配電線路故障定位方法是，首先要確定故障線路，然后沿工人路故障點(diǎn)。隨著配電網(wǎng)的加強(qiáng)，該行已變得特別復(fù)雜，使用傳統(tǒng)方法，以確定故障點(diǎn)的具體位置是非常困難的，它會(huì)浪費(fèi)多少時(shí)間，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)的煤礦。因此，對(duì)配電線路故障定位方法的研究具有十分重要的意義。本文旨在研究煤礦高壓故障定位系統(tǒng)的一個(gè)合適的方法。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)和國(guó)際分布故障定位技術(shù)的研究，結(jié)合煤礦6kV高壓握的實(shí)際情況，然后我們制定了煤礦高壓電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。

　　本文首先構(gòu)建了該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析煤礦分布網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和故障定位算法研究制定一個(gè)基于圖論的智能定位算法。在地面上的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)的使用可以很容易地得到故障信息。MCGS組態(tài)軟件，Matlab，數(shù)據(jù)庫(kù)和其他PC軟件相結(jié)合，該系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)故障的精確定位和煤礦分布網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警等功能的操作。

　　2.定位算法

　　根據(jù)圖論方法的基本原理，分布網(wǎng)絡(luò)的饋線將作為邊，反饋交換機(jī)作為一個(gè)頂點(diǎn)，因此，我們可以用圖論的方法來(lái)建立分布網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的算法。根據(jù)頂點(diǎn)和邊之間的關(guān)系，有許多方法來(lái)描述一個(gè)矩陣。在這里，我們剛剛推出鄰接矩陣和相關(guān)矩陣的描述方法。

　　2.1鄰接矩陣

　　圖G(V，E)的節(jié)點(diǎn)，如v1，v2，...，vn，這N個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布網(wǎng)絡(luò)，我們可以判斷行列的分銷網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣An×n至節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。如果存在邊緣節(jié)點(diǎn)之間，Aij= Aji= 1，否則Aij= Aji= 0。

　　2.2相關(guān)矩陣

　　相關(guān)矩陣的描述方法是由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊之間的關(guān)系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定的。圖G(V，E)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)：V ={v1，v2，...vn}和m條邊E ={e1，e2，......em}。如果該節(jié)點(diǎn)與邊連接，則Aij= Aji= 1，否則Aij= Aji=0。

　　2.3區(qū)域相關(guān)性矩陣

　　由于配電網(wǎng)絡(luò)反饋線路數(shù)量非常大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往具有很高的維數(shù)，如果我們直接使用的鄰接矩陣描述方法和相關(guān)矩陣描述方法，這將是難以計(jì)算的，所以我們需要簡(jiǎn)化的拓?fù)涿枋鼍仃嚕缓筇岢鰠^(qū)域拓?fù)涿枋鼍仃嚨母拍睿褂脜^(qū)域拓?fù)涿枋鼍仃嚪治觯畔⑻幚恚瑢⒋蟠蠛?jiǎn)化。根據(jù)節(jié)點(diǎn)故障的特點(diǎn)，我們使用一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)代表整個(gè)區(qū)域的信息，只要區(qū)域內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障就代表區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有故障。區(qū)域Zi(vi，vj，...... vm)是vi子節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)。假設(shè)可以把分布網(wǎng)絡(luò)分解成m個(gè)地區(qū)，我們可以建立一個(gè)區(qū)域的相關(guān)性矩陣Q(qij)M×M。矩陣的所有對(duì)角線元素等于零，如qij= 0。分析兩個(gè)連接的區(qū)域Zi(vi，vj，...... vn)和Zj(vi，vj，...... vn)，如果父節(jié)點(diǎn)Zi的vli和另一個(gè)父節(jié)點(diǎn)Zj的vmj相連接，則qij= 1，否則qij=0。

　　我們通過(guò)上面的介紹，區(qū)域拓?fù)渚仃噷?shí)現(xiàn)區(qū)域劃分，并通過(guò)分析，只要區(qū)域內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)有故障，它的父節(jié)點(diǎn)也一定有故障，如該子地區(qū)Zi(vi，vj，...... vn)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有故障，我們會(huì)相信Zi是故障地區(qū)，如果沒(méi)有故障，我們認(rèn)為該地區(qū)是正常的。確定故障信息矩陣GD：

　　我們可以通過(guò)區(qū)域故障信息矩陣和地區(qū)的相關(guān)矩陣DP故障來(lái)識(shí)別

　　故障DP標(biāo)準(zhǔn)：(1)dii=1(2)如果dji = 1，djj = 0，那么我們可以看到，故障發(fā)生在Zi地區(qū)或反饋線Zi和Zj之間。如果v1 = v2 =......=vn =0，故障出現(xiàn)在反饋線上。如果其中一個(gè)等于1，故障發(fā)生在Zi地區(qū)。

　　2.4算法

　　中央變電站位于255米的地下其中有三個(gè)電源線來(lái)自地面，有防爆高壓開(kāi)關(guān)。我們安裝了21個(gè)無(wú)線傳感器，一旦發(fā)生故障，它們將得到和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連接的基站發(fā)送的信息。圖1中央變電站的數(shù)字。 “20”和“21”是兩個(gè)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。用IPC軟件，我們可以通過(guò)上述方法找到哪條線路出現(xiàn)故障。

　　圖1中央變電站

　　3.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　煤礦高壓電源線故障定位系統(tǒng)組件如圖2所示。該系統(tǒng)采用最新技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于獲得整條線的信息，當(dāng)線路短路，故障信息將被發(fā)送到該基站。基站編碼信號(hào)，并把它發(fā)送到地面上的主站。主站的計(jì)算機(jī)上安裝的判斷軟件可以判斷故障的位置。

　　3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是適合部署在這樣一個(gè)環(huán)境惡劣，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的煤礦。圖2所示 工作原理圖

　　圖2系統(tǒng)示意圖

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝的電纜線，檢測(cè)線的運(yùn)行狀況。一旦線路短路，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)迅速捕捉到故障信號(hào)，將信號(hào)發(fā)送到安裝在節(jié)點(diǎn)附近的基站。

　　節(jié)點(diǎn)主要有兩部分，檢測(cè)部分和無(wú)線通信部分。節(jié)點(diǎn)使用MSP430 MCU F2132微控制器核心。 MSP430單片機(jī)的使用16位RISC處理器作為核心，可以執(zhí)行的指令只有一個(gè)周期，與其他類型的微控制器相比，具有更強(qiáng)的處理能力和運(yùn)行速度，某些類型MSP430單片機(jī)內(nèi)部還設(shè)立了一個(gè)硬件乘法器， DMA等功能，可以完成由DSP完成的任務(wù)。

礦井無(wú)線故障指示器的設(shè)計(jì)如圖3所示，傳感器的主要部件是：MCU(微控制器)，無(wú)線通信模塊，電源模塊。

　　圖3礦井無(wú)線故障指示器

　　3.2高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備

　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。它采用插件的箱體結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，包括高速數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸，數(shù)據(jù)分析和處理三部分組成。

　　圖4高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件：設(shè)備訪問(wèn)電流互感器(CT)。行波分量將通過(guò)濾波電路提取，由A / D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 FPGA控制模塊控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存中，一旦滿足啟動(dòng)條件，記錄故障的觸發(fā)點(diǎn)，并存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)將被傳遞到故障記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊：保存到CF卡和SD卡，收集的數(shù)據(jù)采集部分的功率損耗，即使掉電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。數(shù)據(jù)分析和處理： ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊自動(dòng)分析文件，完成數(shù)據(jù)顯示，打印，鍵盤控制等。

　　3.3地面監(jiān)測(cè)站的主要

　　通過(guò)上述分析和計(jì)算，礦井6KV高壓電源故障定位系統(tǒng)的實(shí)施，需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的分布網(wǎng)絡(luò)和故障識(shí)別矩陣的數(shù)學(xué)模型，并混合了廣泛的信息。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，軟件的設(shè)計(jì)成為成功的關(guān)鍵，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了故障信息處理和精確定位的軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　雖然配置的軟件有一個(gè)功能強(qiáng)大的人機(jī)界面和通訊功能，在數(shù)值計(jì)算和分析，似乎是不夠的。 MATLAB是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算，算法開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)仿真軟件，可以很容易地計(jì)算和編程，但并不方便的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，它不提供計(jì)算機(jī)硬件接口，端口無(wú)法操作。我們結(jié)合他們的優(yōu)勢(shì)。

　　當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，MCGS的出口DDE方式收集到的數(shù)據(jù)故障， Visual Basic處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得的故障數(shù)據(jù)，然后傳送到MATLAB函數(shù)做計(jì)算，最后Visual Basic從MATLAB軟件得到結(jié)果，并在MCGS中顯示。

　　圖5軟件結(jié)構(gòu)

　　4.小結(jié)

　　煤礦6kV的高電壓握故障定位系統(tǒng)的投資，我們可以實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)控，以地下的高壓電網(wǎng)，這可避免事故的發(fā)生，確保煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全性，它具有大的安全意識(shí)。該系統(tǒng)將減少人員所涉及的因素，節(jié)省人員成本，提高勞動(dòng)效率，確保煤礦安全。該項(xiàng)目有廣泛的適用性在煤礦和良好的應(yīng)用價(jià)值。