煤矿采区供电系统故障诊断技术研究

冯 强

（西山煤电集团有限责任公司发电公司， 山西 太原 030053）

引言

煤矿采区供电系统承担着整个工作面机械等耗电设备运行的任务，供电系统一旦发生故障，长时间供电系统的修复将给矿井带来巨大的经济损失[1-2]。随着自动化水平的不断发展，矿井供电系统故障诊断方法也有了较大的改善，通过遥测技术可以迅速判断供电系统的故障类型，通过调度人员可以在短时间内实现供电系统的正常运行；此外，在数据挖掘概念的指导下，采用时间序列匹配的方法进行供电系统的故障诊断已有了较快的发展，通过警报信息序列对复杂故障进行正确诊断的同时，实现对继电器的准确评价[3]。实现对矿井供电系统的准确诊断一直是难点，因此Petri 网故障诊断方法逐渐映入眼帘，利用Petri 网故障诊断方法实现了电气设备信息的融合，能充分记录设备的动作信息，利用多源信息的冗余度可以检验警报信息，提高了故障诊断的可靠性[4]。本文通过改进Petri 网故障诊断方法，实现了供电系统故障诊断的实时性以及准确性，为矿井供电系统故障诊断技术的研究提供了参考。

1 煤矿采区供电系统及Petri 网诊断理论

煤矿供电系统有传统式供电和现代式供电两种，供电系统结构图如图1 所示。从图1-1 中可看出，传统式供电系统通过两条下井电缆将地面变电站的电传送至井下中央变电站，井下变电站统一调控输送至各个采区及工作面。从图1-2 中可以看出，现代煤矿分区供电系统通过多条下井电缆将地面变电站的电传送至工作面、采区或者中央变电站。相比较传统式煤矿供电系统，现代煤矿分区供电系统避免了井下多电缆供电的复杂性，当井下发生供电故障后，小范围的故障区域保证了其他工作面正常的开采，采用井下电缆直接接入区域载荷，提高了供电系统的稳定性。

图1 煤矿供电系统结构图

煤矿供电系统对于煤矿正常生产起着决定性作用，为此，对供电系统进行监测和故障分析就显得尤为重要。当煤矿供电系统发生故障时，通过元件诊断以及断路器保护动作进行故障诊断，随着电气自动化技术的快速发展，矿井已经实现了电力监测，通过电气设备实现了供电系统的监测诊断。

煤矿电力监测系统结构主要由电力元件测控单元、井下监控站和地面监控站三部分构成。电力元件监控单元负责对供电系统的各个元件进行监测，同时将监测数据整理上传至井下监控站，井下监控站则负责接收数据，并进行数据的存储以及传送，通过和井下开关等装置的连接，实现了及时通讯功能以及下达命令的功能；地面监控站负责整个矿井供电系统的数据分析处理、监测调控。

每个采区供电系统都配有专门的电力监控分站，电力监控分站负责对供电系统状态量进行信息采集，采集的信号以二进制数值0 和1 的形式传出，用于表征断路器、保护装置等零件的工作状态。因此，通过井下电力监控进行供电系统的故障监测，为供电系统故障诊断技术的发展提供了参考。

煤矿电力监测系统的发展基于Petri 网理论，Petri 网理论主要由有向网、Petri 网、变迁触发规则和Petri 网动态性能四个方面构成。

基本有向网是由三元组构成，设其为N=（P，T，F），P为有限库所集合，T为有限变迁集合，F为函数集合。

Petri 网由有向网N，容量函数K，权函数W以及标识向量集M构成的六元组，表示为PN=（N，K，W，M）；变迁触发规则是基于Petri 网PN=（N，K，W，M），当标识向量集M 使能变迁引发时，变迁使得标识向量集中的数据库进行了重新分布，导致标识符号的变动。

Petri 网动态性能主要是实现对监测目标性能和功能的获取，其主要由Petri 网本身的结构和初始标识的行为特性决定，当动态系统具有良好的可达性和活性时，表示Petri 网动态性能良好，当有界性模糊且Petri 网发生冲突时，表示Petri 网动态性能不佳。

2 改进Petri 网的采区供电系统故障元件诊断

因为矿井供电系统的复杂性，基于Petri 网理论的故障分析并不能实现实时的故障诊断，因此，本文通过简化Petri 网模型实现对矿井供电系统的实时监测。通过将断路器和保护系统的动作信息加入到Petri 网模型中，通过一次设备和二次设备的联合运行避免了原有模型的局限性。本文将供电系统中的元件与Petri 网中的变迁进行对应，即将Petri 网理论中广义的变迁元素定义为了确定的物理参数并具有确定的现实意义。通过此方法，当供电系统中的保护信息有新动作后，模型中变迁就会有响应的动作，通过定义故障信息，便可实时获得供电系统元件的故障信息。在供电系统中，当发生故障后，继电保护器便会自动切除故障部分保证故障外电网不受影响，这一动作与Petri 网模型中的变迁动作一致，在原有模型的基础上，将保护配置和变迁相匹配，完善了故障诊断模型，解除了原有模型的局限性，简化了Petri 网模型，增强了拓展性和通用性。

矿井供电系统的电路线路依次由母线、变压器以及反馈电荷串联而成，改进后的Petri 网故障诊断方法能够实现供电线路中各个线路元件的故障诊断，将一个工作面的供电故障诊断扩宽延展，便实现了整个采区的故障诊断，进行故障诊断的步骤具体如下：

1）熟悉工作面供电系统中所有设备元件，并将元件的配置表和断路器相匹配，便于变迁模型的建立；

2）对应关系表确定后，将设备元件与变迁匹配，建立工作面供电系统Petri 网模型；3）求取改进后的Petri 网模型对应的关联矩阵；4）当供电系统发生故障时，通过断路器采集的报警信息确定Petri 网模型中的标识向量集M；

5）通过故障元件发出的动作信息确定触发向量集；

6）采用关联矩阵法进行故障的计算分析；

7）计算完成后，将标识向量集M与改进后的工作面供电系统Petri 网模型中的关系表进行对比，得出故障诊断的结果。

通过改进后的Petri 网诊断模型可以看出，采区供电系统中的电子元件较多时，建立的Petri 网模型就会庞大，故障监测的时间以及准确性就会降低，容易导致系统的崩溃。将工作面各个设备元件以及相应的断路器相连，通过故障信息和设备元件的对应关系，最终转化为模型中的变迁，实现了高效快捷的故障测试。

3 结论

通过分析采区供电系统及Petri 网诊断理论，改进了矿区供电的Petri 网模型，该模型实现了元件继电保护的变迁化，赋予了变迁物理意义。通过对工作面各设备元件的故障诊断分析，发现了该方法实现了设备元件故障监测的实时性，突破了供电系统的限制，其通用性诊断的特点不仅加快了诊断时间，且表现出较强的拓展性。对于采区供电系统的故障诊断，矿井可在工作面供电系统的规模上进行拓展，用相同的方法实现对采区供电系统故障的诊断。