徐 磊，周昊程，盧逢婷

(江蘇電力信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210024)

由于煤礦作業(yè)在地下進(jìn)行[1-2]，在作業(yè)過程中必須有電力的支持，而供電安全[3-4]是整個(gè)煤礦井下工作的重要保障，煤礦供電與電力公司的常規(guī)供電有所不同，煤礦供電的電網(wǎng)分支數(shù)量過多，且各支路的線纜較短，而地下的惡劣環(huán)境會(huì)加速電纜的破壞，從而導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路或漏電的情況，電力故障不僅影響煤礦的正常作業(yè)，也會(huì)導(dǎo)致井下排水以及通風(fēng)系統(tǒng)異常，容易出現(xiàn)水災(zāi)以及瓦斯泄漏等事件，嚴(yán)重威脅工作人員的安全。煤礦井下多使用柔性直流輸電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的關(guān)鍵元件是電壓源換流器，在此基礎(chǔ)上引入PWM技術(shù)[5-6]生成一種全新的直流輸電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有電壓穩(wěn)定以及電流快速控制的優(yōu)點(diǎn)，是目前煤礦井下最常用的電力系統(tǒng)，而在柔性直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)下也不可避免地出現(xiàn)電力系統(tǒng)故障，因此還需要對(duì)該系統(tǒng)的故障進(jìn)行識(shí)別。

一部分研究人員首先基于直流電故障的物理模型對(duì)電流特征量進(jìn)行分析，進(jìn)而完成相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并得出單間隔相電流的特征量，以此加強(qiáng)電力故障識(shí)別的準(zhǔn)確性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別[7]。還有一部分研究人員通過分析煤礦井下發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)的電壓自由振蕩分量頻率變化的關(guān)鍵原因以及相位特征，從而得出電力波動(dòng)的原因。利用傅氏算法計(jì)算得出故障與實(shí)際電力之間的差異，并在電壓相量下通過極化電壓得出發(fā)生故障時(shí)的相位，實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別[8]。

以上2種方法沒有提取供電系統(tǒng)中的信號(hào)特征，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)算量巨大，進(jìn)而降低計(jì)算精度，加大故障識(shí)別誤差，存在故障識(shí)別精度低和故障識(shí)別性能差的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出一種新的煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別研究方法。

1 故障特征量提取

煤礦井下柔性直流輸電發(fā)生故障會(huì)對(duì)井下工作人員的人身安全造成嚴(yán)重威脅[9-10]，為了確保煤礦井下的供電系統(tǒng)安全，需要對(duì)煤礦的電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[11]以及故障信號(hào)識(shí)別[12]，為加強(qiáng)故障識(shí)別效率可首先對(duì)電力信號(hào)故障特征量進(jìn)行提取。此次研究采用經(jīng)驗(yàn)小波變換(EWT)[13-14]。這種方法能夠?qū)⑿盘?hào)頻譜進(jìn)行自適應(yīng)分類，從而將暫態(tài)信號(hào)分解為多個(gè)模態(tài)分量，以此提升故障特征量提取精度與效率。

對(duì)電力信號(hào)頻譜進(jìn)行自適應(yīng)分類處理，以此確定M個(gè)區(qū)間。將0跟π剔除，那么就還存在M-1個(gè)邊界。定義ωn代表的是相應(yīng)邊界，同時(shí)相應(yīng)的頻帶用Λn表示。將處于相鄰狀態(tài)的極大值其中存在的最小值當(dāng)作邊界，同時(shí)根據(jù)大小情況完成排列，如果極大值的數(shù)量是N，那么當(dāng)M小于N時(shí)，需要將前M-1個(gè)極大值留下來，但是當(dāng)M大于N的情況下，需要將所有的極大值都進(jìn)行保存，同時(shí)還需要選擇最后一個(gè)數(shù)值之后的N-M個(gè)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)齊，以此完成暫態(tài)信號(hào)分解。

根據(jù)EWT分解結(jié)果，電流信號(hào)i(t)被分解為k個(gè)EMF分量ci(t)，i=1，2，3，…，k以及1個(gè)殘余分量ck+1(t)[15-16]。為了確保電流信號(hào)的能量分布狀況能清楚表現(xiàn)，利用能量權(quán)重跟熵的原理。能量權(quán)重是各分量的能量跟電流信號(hào)能量之間的比值λi，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中，H為數(shù)據(jù)窗長度。

能量熵J計(jì)算公式如下所示。

(2)

在能量熵基礎(chǔ)原理的指導(dǎo)下，提出在識(shí)別故障電流能量熵的基礎(chǔ)上，提取分析直流故障電壓信號(hào)，引入直流正負(fù)極電壓系數(shù)進(jìn)行故障極識(shí)別。正負(fù)極電壓系數(shù)計(jì)算公式如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

式中，K1、K2分別為正、負(fù)極直流電壓系數(shù)；UP為正極直流電壓采樣值；N1為正極電壓采樣點(diǎn)數(shù)；UN為負(fù)極直流電壓采樣值；N2為負(fù)極電壓采樣點(diǎn)數(shù)。

經(jīng)過上述分析，通過本算法對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行一系列的分解，最終獲得能量熵[17-18]，并將計(jì)算得到的能量熵當(dāng)作特征矢量構(gòu)成的一部分，在分析故障線路電流的同時(shí)，通過提取和分析直流電壓值，實(shí)現(xiàn)故障特征量提取。

2 輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別

對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)的故障識(shí)別就是對(duì)系統(tǒng)供電故障進(jìn)行診斷[19]，可將電力故障識(shí)別分為以下3步。①根據(jù)故障特征量構(gòu)建斷路器以及線路保護(hù)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣。②根據(jù)斷路器的實(shí)際狀態(tài)以及歷史電力狀態(tài)得出線路運(yùn)行情況。③將都有關(guān)聯(lián)矩陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，其結(jié)果就是短路故障的最終概率，即完成電力短路故障識(shí)別。

假設(shè)煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)階數(shù)為5×7，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣為S，進(jìn)而生成斷路器的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣，其表達(dá)式為：

(5)

其中母線以及線路保護(hù)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣表達(dá)式分別為：

(6)

將所有關(guān)聯(lián)矩陣中的電力故障數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合的結(jié)果即為柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障的識(shí)別結(jié)果。在實(shí)際融合過程中可添加AHP權(quán)重分析法加強(qiáng)識(shí)別性能，降低誤報(bào)或漏報(bào)的概率，極大程度提高短路故障的識(shí)別能力和準(zhǔn)確性。

將母線和線路中的信息進(jìn)行融合[20]后得出的元件發(fā)生故障的概率分別為：

(7)

根據(jù)式(7)即可得出故障發(fā)生的概率，進(jìn)而完成煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別研究方法的整體有效性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場調(diào)查Fig.1 Field investigation

3.1 故障識(shí)別精度

在對(duì)煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)的各個(gè)元件進(jìn)行短路故障識(shí)別時(shí)必須要保證識(shí)別的精度，在識(shí)別過程中，當(dāng)元件發(fā)生故障其故障變量會(huì)發(fā)生變化，其中故障變量允許波動(dòng)范圍為0～0.14。

對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)故障元件進(jìn)行識(shí)別，首先得出其真實(shí)的故障變量，并與本文方法得出的故障變量進(jìn)行對(duì)比，得出與真實(shí)結(jié)果最接近的即為最優(yōu)故障識(shí)別方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2—圖3所示。

圖2 供電系統(tǒng)實(shí)際故障情況Fig.2 Actual failure of the power supply system

圖3 供電系統(tǒng)在所提方法下的故障識(shí)別情況Fig.3 Failure identification of power supply system under the proposed method

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所提方法和實(shí)際故障的變量以及發(fā)生時(shí)間均一致，驗(yàn)證了所提方法是最優(yōu)短路故障識(shí)別方法。這是因?yàn)樗岱椒ㄔ趯?duì)短路故障識(shí)別前提取供電系統(tǒng)信號(hào)的特征，以此降低識(shí)別的計(jì)算量，從而加強(qiáng)識(shí)別精度。

3.2 故障識(shí)別性能

對(duì)電力系統(tǒng)的短路故障識(shí)別實(shí)際上是針對(duì)可能發(fā)生故障的元件的一種概率計(jì)算，發(fā)生故障概率的結(jié)果直接決定故障識(shí)別的性能，為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，隨機(jī)選取5組帶有短路故障的電力系統(tǒng)，利用本文方法計(jì)算故障發(fā)生的概率，并與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 故障發(fā)生概率對(duì)比Fig.4 Failure probability comparison

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，所提方法得出的結(jié)果與實(shí)際值基本保持一致，從而驗(yàn)證出所提方法的可信度最高，識(shí)別性能最強(qiáng)。

4 結(jié)語

由于煤礦作業(yè)中供電系統(tǒng)是不可或缺的一項(xiàng)，為了加強(qiáng)煤礦作業(yè)的安全，提出煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別方法，該方法首先對(duì)供電系統(tǒng)電力信號(hào)故障特征量進(jìn)行提取，其次根據(jù)特征對(duì)電力的故障進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)煤礦井下柔性直流輸電系統(tǒng)短路故障識(shí)別，解決了故障識(shí)別精度低和故障識(shí)別性能差的問題，進(jìn)而保證煤礦井下作業(yè)安全。