煤矿高压电网故障点定位系统的研究_电气自动化_机械设备_行业资讯

摘要：煤矿高压电网结构复杂，一旦发生故障，这将很难找出故障点。为了解决这个问题，我们提出了一种基于无线传感器网络的电网故障点的定位系统。实践表明，这种定位系统，为煤矿安全生产提供了可靠的保证，并有很大的经济效益和社会效益。该项目有广泛的适用性在煤矿和良好的应用价值。

关键词：图论;无线传感器网络;高压电网

Abstract: The structure of coal mine high voltage grid is complex, once a failure happens, it will be difficult to find out where the failure point is. To solve this problem, we propose a positioning system of grid failure points based on wireless sensor network. The practical result shows that this kind of positioning system provides a reliable guarantee for the coal mine production safety and has a great economic and social benefit. The project has widespread applicability in the coal mine and a good application value.

Key words: graph theory; wireless sensor network; High voltage grid

1．引言

目前配电线路故障定位方法是，首先要确定故障线路，然后沿工人路故障点。随着配电网的加强，该行已变得特别复杂，使用传统方法，以确定故障点的具体位置是非常困难的，它会浪费多少时间，严重影响正常生产的煤矿。因此，对配电线路故障定位方法的研究具有十分重要的意义。本文旨在研究煤矿高压故障定位系统的一个合适的方法。经过国内和国际分布故障定位技术的研究，结合煤矿6kV高压握的实际情况，然后我们制定了煤矿高压电网故障定位系统。

本文首先构建了该系统的数学模型，通过分析煤矿分布网络的结构和故障定位算法研究制定一个基于图论的智能定位算法。在地面上的高速数据采集系统为基础的无线传感器网络（WSN）技术的使用可以很容易地得到故障信息。MCGS组态软件，Matlab，数据库和其他PC软件相结合，该系统成功地实现故障的精确定位和煤矿分布网络的实时显示，报警等功能的操作。

2．定位算法

根据图论方法的基本原理，分布网络的馈线将作为边，反馈交换机作为一个顶点，因此，我们可以用图论的方法来建立分布网络的数学模型和相应的算法。根据顶点和边之间的关系，有许多方法来描述一个矩阵。在这里，我们刚刚推出邻接矩阵和相关矩阵的描述方法。

2.1邻接矩阵

图G（V，E）的节点，如v₁，v₂，...，v_n，这N个节点的分布网络，我们可以判断行列的分销网络的邻接矩阵A_n_×n至节点之间的连接关系。如果存在边缘节点之间，A_ij= A_ji= 1，否则A_ij= A_ji= 0。

2.2相关矩阵

相关矩阵的描述方法是由网络节点和边之间的关系的拓扑结构确定的。图G（V，E）有n个节点：V ={v₁，v₂，...v_n}和m条边E ={e₁，e₂，......e_m}。如果该节点与边连接，则A_ij= A_ji= 1，否则A_ij= A_ji=0。

2.3区域相关性矩阵

由于配电网络反馈线路数量非常大，结构复杂，网络的拓扑结构往往具有很高的维数，如果我们直接使用的邻接矩阵描述方法和相关矩阵描述方法，这将是难以计算的，所以我们需要简化的拓扑描述矩阵，然后提出区域拓扑描述矩阵的概念，使用区域拓扑描述矩阵分析，信息处理，将大大简化。根据节点故障的特点，我们使用一个新的节点代表整个区域的信息，只要区域内的一个节点故障就代表区域内的节点有故障。区域Z_i（v_i，v_j，...... v_m）是v_i子节点父节点。假设可以把分布网络分解成m个地区，我们可以建立一个区域的相关性矩阵Q(q_ij)_M_×M。矩阵的所有对角线元素等于零，如q_ij= 0。分析两个连接的区域Z_i（v_i，v_j，...... v_n）和Z_j（v_i，v_j，...... v_n），如果父节点Z_i的v_li和另一个父节点Z_j的v_mj相连接，则q_ij= 1，否则q_ij=0。

我们通过上面的介绍，区域拓扑矩阵实现区域划分，并通过分析，只要区域内的子节点有故障，它的父节点也一定有故障，如该子地区Z_i（v_i，v_j，...... v_n）区域内的节点有故障，我们会相信Z_i是故障地区，如果没有故障，我们认为该地区是正常的。确定故障信息矩阵G_D：

我们可以通过区域故障信息矩阵和地区的相关矩阵D_P故障来识别

故障D_P标准：（1）d_ii=1（2）如果d_ji = 1，d_jj = 0，那么我们可以看到，故障发生在Z_i地区或反馈线Z_i和Z_j之间。如果v₁ = v₂=......=v_n =0，故障出现在反馈线上。如果其中一个等于1，故障发生在Z_i地区。

2.4算法

中央变电站位于255米的地下其中有三个电源线来自地面，有防爆高压开关。我们安装了21个无线传感器，一旦发生故障，它们将得到和工业控制计算机相连接的基站发送的信息。图1中央变电站的数字。 “20”和“21”是两个触点开关。用IPC软件，我们可以通过上述方法找到哪条线路出现故障。

图1中央变电站

3．系统的设计

煤矿高压电源线故障定位系统组件如图2所示。该系统采用最新技术的无线传感器网络（WSN）的故障状态监测无线传感器网络节点用于获得整条线的信息，当线路短路，故障信息将被发送到该基站。基站编码信号，并把它发送到地面上的主站。主站的计算机上安装的判断软件可以判断故障的位置。

3.1无线传感器网络

无线传感器网络是适合部署在这样一个环境恶劣，高风险区的煤矿。图2所示工作原理图

图2系统示意图

无线传感器网络节点安装的电缆线，检测线的运行状况。一旦线路短路，无线传感器网络节点会迅速捕捉到故障信号，将信号发送到安装在节点附近的基站。

节点主要有两部分，检测部分和无线通信部分。节点使用MSP430 MCU F2132微控制器核心。 MSP430单片机的使用16位RISC处理器作为核心，可以执行的指令只有一个周期，与其他类型的微控制器相比，具有更强的处理能力和运行速度，某些类型MSP430单片机内部还设立了一个硬件乘法器， DMA等功能，可以完成由DSP完成的任务。

矿井无线故障指示器的设计如图3所示，传感器的主要部件是：MCU（微控制器），无线通信模块，电源模块。

图3矿井无线故障指示器

3.2高速数据采集设备

高速数据采集系统如图4所示。它采用插件的箱体结构，模块化设计，包括高速数据采集的硬件系统，数据存储和传输，数据分析和处理三部分组成。

图4高速数据采集系统

高速数据采集系统硬件：设备访问电流互感器（CT）。行波分量将通过滤波电路提取，由A / D转换成数字信号。 FPGA控制模块控制数据存储在缓存中，一旦满足启动条件，记录故障的触发点，并存储在缓冲区中的数据将被传递到故障记录数据转储模块。数据转储模块：保存到CF卡和SD卡，收集的数据采集部分的功率损耗，即使掉电数据也不会丢失。数据分析和处理： ETX嵌入式计算机模块自动分析文件，完成数据显示，打印，键盘控制等。

3.3地面监测站的主要

通过上述分析和计算，矿井6KV高压电源故障定位系统的实施，需要建立一个准确的分布网络和故障识别矩阵的数学模型，并混合了广泛的信息。由于系统的复杂性，软件的设计成为成功的关键，因此，我们设计了故障信息处理和精确定位的软件，系统结构如图5所示。

虽然配置的软件有一个功能强大的人机界面和通讯功能，在数值计算和分析，似乎是不够的。 MATLAB是一个优秀的数值计算，算法开发，系统仿真软件，可以很容易地计算和编程，但并不方便的人机界面设计，它不提供计算机硬件接口，端口无法操作。我们结合他们的优势。

当程序运行时，MCGS的出口DDE方式收集到的数据故障， Visual Basic处理无线传感器网络和高速数据采集设备获得的故障数据，然后传送到MATLAB函数做计算，最后Visual Basic从MATLAB软件得到结果，并在MCGS中显示。