摘要：煤礦高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，這將很難找出故障點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，我們提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)故障點(diǎn)的定位系統(tǒng)。實(shí)踐表明，這種定位系統(tǒng)，為煤礦安全生產(chǎn)提供了可靠的保證，并有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該項(xiàng)目有廣泛的適用性在煤礦和良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：圖論;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);高壓電網(wǎng)

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)過國內(nèi)和國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，...，v_n，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A_n×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，A_ij= A_ji= 1，否則A_ij= A_ji= 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，...v_n}和m條邊E ={e₁，e₂，......e_m}。如果該節(jié)點(diǎn)與邊連接，則A_ij= A_ji= 1，否則A_ij= A_ji=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，所以我們需要簡化的拓?fù)涿枋鼍仃?，然后提出區(qū)域拓?fù)涿枋鼍仃嚨母拍?，使用區(qū)域拓?fù)涿枋鼍仃嚪治?，信息處理，將大大簡化。根?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Z_i（v_i，v_j，...... v_m）是v_i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(q_ij)_M×M。矩陣的所有對角線元素等于零，如q_ij= 0。分析兩個(gè)連接的區(qū)域Z_i（v_i，v_j，...... v_n）和Z_j（v_i，v_j，...... v_n），如果父節(jié)點(diǎn)Z_i的v_li和另一個(gè)父節(jié)點(diǎn)Z_j的v_mj相連接，則q_ij= 1，否則q_ij=0。

我們通過上面的介紹，區(qū)域拓?fù)渚仃噷?shí)現(xiàn)區(qū)域劃分，并通過分析，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)Z_i（v_i，v_j，...... v_n）區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有故障，我們會(huì)相信Z_i是故障地區(qū)，如果沒有故障，我們認(rèn)為該地區(qū)是正常的。確定故障信息矩陣G_D：

我們可以通過區(qū)域故障信息矩陣和地區(qū)的相關(guān)矩陣D_P故障來識別

故障D_P標(biāo)準(zhǔn)：（1）d_ii=1（2）如果d_ji = 1，d_jj = 0，那么我們可以看到，故障發(fā)生在Z_i地區(qū)或反饋線Z_i和Z_j之間。如果v₁ = v₂ =......=v_n =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Z_i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)電源線來自地面，有防爆高壓開關(guān)。我們安裝了21個(gè)無線傳感器，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)開關(guān)。用IPC軟件，我們可以通過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)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的故障狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網(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?；揪幋a信號，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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝的電纜線，檢測線的運(yùn)行狀況。一旦線路短路，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)迅速捕捉到故障信號，將信號發(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，檢測部分和無線通信部分。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），無線通信模塊，電源模塊。

                                                                              圖3礦井無線故障指示器

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)備訪問電流互感器（CT）。行波分量將通過濾波電路提取，由A / D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 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)測站的主要

通過上述分析和計(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，我們設(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，端口無法操作。我們結(jié)合他們的優(yōu)勢。

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)過程中的安全性，它具有大的安全意識。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。

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