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煤礦高壓電網故障點定位系統的研究

時間：2012-09-19 16:50:47來源：王乃旭

導語：?介紹了一種基于無線傳感器網絡的電網故障點的定位系統

摘要：煤礦高壓電網結構復雜，一旦發(fā)生故障，這將很難找出故障點。為了解決這個問題，我們提出了一種基于無線傳感器網絡的電網故障點的定位系統。實踐表明，這種定位系統，為煤礦安全生產提供了可靠的保證，并有很大的經濟效益和社會效益。該項目有廣泛的適用性在煤礦和良好的應用價值。

關鍵詞：圖論;無線傳感器網絡;高壓電網

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。隨著配電網的加強，該行已變得特別復雜，使用傳統方法，以確定故障點的具體位置是非常困難的，它會浪費多少時間，嚴重影響正常生產的煤礦。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的一個合適的方法。經過國內和國際分布故障定位技術的研究，結合煤礦6kV高壓握的實際情況，然后我們制定了煤礦高壓電網故障定位系統。

本文首先構建了該系統的數學模型，通過分析煤礦分布網絡的結構和故障定位算法研究制定一個基于圖論的智能定位算法。在地面上的高速數據采集系統為基礎的無線傳感器網絡（WSN）技術的使用可以很容易地得到故障信息。MCGS組態(tài)軟件，Matlab，數據庫和其他PC軟件相結合，該系統成功地實現故障的精確定位和煤礦分布網絡的實時顯示，報警等功能的操作。

2．定位算法

根據圖論方法的基本原理，分布網絡的饋線將作為邊，反饋交換機作為一個頂點，因此，我們可以用圖論的方法來建立分布網絡的數學模型和相應的算法。根據頂點和邊之間的關系，有許多方法來描述一個矩陣。在這里，我們剛剛推出鄰接矩陣和相關矩陣的描述方法。

2.1鄰接矩陣

圖G（V，E）的節(jié)點，如v₁，v₂，...，v_n，這N個節(jié)點的分布網絡，我們可以判斷行列的分銷網絡的鄰接矩陣A_n_×n至節(jié)點之間的連接關系。如果存在邊緣節(jié)點之間，A_ij= A_ji= 1，否則A_ij= A_ji= 0。

2.2相關矩陣

相關矩陣的描述方法是由網絡節(jié)點和邊之間的關系的拓撲結構確定的。圖G（V，E）有n個節(jié)點：V ={v₁，v₂，...v_n}和m條邊E ={e₁，e₂，......e_m}。如果該節(jié)點與邊連接，則A_ij= A_ji= 1，否則A_ij= A_ji=0。

2.3區(qū)域相關性矩陣

由于配電網絡反饋線路數量非常大，結構復雜，網絡的拓撲結構往往具有很高的維數，如果我們直接使用的鄰接矩陣描述方法和相關矩陣描述方法，這將是難以計算的，所以我們需要簡化的拓撲描述矩陣，然后提出區(qū)域拓撲描述矩陣的概念，使用區(qū)域拓撲描述矩陣分析，信息處理，將大大簡化。根據節(jié)點故障的特點，我們使用一個新的節(jié)點代表整個區(qū)域的信息，只要區(qū)域內的一個節(jié)點故障就代表區(qū)域內的節(jié)點有故障。區(qū)域Z_i（v_i，v_j，...... v_m）是v_i子節(jié)點父節(jié)點。假設可以把分布網絡分解成m個地區(qū)，我們可以建立一個區(qū)域的相關性矩陣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Z_i的v_li和另一個父節(jié)點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)域拓撲矩陣實現區(qū)域劃分，并通過分析，只要區(qū)域內的子節(jié)點有故障，它的父節(jié)點也一定有故障，如該子地區(qū)Z_i（v_i，v_j，...... v_n）區(qū)域內的節(jié)點有故障，我們會相信Z_i是故障地區(qū)，如果沒有故障，我們認為該地區(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)的相關矩陣D_P故障來識別

故障D_P標準：（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，故障出現在反饋線上。如果其中一個等于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電源線來自地面，有防爆高壓開關。我們安裝了21個無線傳感器，一旦發(fā)生故障，它們將得到和工業(yè)控制計算機相連接的基站發(fā)送的信息。圖1中央變電站的數字。 “20”和“21”是兩個觸點開關。用IPC軟件，我們可以通過上述方法找到哪條線路出現故障。

圖1中央變電站

3．系統的設計

煤礦高壓電源線故障定位系統組件如圖2所示。該系統采用最新技術的無線傳感器網絡（WSN）的故障狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網絡節(jié)點用于獲得整條線的信息，當線路短路，故障信息將被發(fā)送到該基站。基站編碼信號，并把它發(fā)送到地面上的主站。主站的計算機上安裝的判斷軟件可以判斷故障的位置。

3.1無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是適合部署在這樣一個環(huán)境惡劣，高風險區(qū)的煤礦。圖2所示工作原理圖

圖2系統示意圖

無線傳感器網絡節(jié)點安裝的電纜線，檢測線的運行狀況。一旦線路短路，無線傳感器網絡節(jié)點會迅速捕捉到故障信號，將信號發(fā)送到安裝在節(jié)點附近的基站。

節(jié)點主要有兩部分，檢測部分和無線通信部分。節(jié)點使用MSP430 MCU F2132微控制器核心。 MSP430單片機的使用16位RISC處理器作為核心，可以執(zhí)行的指令只有一個周期，與其他類型的微控制器相比，具有更強的處理能力和運行速度，某些類型MSP430單片機內部還設立了一個硬件乘法器， DMA等功能，可以完成由DSP完成的任務。

礦井無線故障指示器的設計如圖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高速數據采集設備

高速數據采集系統如圖4所示。它采用插件的箱體結構，模塊化設計，包括高速數據采集的硬件系統，數據存儲和傳輸，數據分析和處理三部分組成。

圖4高速數據采集系統

高速數據采集系統硬件：設備訪問電流互感器（CT）。行波分量將通過濾波電路提取，由A / D轉換成數字信號。 FPGA控制模塊控制數據存儲在緩存中，一旦滿足啟動條件，記錄故障的觸發(fā)點，并存儲在緩沖區(qū)中的數據將被傳遞到故障記錄數據轉儲模塊。數據轉儲模塊：保存到CF卡和SD卡，收集的數據采集部分的功率損耗，即使掉電數據也不會丟失。數據分析和處理： ETX嵌入式計算機模塊自動分析文件，完成數據顯示，打印，鍵盤控制等。

3.3地面監(jiān)測站的主要

通過上述分析和計算，礦井6KV高壓電源故障定位系統的實施，需要建立一個準確的分布網絡和故障識別矩陣的數學模型，并混合了廣泛的信息。由于系統的復雜性，軟件的設計成為成功的關鍵，因此，我們設計了故障信息處理和精確定位的軟件，系統結構如圖5所示。

雖然配置的軟件有一個功能強大的人機界面和通訊功能，在數值計算和分析，似乎是不夠的。 MATLAB是一個優(yōu)秀的數值計算，算法開發(fā)，系統仿真軟件，可以很容易地計算和編程，但并不方便的人機界面設計，它不提供計算機硬件接口，端口無法操作。我們結合他們的優(yōu)勢。

當程序運行時，MCGS的出口DDE方式收集到的數據故障， Visual Basic處理無線傳感器網絡和高速數據采集設備獲得的故障數據，然后傳送到MATLAB函數做計算，最后Visual Basic從MATLAB軟件得到結果，并在MCGS中顯示。