基于粗糙集理論的煤礦供電系統(tǒng)故障診斷方法

喬志剛

(西山煤電集團(tuán)公司，山西 太原 030053)

煤礦供電系統(tǒng)一般由三級(jí)變電站組成，即地面變電站、井下中央變電站和采區(qū)變電站。礦井地面變電站是礦山供電系統(tǒng)的樞紐，擔(dān)負(fù)著向井上、井下變配電的任務(wù)，將110 kV電壓變?yōu)?～35 kV電壓，向額定電壓為6～35 kV及以下的用電設(shè)備供電。安全可靠的地面供電是煤礦安全生產(chǎn)和職工正常生活的基本保障，是井下供電的源頭。杜兒坪110 kV變電站是西山煤電集團(tuán)前山礦區(qū)重要的變電所，擔(dān)負(fù)白家莊礦、杜兒坪礦、西銘礦、官地礦等煤礦供電，有35 kV、6 kV兩個(gè)電壓等級(jí)。35 kV及以下電壓等級(jí)采用的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，對(duì)于供電事故應(yīng)急處置不理想，特別是對(duì)于選線功能還很不完善。應(yīng)用粗糙集理論，將供電系統(tǒng)運(yùn)行中采集到的電流電壓信號(hào)作為對(duì)故障分類的條件屬性，將可能發(fā)生故障的元件或區(qū)域作為故障診斷的決策屬性，在考慮各種可能發(fā)生的故障情況后建立決策表，然后利用粗糙集理論對(duì)基于原始數(shù)據(jù)信息所建立的原始決策表進(jìn)行合理約簡(jiǎn)，逐步刪除多余屬性后抽取出診斷規(guī)則，進(jìn)而得到多個(gè)與原信息等價(jià)的約簡(jiǎn)。最后對(duì)約簡(jiǎn)進(jìn)一步化簡(jiǎn)，找到最小約簡(jiǎn)并抽取決策規(guī)則，從而對(duì)故障信息做出準(zhǔn)確判斷。

1 粗糙集理論

在粗糙集理論中，知識(shí)被看作是關(guān)于論域的劃分，是一種對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類的能力。設(shè)U≠Φ是人們感興趣的對(duì)象組成的有限集合，稱為論域。任何子集X?U，稱為U中的一個(gè)概念或范疇，并認(rèn)為空集Φ也是一個(gè)概念。U中的任何概念族稱為關(guān)于U的抽象知識(shí)，簡(jiǎn)稱知識(shí)。U上的一族劃分稱為關(guān)于U的一個(gè)知識(shí)庫。給定一個(gè)有限的非空集合論域U，定義R代表論域U中的一種等價(jià)關(guān)系，稱為U上的分類族，即知識(shí)庫K=(U,R)為一個(gè)近似空間。對(duì)于子集X、Y?U，若根據(jù)關(guān)系R、X和Y的屬性不可分辨時(shí)，用[X]R來表示，它代表子集X和Y同屬R中的一個(gè)范疇。若P?R，且P≠Φ，則P中全部等價(jià)關(guān)系的交集也是一種等價(jià)關(guān)系，稱為P上的不可分辨關(guān)系，記為：

IND(P)∶[X]IND(P)=∩[X]R,P?R

(1)

不可分辨關(guān)系是粗糙集理論的基石，也是定義其他概念的基礎(chǔ)。

給定一個(gè)有限的非空集合U，R為U上的一族等價(jià)關(guān)系。R將U劃分為互不相交的基本等價(jià)類，記作U/R，二元組K=(U,R)構(gòu)成一個(gè)近似空間。

設(shè)X?U，Y∈U/R，則：

(2)

(3)

集合X關(guān)于R的邊界區(qū)BNR(X)定義為：

(4)

BNR(X)為集合X的上近似和下近似之差，它表示了根據(jù)知識(shí)R既不能判斷肯定屬于X，也不能判斷肯定不屬于X的對(duì)象所組成的集合。

在粗糙集理論中，應(yīng)用決策表來描述論域中的對(duì)象。決策表是一張二維表格，每一行描述一個(gè)對(duì)象，每一列描述對(duì)象的一種屬性。屬性分為條件屬性和決策屬性，論域中的對(duì)象根據(jù)條件屬性的不同，被劃分到具有不同決策屬性的決策類。例如表1所示，論域U中有5個(gè)對(duì)象，編號(hào)1～5，{a，b，c}是條件屬性集，d為決策屬性。

表1 決策表

決策表的約簡(jiǎn)步驟為：

1) 刪除相同的規(guī)則。

2) 刪除表中多余的條件屬性(列)。

3) 刪除每條分類規(guī)則中的多余屬性，只保留必要的屬性。

約簡(jiǎn)定義為不含多余屬性并保證分類正確的最小條件屬性集。一個(gè)決策表可能同時(shí)存在幾個(gè)約簡(jiǎn)，這些約簡(jiǎn)的交集定義為決策表的核，核中的屬性是影響分類的重要屬性。將表1化簡(jiǎn)后得到了兩個(gè)約簡(jiǎn)：即{a，b}和{a，c}，見表2和表3，它們維持了與原有條件屬性集{a，b，c}相同的分類能力。{a}是核，表明a是影響分類的重要屬性。

表2 約簡(jiǎn){a，b}表

表3 約簡(jiǎn){a，c}表

2 基于粗糙集理論的煤礦供電系統(tǒng)故障診斷流程

基于粗糙集理論的煤礦供電系統(tǒng)故障診斷的診斷流程見圖1。

圖1 故障診斷的粗糙集方法流程圖

在應(yīng)用粗糙集理論方法進(jìn)行供電系統(tǒng)故障診斷時(shí)，要準(zhǔn)確分析故障特征，對(duì)于有故障特征的屬性，可以設(shè)為數(shù)字“1”表示，對(duì)于沒有故障特征的屬性，可以設(shè)為數(shù)字“0”。然后就可以對(duì)決策表中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行約簡(jiǎn)。

3 故障診斷的實(shí)現(xiàn)方法

通常情況下，煤礦供電系統(tǒng)存在以下弊端：

1) 煤礦供電系統(tǒng)中沒有安裝方向性電流保護(hù)，缺乏對(duì)功率方向的測(cè)量，因而在供電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)電動(dòng)機(jī)若對(duì)母線發(fā)送點(diǎn)，極易造成繼電保護(hù)和斷路器誤動(dòng)作，這就給變電站運(yùn)行人員判斷故障元件和故障類型帶來困難。

2) 煤礦供電系統(tǒng)中現(xiàn)有的繼電保護(hù)裝置采樣率較低，采集到的電氣暫態(tài)量數(shù)據(jù)不足，而要準(zhǔn)確判斷故障類型，則需要用到足夠的電氣暫態(tài)量數(shù)據(jù)。

3) 針對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的單相接地故障，如果變電站中一次設(shè)備的間隔數(shù)量較多，當(dāng)采用傳統(tǒng)的故障選線方法時(shí)，需要耗費(fèi)大量的二次電纜，以便測(cè)量到的電流電壓數(shù)字量上傳至監(jiān)控后臺(tái)，大量的電纜敷設(shè)起來較困難，并且數(shù)據(jù)在傳遞過程中容易受到電磁干擾，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

因此，基于目前煤礦供電系統(tǒng)在故障診斷領(lǐng)域存在的不足，本文設(shè)計(jì)了煤礦供電系統(tǒng)故障診斷智能系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖2，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際。

例：在杜兒坪110 kV變電站的一次設(shè)備安裝了一整套數(shù)字測(cè)量單元，用光纖以太網(wǎng)將實(shí)時(shí)獲取的暫態(tài)信息準(zhǔn)確無誤地上傳給監(jiān)控后臺(tái)，以增加用于故障診斷數(shù)據(jù)信息的冗余性。然后再利用粗糙集理論對(duì)煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。該系統(tǒng)可在傳統(tǒng)變電站的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障診斷。

圖2 故障診斷智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

在該故障診斷智能系統(tǒng)中，測(cè)量單元從一次設(shè)備(饋線、變壓器、母線等)中獲得電流、電壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過測(cè)量單元內(nèi)部的A/D模塊進(jìn)行采樣，并將電流、電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)，這些數(shù)字量信號(hào)再利用光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)街悄芟到y(tǒng)服務(wù)器，在智能系統(tǒng)服務(wù)器中，利用粗糙集理論將測(cè)量單元獲得的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行推理分析，通過粗糙集的屬性和約簡(jiǎn)規(guī)則，提取出有用的信息，從而對(duì)供電系統(tǒng)發(fā)生的故障進(jìn)行推理判斷。故障診斷服務(wù)器與綜自后臺(tái)之間通過雙絞線以太網(wǎng)進(jìn)行通信，兼容IEC61850協(xié)議建立故障診斷智能系統(tǒng)的監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器。故障診斷服務(wù)器與監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器之間通過局域網(wǎng)上傳錄波數(shù)據(jù)，在監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)查詢錄波、查詢記錄和高級(jí)管理的功能。按照智能變電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將故障診斷服務(wù)器與監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器分開，使間隔層和站控層分別管理，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。該智能系統(tǒng)的監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)管理模塊、故障分析模塊、故障診斷模塊等。

4 在短路故障診斷中的具體應(yīng)用

杜兒坪110 kV變電站接線圖見圖3，該變電站有110 kV、35 kV、6 kV等3個(gè)電壓等級(jí)，MU1、MU2、MU3分別為安裝在這3個(gè)電壓等級(jí)母線上的測(cè)量單元，其測(cè)量?jī)?nèi)容為各母線的電壓值；MUT為安裝在主變壓器上的測(cè)量單元，其測(cè)量?jī)?nèi)容為變壓器分接頭各電壓等級(jí)側(cè)的電流值；MU21、MU22和MU31、MU32、MU33分別為安裝在35 kV和6 kV線路上的測(cè)量單元，其測(cè)量?jī)?nèi)容為各線路上流過的電流值。

圖3 110 kV變電站接線圖

如圖3所示，以35 kV區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)中母線、主變壓器和線路的測(cè)量信息，可以建立以{MU1，MU2，MU3，MUT，MU21，MU22，MU22，MU31，MU32，MU33}為條件屬性集合的決策表。從該條件屬性集合中提取出有用故障信息，進(jìn)行約簡(jiǎn)后的決策表見表4，表4中U是論域，{MU2，MU3，MU21，MU22，MU22，MU31，MU32，MU33}為條件屬性集合，{Fault}為決策屬性。其中，“1”表示測(cè)量單元獲取的電流電壓值越限，同時(shí)被測(cè)量元件上流過的功率方向?yàn)閺脑飨蚰妇€，“0”表示測(cè)量單元獲取的電流電壓值處在正常的運(yùn)行狀態(tài)下?！癗o”表示無故障?！?”表示該屬性的取值對(duì)分類沒有影響。

首先，根據(jù)屬性集合建立決策表，然后根據(jù)約簡(jiǎn)規(guī)則得到約簡(jiǎn)后的決策表，判斷出供電系統(tǒng)中發(fā)生故障的元件。最后，根據(jù)母線或線路上每一相的電流電壓值信息判斷出故障類型。

表4 變電站故障元件決策表

粗糙集理論利用數(shù)據(jù)信息的冗余性構(gòu)筑出不同的約簡(jiǎn)，通過避開丟失的或傳輸出錯(cuò)的信號(hào)而達(dá)到正確診斷的目的。表4中得到的6條故障分類規(guī)則如下：

Rule1：if MU21=1 Then Fault=L21；

Rule2：if MU22=1 Then Fault=L22；

Rule3：if MU31=1 Then Fault=L31；

Rule4：if MU32=1 Then Fault=L32；

Rule5：if MU33=1 Then Fault=L33；

Rule6：if (MU21 and MU22 and MU31 and MU32 and MU33)=0 Then Fault=No。

這些邏輯規(guī)則判斷均可以利用軟件編寫出簡(jiǎn)單的算法來加以實(shí)現(xiàn)。

在判斷出某條線路故障后，接下來要準(zhǔn)確判斷出發(fā)生的故障類型，這時(shí)就需要利用測(cè)量單元中獲取到的線路上各相的電流值信息完成進(jìn)一步的診斷分析。變電站35 kV線路上各相安裝的電流繼電器示意圖見圖4，將線路每一相的電流值信息作為決策表的條件屬性，并將原始決策表進(jìn)行約簡(jiǎn)后，可以得到的決策表見表5。

圖4 變電站35 kV線路圖

表5變電站35 kV線路故障決策表

UMU21aMU21bMU21cMU22aMU22bMU22cFault0110000L21ab1011000L21bc2101000L21ca3111000L21abc4000110L22ab5000011L22bc6000101L22ca7000111L22abc8000000No

表5中得到的故障分類規(guī)則如下：

Rule1：if (MU21a and MU21b)=1 Then Fault=L21ab(L21線路發(fā)生AB兩相短路)；

Rule2：if (MU21b and MU21c)=1 Then Fault=L21bc(L21線路發(fā)生BC兩相短路)；

Rule3：if (MU21c and MU21a)=1 Then Fault=L21ca(L21線路發(fā)生AC兩相短路)；

Rule3：if (MU21a and MU21a and MU21c)=1 Then Fault=L21abc(L21線路發(fā)生ABC三相短路)；

Rule4：if (MU22a and MU22b)=1 Then Fault=L22ab(L22線路發(fā)生AB兩相短路)；

Rule5：if (MU22b and MU22c)=1 Then Fault=L22bc(L22線路發(fā)生BC兩相短路)；

Rule6：if (MU22c and MU22a)=1 Then Fault=L22ca(L22線路發(fā)生AC兩相短路)；

Rule3：if (MU22a and MU22b and MU22c)=1 Then Fault=L22abc(L22線路發(fā)生ABC三相短路)；

Rule7：if (MU21a and MU21b and MU21c and MU22a and MU22b and MU22c)=0 Then Fault=No(供電系統(tǒng)運(yùn)行正常，沒有發(fā)生短路故障)。

需要指出的是，運(yùn)用粗糙集理論的診斷方法不僅能夠準(zhǔn)確地判斷出煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生的短路故障，對(duì)于單相接地等其他故障亦有較好的診斷功能。、

5 結(jié) 論

由于煤礦供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求嚴(yán)格，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中一旦發(fā)生故障，直接威脅煤礦的安全生產(chǎn)，因此，對(duì)于煤礦供電系統(tǒng)的故障診斷顯得尤為重要。基于粗糙集的煤礦供電系統(tǒng)故障診斷方法在煤礦供電系統(tǒng)的故障診斷中體現(xiàn)出了較高的優(yōu)越性，即粗糙集理論具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，它可以利用信息集合的冗余性，通過避開傳輸出錯(cuò)或者已經(jīng)丟失的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正確的診斷。故障診斷智能系統(tǒng)在煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過半年多的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該智能系統(tǒng)運(yùn)行正常，累計(jì)發(fā)生過1次短路故障，2次單相接地故障，該智能系統(tǒng)均能夠準(zhǔn)確判斷。因此，該智能系統(tǒng)能夠?yàn)殡娏φ{(diào)度運(yùn)行人員的日常工作提供較大的幫助，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，服務(wù)器主站將自動(dòng)彈出報(bào)警窗口，可以直觀地反映出故障發(fā)生的時(shí)間、故障類型以及故障診斷意見，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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