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1、 多源融合的矿用电缆态势感知技术研究 冯 琛 周 贺 陈 鹏（1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.山东大学，山东 济南 250100；3.济宁矿业集团有限公司物资供应分公司，山东 济宁 272000；4.中国矿业大学（北京），北京 100083）在“中国制造2025”战略的背景下，我国的“智慧矿山”建设是现代化煤矿的转变和发展必经之路1。煤矿电网是保证煤矿井下生产、安全和效益的大动脉，需要随着“智慧矿山”的建设进行整体水平的提升或重塑2。煤矿电网是连接在大电网上的特殊的、独立的、庞大的终端用电系统，其对供电的安全性和可靠性要求更高。煤矿矿用电缆作为煤矿电网重要的组成部分，作为煤矿供
2、电系统核心元件，其运行安全状态直接影响着煤矿电网的稳定运行，甚至关乎煤矿的生产安全3。煤矿矿用电缆的运行安全状态主要受其运行环境和运行工作状态的影响，煤矿井下空气湿度大，不同区域温度差异较大，矿用电缆绝缘极易出现老化，导致绝缘下降，且煤矿井下的空间狭窄，矿用电缆容易受到砸、碰及拖拽等突发状况而使电缆绝缘被破坏，发生接地或漏电故障。煤矿电网通常采用中性点经消弧线圈的接地方式，采用这种接地方式时原则上能够允许供电系统带故障运行23 h。但是，煤矿井下环境不同于地上，井下封闭环境充斥着大量的瓦斯和煤尘，在矿用电缆因绝缘故障发生放电或者单相接地时，产生的电火花极易导致环境达到“起火”“起爆”条件，引起
3、煤矿机电事故、电缆“放炮”、井下火灾、爆炸等严重的煤矿安全事故。根据2022 年初国家和多个省份发布的煤矿事故分析报告统计情况，2021 年全国发生的煤矿事故91 起，死亡178 起，其中机电、瓦斯、电缆放炮事故共占总事故数的19%，因机电、瓦斯、电缆放炮事故所致死亡人数占总死亡人数的27%。煤矿电缆故障是导致电缆放炮事故的直接原因，是导致部分机电事故重要因素，也是引起瓦斯事故的主要外因火源。在电缆故障时的监测与诊断方面，国内外研究已经提出了多种传统方法，如有交流注入法、直流注入法、直流分量法、零序电流法和介质损耗法等。但是这些方法在煤矿井下应用时均存在一定缺陷。为此，众多学者近几年还提出了其
4、他的矿用电缆监测与诊断方法。如，西安交通大学的宋国兵教授等人利用行波诊断电缆故障发生和位置4；中国矿业大学的卢丹博士等人利用模式识别法求取绝缘电阻值，判断煤矿电缆故障5；此外，辽宁电力科学研究院的刘佳鑫博士等人提出通过光纤测温诊断电缆状态等6。在运行态势评价、预测与异常预警等方面，邵阳学院罗庆跃教授等人提出一种多指标综合静态电压稳定薄弱母线辨识方法7；中国电科院的费雯丽博士提出基于运行数据分析的电缆老化状态评估方法等8。但是，总结目前的研究还存在以下问题和难点。1）电缆状态监测不全面，影响电缆运行安全态势的因素众多。受煤矿井下环境恶劣、通信不畅、传感器技术有限等原因的限制，多是以局部的电缆绝缘
5、监测和诊断为主，监测数据类型单一，多是以监测电缆线路的零序电流和零序电压来判断电缆故障。煤矿电缆运行时的环境因素（环境温度、湿度、粉尘、瓦斯含量）和电气量因素（电流、电压、谐波、频率等）可能都会影响电缆的运行安全。由于煤矿井下监测节点过少且监测数据类型、数据量较小，不能全局把握整个煤矿电网中电缆的故障和状态。2）电缆故障诊断不准确。诊断新方法多是照搬普通电网电缆状态诊断的算法，提出的相关算法以传统专家系统算法或可靠性理论为主，但缺少专门针对煤矿这一特殊、极端环境下的电缆状态诊断方法。这些算法多是将状态的变量残差与设置阈值相比较来判别电缆故障9。受环境和井下负载干扰的影响，监测到的故障信号噪声较
6、大，导致计算诊断结果误差较大。特别是以局部放电信号监测为主的早期故障诊断，故障信号往往被噪声所覆盖，导致诊断算法判断不准确。3）电缆故障预警不及时。因为煤矿电网接地方式的原因，导致电缆发生故障时的故障电流较小，特征不明显。鉴于上述煤矿电缆监测的不足，在矿用电缆的全生命周期过程中，如图1 所示，研究煤矿电缆故障前的运行态势评价以及相应的故障、异常态势的早期预警更有前景，因为若能在煤矿电缆故障发生前就掌握了电缆运行状态和其发展趋势，通过对异常态势的诊断与早期预警，达到防患于未然。图1 矿用电缆全生命周期矿用电缆故障长期对煤矿电网经济、安全、可靠运行构成威胁，因此，对煤矿矿用电缆运行状态诊断与故障监
7、测至关重要。将人工智能、5G、大数据等技术与煤矿电缆运行安全状态评估深度融合，形成对整个矿区电缆运行安全态势的智能感知预测、分析和决策的技术，实时掌握电缆运行安全状态和发展趋势，智能地早期诊断和预警电缆异常状态，能以较小的投入突破现阶段技术瓶颈，解决实际需求问题，有效降低因煤矿电缆故障造成的人身及财产损失。1 多源信息感知框架针对存在的问题，提出了多源信息融合的矿用电缆运行态势感知框架。矿用电缆运行态势感知包括三个部分，分别是态势感知与提取、态势评估和态势预测。态势感知框架是整个态势感知的基础。结合煤矿实际特点和IEC 61850 标准，建立多源数据感知框架如图2 所示。该体系结构分为三层，即
8、主控制层、传输层和感知层。感知层所有GPS 模块的授时信号通过通信网络传输到地面，并在主控制层与卫星通信进行授时校准。感知层的信号采集电缆运行多源信息信号，对采集到的信号进行预处理，然后将处理后的数据通过传输层传输到云控制中心，并在主控制层的云控制中心对数据进行分析计算，判断矿井电缆的运行状态。框架内各元件特点如下：图2 多源数据感知框架1）多源传感器采集。建立多源传感网络拓展电缆状态信息可感知边界，实现多源传感数据采集的统一规范化。2）分区段核心节点采集。依照电缆的节点及巷道情况，分区段采集各项参数。3）已有监测系统的监测数据接入。借助井下现有监测系统的监测数据，如电能质量监测数据、零序数据
9、、部分温度数据等，统一数据接入方式，可以减小采集成本。4）分区段设置边缘计算工作站。根据采集节点位置，就近分区段设置小型工控机工作站，用于对采集数据的预处理和轻量级的信号分析、特征提取判别，对较为明显的故障就地实时在线诊断，在第一时间执行相应的动作。同时，与中央服务器通信，实现智能协同控制。5）海量数据传输与存储。将预处理后的海量数据，通过5G 网络或者井下高速环网传输至中央分析层服务器的存储数据库中，为大数据分析和人工智能算法的应用提供支撑。2 矿用电缆双端同步感知矿用电缆长度较大，仅在一点监测无法全面掌握整个电缆的运行状态，需要进行多点位同步监测。但是，监测节点过多势必会导致监测成本过高，
10、电缆的电路参数具有分布特性。电缆的电路参数有电路电阻、对地绝缘电阻、线路电感和分布电容四种。不同长度的电缆，其分布参数值不同。在煤矿电网中运行的电缆的任意一点处的电压、电流值都与其他部位的电压、电流值不同。如图3 所示，为电缆某一相为例的分布参数模型。图3 矿井电缆单相分布参数模型假设电缆电源侧为电缆首端，负载侧为电缆末端。U1、I1分别为电缆线路首端的电压和电流，U2、I2分别为电缆线路末端的电压和电流，U、I分别为距离电缆线路末端x处的电压和电流。通过模型可以得到dx段电缆的电压、电流约束方程，同时考虑电能在电缆中传播的损耗，可以推出电缆的每单位长度阻抗与导纳关系为：因此，对于长度为l的电
11、缆，导纳值与电缆首末两端的电压电流之间的关系为：在实际应用分析计算时，采用分布模型计算较为复杂。为了简化计算量，一般采用型参数模型和T 型参数模型来计算。如图4（a）、（b）分别为型参数和T 型参数等值电路。图4 型参数和T 型参数等值电路根据 型电路的简化原则，电缆参数与两端电压电流之间的关系为：根据T 型电路的简化原则，电缆参数与两端电压电流之间的关系为：通过公式（3）（5）可以看出，不论采用何种参数计算模型，只需要同时测量电缆首末端的电压和电流的量，便可计算出电缆的绝缘参数。基于本文提出的多源信息感知框架，提出了广域同步多源信息监测方法。为在煤矿井下实现广域同步测量技术，测量每条电缆的电
12、压、电流参数，计算其绝缘阻抗等参数。监测方法如图5。图5 单条电缆双端同步感知图5 为以单条电缆线路为例的监测感知方法。在每条线路电缆的首末两端同步测量电流和电压值进行计算，从而求出电缆的参数，以此判断电缆的绝缘状态。这种监测感知方式是对每一相独立地进行计算分析，三相之间不受影响，且不受接地方式的影响。3 结论本文将专家经验与大数据分析相结合对矿用电缆运行安全态势感知展开研究，提出了多源信息融合矿用电缆运行态势感知框架，并在此基础上，提出了矿用电缆双端同步感知方法。研究可以为最终实现对煤矿电网中矿用电缆运行安全态势的感知、评价与预测提供监测理论基础，以期可以对矿用电缆运行态势的全方位感知，为矿用电缆运行异常早期识别预警，防患电缆故障提供理论框架支撑。 -全文完-
