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        基于灰色關(guān)聯(lián)與模糊控制的35kV變電所電壓評(píng)估研究

        2019-09-07 10:55:44進(jìn)
        山東煤炭科技 2019年8期

        鄭 進(jìn)

        (山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 晉中 045300)

        1 引言

        目前漾泉藍(lán)焰井下供電系統(tǒng)基本具備了電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能,但該裝置僅通過采樣點(diǎn)來監(jiān)測(cè)當(dāng)前的電壓U、有功P、無功Q,不能通過這些參數(shù)值來描述、判斷之后U 的變化走向和對(duì)電能傳輸可能產(chǎn)生的作用。本文采取電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估的手段,根據(jù)該礦井下電網(wǎng)的特征,討論與井下供電U 有關(guān)的各個(gè)參數(shù),通過灰色理論及模糊全面判定的手段研究各個(gè)作用參數(shù)的權(quán)重,據(jù)此來判斷井下電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓的概率。

        2 井下供電系統(tǒng)低電壓的產(chǎn)生

        負(fù)載低電壓是指井下配電網(wǎng)絡(luò)中因?yàn)樨?fù)載提升、電路耗減過多導(dǎo)致輸電末端低電壓的情況。

        事故低電壓是指因井下配電系統(tǒng)出現(xiàn)事故而導(dǎo)致的低電壓情況。鑒于井下空間擁擠,輸電線路通常順著巷道布置,經(jīng)常出現(xiàn)被外力傷害的情況,線路絕緣被損壞而出現(xiàn)短路故障,因此導(dǎo)致電壓突然減小,嚴(yán)重影響井下的正常工作。

        本文針對(duì)井下配電系統(tǒng)的負(fù)載低電壓,討論井下輸電線路主要負(fù)載種類和它對(duì)電壓的作用大小,判斷井下電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓的概率。

        3 井下電網(wǎng)低電壓概率判斷

        3.1 井下電網(wǎng)電壓作用參數(shù)選取

        以漾泉藍(lán)焰礦井下輸電網(wǎng)絡(luò)為例,關(guān)鍵負(fù)載依次為離心泵占33.4%、Compressor 占30.2%、Elevator 占5.9%、Scraper 占13.1%、電機(jī)車占12.9%、其他占4.5%。一般通過馬達(dá)帶動(dòng)各種負(fù)載,由于大型電機(jī)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要一定的電壓沖擊,會(huì)導(dǎo)致輸電線路電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)。另外,過負(fù)荷或者生產(chǎn)設(shè)備增加也會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)架電壓的穩(wěn)定性。因此討論電壓作用狀況時(shí)應(yīng)該全面結(jié)合各種負(fù)載的作用條件,同時(shí)根據(jù)當(dāng)前線路的工作情況及煤礦環(huán)境狀況,對(duì)低電壓概率進(jìn)行全面判斷。

        本文在仿效輸電線路電壓研究的方法上,根據(jù)井下輸電線路的特征,選用8 個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)井下供電系統(tǒng)電壓進(jìn)行研究判斷,按照AHP 構(gòu)建多層判斷結(jié)構(gòu),詳見圖1。

        圖1 井下供電線路低電壓概率判斷示意圖

        3.2 各層優(yōu)先性參數(shù)運(yùn)算

        引入三層權(quán)重下的層次分析法(AHP),AHP方法需要確定相對(duì)權(quán)重向量,每層參數(shù)值向量為:w={w1,w2,w3},且要求滿足

        3.3 數(shù)據(jù)的隸屬度函數(shù)運(yùn)算

        各種指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)井下電壓的作用大小不同,所以,不同數(shù)據(jù)對(duì)電壓的作用大小很難通過一個(gè)明確的數(shù)字標(biāo)注,模糊理論能夠很好地表示這類難確定的相互關(guān)系。因?yàn)榫鹿ぷ骺臻g狹小,獲取各類指標(biāo)數(shù)據(jù)的難度較大,難以全面掌握需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。為彌補(bǔ)數(shù)據(jù)信息不足,通過灰色理論來注明參數(shù)的相互關(guān)系。

        根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)電壓作用的不同,本文把井下輸電線路低電壓的發(fā)生概率分成三級(jí):

        (1)電壓較為恒定,基本不會(huì)出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象;

        (2)具有很大概率會(huì)出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象,應(yīng)該監(jiān)測(cè)線路和電壓情況;

        (3)基本可確認(rèn)一定會(huì)出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象,應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路工作狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)變化時(shí)第一時(shí)間進(jìn)行處理。

        計(jì)算不同參數(shù)在不同電壓下的相關(guān)隸屬度函數(shù),然后列出灰色模糊矩陣。

        3.3.1 列出矩陣

        給定空間X={x},Y={y},如果x和y對(duì)的隸屬度μR(x,y)有點(diǎn)灰度vR(x,y),那么X+Y中的集合是X+Y中的灰色模糊關(guān)系,列矩陣如下:

        3.3.2 建立模糊隸屬度函數(shù)在求解電壓作用數(shù)據(jù)與低電壓概率矩陣時(shí),各類參數(shù)依照的隸屬度函數(shù)求解方法不同。對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理,再建立隸屬度函數(shù)。三角隸屬度函數(shù)計(jì)算方便,適于運(yùn)用在項(xiàng)目求解中,本文通過三角隸屬度函數(shù)求解不同參數(shù)(X11~X15,X22,X23)的隸屬度,詳見圖2(其中“小,中,大”指示出現(xiàn)低電壓的概率)。

        圖2 隸屬度函數(shù)曲線

        結(jié)合井下工作的現(xiàn)場(chǎng)狀況,工作一般是三班倒,一個(gè)班8h,每輪班次初始的1h 和末尾的1h,負(fù)載較低,電壓比較穩(wěn)定,每輪班次中間段期間,負(fù)載開始升高,從而導(dǎo)致電壓出現(xiàn)減小,所以生產(chǎn)時(shí)間與電壓隸屬度函數(shù)詳見圖3,根據(jù)班次將每天的生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行分段。

        圖3 生產(chǎn)時(shí)間隸屬度函數(shù)曲線

        按照線路設(shè)計(jì)及其工作的現(xiàn)場(chǎng)狀況注明該參數(shù)的極大與極小臨界值q與p,然后在(p,q)中選定兩個(gè)相同距離的點(diǎn)c1、c2,列出Xij對(duì)等級(jí)Vs的隸屬度是

        其中,X11是標(biāo)準(zhǔn)性數(shù)據(jù),電壓越小對(duì)電壓的作用越深,因此其隸屬度函數(shù)選取跟圖2 顛倒的方式,極值p,q依次是電壓極大值與輸電線路能夠承受的電壓極小值:

        3.3.3 給出灰度值

        在標(biāo)注模糊區(qū)域時(shí),各條件中獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)不全都是完整和無誤的。因?yàn)榇祟惒豢尚哦葘?duì)評(píng)估的作用,結(jié)合灰色部分,同時(shí)通過具體的描述來表達(dá)相應(yīng)的灰度區(qū)間,根據(jù)數(shù)據(jù)量劃分為很多、較多、普通、較少、很少5 組,依次與灰度值(0~0.2)、(0.2~0.4)、(0.4~0.6)、(0.6~0.8)、(0.8~1.0)對(duì)應(yīng),由井下操作人員參考現(xiàn)場(chǎng)狀況給定明確的灰度值。

        3.4 灰色模糊全面判斷

        灰色模糊矩陣包含模糊方面及灰色方面,判斷時(shí)要綜合不同方面的作用。所以,當(dāng)模糊方面求解時(shí)應(yīng)選擇(○,+)算子,而灰色方面求解時(shí)選擇(⊙,+)算子,根據(jù)層次分析法得到優(yōu)先權(quán)重值對(duì)灰色模糊進(jìn)行判斷:

        其中:

        wi—第i 層權(quán)重值;

        wk、vk—依次是不同參數(shù)的權(quán)重和相關(guān)點(diǎn)灰度;

        μkj、vkj—依次是不同參數(shù)的隸屬度和相關(guān)點(diǎn)灰度。

        3.5 計(jì)算的結(jié)果

        判斷結(jié)果的確定一般通過下列步驟:(1)把結(jié)果轉(zhuǎn)換為范圍數(shù)排序的方式,此辦法較為麻煩且工作量大;(2)按照極大隸屬度點(diǎn)灰度極小的規(guī)律,直接進(jìn)行結(jié)果的評(píng)估,該辦法在個(gè)別灰度較高的點(diǎn)上評(píng)估不準(zhǔn)確。本文使用內(nèi)積法與可信度二元判斷的方式:對(duì)矩陣,bi=(ui,vi)是它的第i 個(gè)指標(biāo),vi是此點(diǎn)的灰度值,那么其可信度di=1-vi,使bi'=(ui,di),對(duì)bi'求內(nèi)積,即:

        依照所得||bi'||的大小知道電壓下降概率判斷結(jié)果。

        4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        在漾泉藍(lán)焰煤礦(詳見圖4)中,依照35kV變電站的監(jiān)測(cè)信息,列出判斷矩陣,來研究供電線路低電壓概率。

        圖4 主接線圖和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備

        根據(jù)圖5 的電壓時(shí)間變化曲線,求解出判斷指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值為:

        P:(8228,12187)kW;Q:(7778,11178)kvar;電壓區(qū)間:(5.7,6.3)kV;有功變化率:(0,0.45)%;無功補(bǔ)償度:(0,1);運(yùn)行時(shí)間:(0,8)h;瓦斯:(0,0.5)%;進(jìn)水量:(0,35)m3/h。

        不同指標(biāo)數(shù)值是依照實(shí)際工作狀況確定的,如果它的工作方式與負(fù)載大小發(fā)生波動(dòng),能夠通過改變相應(yīng)的指標(biāo)區(qū)間,如電壓區(qū)間,此煤礦電網(wǎng)電壓是6kV,固其主變壓器前端主線電壓通常是6.3kV,依照現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn),若輸電末端電壓小于5.7kV,個(gè)別大型電機(jī)將難以起動(dòng),固把電壓值設(shè)為5.7~6.3kV。同理確定其他指標(biāo)數(shù)值。

        圖5 電壓時(shí)間變化曲線

        依照(2)~(4)計(jì)算式及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值,得知輸電線路各工作數(shù)據(jù)相應(yīng)的隸屬度函數(shù),列出矩陣的模糊方面;依照各數(shù)據(jù)的充分程度,得知其灰度值,列出灰色方面,組合成隸屬度判斷矩陣。如表1 所示。

        表1 隸屬度判斷矩陣表

        各向量表達(dá)式為:

        w=[(0.5,0),(0.5,0)]

        w1=[(0.3790,0.2),(0.1049,0.2),(0.2785,0.2),(0.0644,0.2),(0.1713,0.2)]

        w2=[(0.1638,0.3),(0.2972,0.3),(0.5390,0.3)]

        其中各括號(hào)的首位數(shù)值是該參數(shù)對(duì)上層的權(quán)重,第2 位數(shù)值是其灰度值。按照式(5)、(6),展開模糊全面判斷,最終算出Bi=[(0.0761,0.0031),(0.3571,0.0025),(0.2740,0.0043)]根據(jù)隸屬度與點(diǎn)灰度值,得出判斷結(jié)果是‖b1'‖=1.0025,‖b2' ‖=1.0718,‖b3' ‖=1.0327

        由最終數(shù)值能夠知道低電壓概率有二級(jí),也許會(huì)跟隨負(fù)載的升高而變化,電壓也許會(huì)超出輸電線路最小的電壓承載值,工作人員應(yīng)該監(jiān)測(cè)電壓及線路波動(dòng)狀態(tài),同時(shí)提前進(jìn)行低電壓準(zhǔn)備工作。上文中如果按照極大隸屬度與極小灰度值評(píng)估方式,電壓的走向也會(huì)出現(xiàn)輕微減少,評(píng)估結(jié)論一樣。不過灰度大的點(diǎn)時(shí),本辦法的精確度更好,如b3 點(diǎn),既有很大的隸屬度值又有很大的灰度值,如果通過極大隸屬度與極小灰度值評(píng)估手段,無法與b1 相互比較可能性,本辦法能夠很好地比較兩點(diǎn),并獲得精確的評(píng)估結(jié)論。

        5 結(jié)語

        本文通過井下輸電線路監(jiān)控設(shè)備獲取實(shí)時(shí)參數(shù),研究導(dǎo)致電壓變化的各項(xiàng)指標(biāo),通過灰色模糊全面判斷技術(shù)探討電壓未來變化走向,在線路當(dāng)前工作狀況下,對(duì)線路電壓今后的狀態(tài)進(jìn)行研究及預(yù)警,在線路尚未發(fā)生故障時(shí)提前配置線路結(jié)構(gòu)和相關(guān)負(fù)載。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用說明,此辦法能夠增強(qiáng)井下供電線路的監(jiān)控能力,保障了井下供電線路的安全和穩(wěn)定。

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