CN104502799B - 基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法 - Google Patents

基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，包括如下步骤：基于量子纠缠特性和矿井高压电网特点，生成高压开关综保装置故障状态矢量P；然后依据单向图的连通性，由关联矩阵A和B及开关闭合状态S计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E；最后，依据矩阵E和状态矢量P完成矿井高压电网短路故障位置的自动识别。本发明将基于量子纠缠特性传输故障信息，使监控系统能够在较短的时间内判断各个高压开关综保装置是否出现了过流故障；然后监控系统依据当前各综保装置的过流故障信息和基于关联矩阵获取的网络拓扑结构实现短路故障点的自动识别，以便监控系统能够及时快速地排除短路故障。

Description

基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法
技术领域
本发明公开了基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，属于煤矿高压供电网络故障定位领域。
背景技术
当矿井高压供电网络中的高压线路发生短路故障时，因为井下供电线路距离短，会造成因短路故障引起的越级跳闸，导致矿井高压电网停电面积扩大的问题；因此，对于地面监控系统来说，在井下线路发生短路故障时，如果能够对短路故障的位置进行快速定位，就能及时切断短路故障点，避免发生大面积停电。
文献“基于数字化变电站技术的煤矿井下防越级跳闸方案研究”中提出了数字化变电站方案，把所有的高压开关综保装置通过光纤、以太网交换机连接到数字化变电站的主机、GPS校时等装置上；当高压开关综保装置控制的线路发生故障时，将故障信息以GOOSE报文的形式传输到变电站主机上，由主机根据高压开关综保装置的级联关系判断出区内或者区外故障；当判断出区内故障时，让离故障点最近的高压开关跳闸；该方案对通讯系统要求较高，如果通讯系统网络故障将导致停电范围扩大甚至造成整个系统的瘫痪；同时，将故障信息传送到变电所主机也需要一定的时间，延时较大，造成故障信息在光纤网络中传输时存在时延不稳定的问题。
本发明提出的基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，通过引入量子通信技术来有效解决故障信息传输时延问题；已有的量子隐形传态方案不能直接用于实现短路故障信息的传送，因其需要使用经典信道，将导致故障信息传输延时过大，使地面电力监控系统不能及时获取短路故障所在的位置，无法对短路故障进行快速及时的处理；本发明将在电力监控系统和每个高压开关综保装置上分别建立相应的量子模块，基于量子纠缠特性传输故障信息，使监控系统能够在较短的时间内判断各个高压开关综保装置是否出现了过流故障；然后监控系统基于关联矩阵获取矿井高压供电网络的网络拓扑结构，依据当前各综保装置的过流故障信息和网络拓扑结构实现短路故障点的自动定位，最终确定当前的短路故障是由哪个高压开关综保装置控制的线路产生的，以便监控系统能够及时快速地排除短路故障。
发明内容
基于量子纠缠特性和矿井高压电网特点，使地面电力监控系统能够快速地获取当前矿井高压电网中发生过流故障的所有高压开关综保装置集合，具体步骤如下：
（1）煤矿电力监控系统可使用光纤线路对高压开关的分合闸状态、保护定值进行设置，也会以周期轮询的方式获取高压开关综保装置状态；将光纤在获取状态和下发配置的过程中称之为忙时；当其没有数据传送时，称其为闲时；利用光纤的空闲时间，在电力监控系统和每个高压开关综保装置之间分发相应的纠缠量子对；如果在煤矿井下高压电网中存在n个高压开关综保装置，在光纤通道空闲的时间，EPR分配中心一次制备个纠缠量子对，EPR分配中心将其中任意的q个纠缠量子对称之为基本分配序列；EPR分配中心针对制备所得的第i（）个基本分配序列，将其中的q个粒子分配给电力监控系统，而将与其处于纠缠状态的另外q个粒子分配给第i个综保装置，具体分配过程如附图1所示；
（2）在电力监控系统和第i个综保装置得到的第i个（）基本分配序列中包含q个纠缠量子对，假定其中的第k（）个纠缠量子对的纠缠态为；初始时刻，综保装置每间隔周期T的时间就会判断一次当前是否发生了过流故障；假定在第k个测量周期，综保装置检测到发生了过流故障，综保装置将制备一个粒子，且；然后该综保装置采用Bell基和对新制备的粒子和综保装置预先保存的第k个纠缠粒子在时刻进行联合测量，测量结果为：
；
（3）电力监控系统在时刻，针对电力监控系统保存的与该综保装置对应的第k个纠缠粒子进行测量，以确保电力监控系统在测量之前，相应的综保装置已经完成了联合测量；电力监控系统的测量结果如下：如果该粒子量子态为四种情况之一，则电力监控系统就可以确定该综保装置发生了过流故障；如果测量得到的第k个粒子的量子态为或，则说明在该段时间间隔内综保装置没有进行联合测量，由此可以确定在该段时间间隔内没有过流故障。
监控系统依据当前测量周期所获得的高压开关综保装置发生过流故障的情况，生成高压开关综保装置故障状态矢量P，P包含n个元素，元素的序号对应高压开关支路节点的顺序号，高压开关连接的支路作为支路节点；在P中，相应的高压开关支路节点检测到过流故障，对应元素值为1；反之，则为0；则在附图2所示的矿井高压电网中，假定高压开关（2）、（8）和（13）对应的高压开关综保装置都检测到了过流故障，则高压开关综保装置故障状态矢量。
监控系统针对矿井高压电网，以变电所母线为母线节点、以高压开关连接的支路作为支路节点，如果母线节点有m个，支路节点有n个，则依据矿井高压电网图中电气设备之间的连接关系生成母线节点和支路节点的关联矩阵A和B；关联矩阵A为m行n列，以母线节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号；关联矩阵B为n行m列，以支路节点顺序号为行号，以母线节点顺序号为列号；具体步骤如下：
（1）在生成关联矩阵A的过程中，如果母线节点(Z1)是由支路节点(1)供电的，则母线节点(Z1)和支路节点(1)在关联矩阵A中相应的位置为1，否则为0；
（2）在生成关联矩阵B的过程中，如果支路节点(1)是由母线节点(Z1)供电的，则支路节点(1)和母线节点(Z1)在关联矩阵B中相应的位置为1，否则为0；
（3）附图2所示的矿井局部高压电网生成的关联矩阵A和B分别为：
，。
在矿井高压电网中，监控系统依据支路节点上高压开关的开闭状态，生成支路节点开关状态矢量S，S包含n个元素；在S中，开关状态闭合，对应元素值为1；反之，则为0；附图2为某矿井局部高压电网图，用黑色填充的支路节点为分闸状态，未填充的支路节点为合闸状态；在附图2所示的矿井局部高压电网中，所有支路节点对应的开关状态矢量。
监控系统依据单向图的连通性，计算支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E（n行n列），在矩阵E中可以描述某支路节点是由哪些支路节点供电的，如果某支路节点i（该支路节点顺序号为行号）由支路节点j（该支路节点顺序号为列号）供电，则相应位置为1，反之则相应位置为0；同时，在完成矩阵运算时，将矩阵元素与矩阵元素乘法运算定义为二进制与运算，将矩阵元素与矩阵元素的加法运算定义为二进制或运算；具体计算步骤如下：
（1）将S中的每个元素和矩阵A中每行的n个元素进行与运算后得到母线节点和支路节点的关联矩阵NA（m行n列）；将S中的每个元素和矩阵B中每列的n个元素进行与运算后得到支路节点和母线节点的关联矩阵NB（n行m列）；则附图2所示的矿井局部高压电网的关联矩阵NA和NB为：
，；
（2）依据单向图的连通性，将关联矩阵NB和关联矩阵NA做乘法运算，得到原始的第1级支路节点与支路节点供电关联矩阵C；则附图2所示的矿井局部高压电网的关联矩阵
；
（3）因为采用的是单向图结构，所以在计算获得的供电关联矩阵C中，支路节点i与支路节点i之间的供电关系未能得到正确反映；因此对获得的供电关联矩阵C需要使用修正矩阵M进行修正，支路节点和支路节点的修正矩阵M表示每一个支路节点i都可由支路节点i供电，即，
将S中的每个元素和修正矩阵M中每行的n个元素进行与运算后得到支路节点和支路节点的修正矩阵；
（4）依据矩阵C和修正矩阵NM得到第1级的支路节点与支路节点供电关联矩阵为NC；则附图2所示的矿井局部高压电网关联矩阵
；
（5）将矩阵NC和自身做矩阵乘法运算，得到一个新的矩阵D；则附图2所示的矿井局部高压电网的关联矩阵
；
（6）比较矩阵D和矩阵NC是否发生变化，如果发生变化，则将矩阵D的值赋予矩阵NC，重复执行步骤（5）；反之，如果D和NC相同，则计算所得的矩阵D即是支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E；则附图2所示的矿井局部高压电网的关联矩阵
。
监控系统依据支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E和高压开关综保装置故障状态矢量P完成矿井高压电网短路故障位置的自动识别，具体步骤如下：
（1）将关联矩阵E中每列的n个元素和高压开关综保装置故障状态矢量P的n个元素做二进制与运算，得到关联矩阵F，则附图2所示的关联矩阵
；
（2）将关联矩阵F中每行的n个元素和高压开关综保装置故障状态矢量P的n个元素做二进制与运算，得到关联矩阵G，G表示发生过流故障的支路节点之间的供电关系；则附图2所示的关联矩阵
；
（3）针对关联矩阵G的每一行，查找该行中元素值为1的所有列对应的支路节点集合；假定第i行（）中元素值为1的所有列对应的支路节点集合用Oi表示；
（4）针对获得的支路节点集合，如果集合Oi包含集合Oj，则删除集合Oj；对于获得的所有支路节点集合相互间不断进行比较，直到剩下的集合中相互间不再存在包含关系为止；
（5）最终依据获得的支路节点集合对应的行号查找其对应的支路节点，所获得的支路节点对应的高压开关直接控制的线路即是发生短路故障的线路；在附图2所示的矿井高压电网中支路节点集合分别为{（2）}、{（2），（8）}、{（2），（8），（13）}，针对上述集合进行比较后，最后得到的支路节点集合为{（2），（8），（13）}，该集合对应的行号为13，该行对应的支路节点为（13）；由此可知当前发生短路故障的线路位置位于支路节点（13）所控制的线路中。
附图说明
图1是EPR纠缠粒子对分配示意图；图2是矿井局部高压电网图。

Claims (5)

1.基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，其特征在于，所描述的短路故障位置自动识别方法包括如下步骤：
步骤11，基于量子纠缠特性和矿井高压电网特点，使地面电力监控系统能够快速地获取当前矿井高压电网中发生过流故障的所有高压开关综保装置集合；
步骤12，监控系统依据当前测量周期所获得的高压开关综保装置发生过流故障的情况，生成高压开关综保装置故障状态矢量P；故障状态矢量P包含n个元素，元素的序号对应高压开关支路节点的顺序号，高压开关连接的支路作为支路节点；在故障状态矢量P中，相应的高压开关支路节点检测到过流故障，对应元素值为1；反之，则为0；
步骤13，监控系统以变电所母线为母线节点、以高压开关连接的支路作为支路节点，如果母线节点有m个，支路节点有n个，则依据矿井高压电网图中电气设备之间的连接关系生成母线节点和支路节点的关联矩阵A和B；关联矩阵A为m行n列，以母线节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号；关联矩阵B为n行m列，以支路节点顺序号为行号，以母线节点顺序号为列号；
步骤14，在矿井高压电网中，监控系统依据支路节点上高压开关的开闭状态，生成支路节点开关状态矢量S；
步骤15，监控系统依据单向图的连通性，由关联矩阵A和B及开关闭合状态S计算支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E，关联矩阵E为n行n列；
步骤16，监控系统依据支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E和高压开关综保装置故障状态矢量P完成矿井高压电网短路故障位置的自动识别；
在步骤11中，主要进行如下步骤：
步骤111、煤矿电力监控系统可使用光纤线路对高压开关的分合闸状态、保护定值进行设置，也会以周期轮询的方式获取高压开关综保装置状态；将光纤在获取状态和下发配置的过程中称之为忙时；当其没有数据传送时，称其为闲时；利用光纤的空闲时间，在电力监控系统和每个高压开关综保装置之间分发相应的纠缠量子对；如果在煤矿井下高压电网中存在n个高压开关综保装置，在光纤通道空闲的时间，EPR分配中心一次制备个纠缠量子对，EPR分配中心将其中任意的q个纠缠量子对称之为基本分配序列；EPR分配中心针对制备所得的第i个基本分配序列，将其中的q个粒子分配给电力监控系统，而将与其处于纠缠状态的另外q个粒子分配给第i个综保装置，其中；
步骤112、在电力监控系统和第i个综保装置得到的第i个基本分配序列中包含q个纠缠量子对，假定其中的第k个纠缠量子对的纠缠态为，其中，；初始时刻，综保装置每间隔周期T的时间就会判断一次当前是否发生了过流故障；假定在第k个测量周期，综保装置检测到发生了过流故障，综保装置将制备一个粒子，且；然后该综保装置采用Bell基和对新制备的粒子和综保装置预先保存的第k个纠缠粒子在时刻进行联合测量，测量结果为：
；
步骤113、电力监控系统在时刻，针对电力监控系统保存的与该综保装置对应的第k个纠缠粒子进行测量，以确保电力监控系统在测量之前，相应的综保装置已经完成了联合测量；电力监控系统的测量结果如下：如果该粒子量子态为四种情况之一，则电力监控系统就可以确定该综保装置发生了过流故障；如果测量得到的第k个粒子的量子态为或，则说明在该间隔周期内综保装置没有进行联合测量，由此可以确定在该间隔周期内没有过流故障。
2.根据权利要求1所述的基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，其特征在于，生成母线节点和支路节点的关联矩阵A和B，在步骤13中，主要进行如下步骤：
步骤21、在生成关联矩阵A的过程中，如果母线节点(Z1)是由支路节点(1)供电的，则母线节点(Z1)和支路节点(1)在关联矩阵A中相应的位置为1，否则为0；
步骤22、在生成关联矩阵B的过程中，如果支路节点(1)是由母线节点(Z1)供电的，则支路节点(1)和母线节点(Z1)在关联矩阵B中相应的位置为1，否则为0。
3.根据权利要求1所述的基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，其特征在于，在步骤14中，监控系统依据支路节点上高压开关的开闭状态，生成支路节点开关状态矢量S，S包含n个元素；在S中，开关状态闭合，对应元素值为1；反之，则为0。
4.根据权利要求1所述的基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，其特征在于，监控系统依据单向图的连通性，由关联矩阵A和B及开关闭合状态S计算支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E，在步骤15中，主要进行如下步骤：
步骤41、将S中的每个元素和矩阵A中每行的n个元素进行与运算后得到母线节点和支路节点的关联矩阵NA，关联矩阵NA为m行n列；将S中的每个元素和矩阵B中每列的n个元素进行与运算后得到支路节点和母线节点的关联矩阵NB，关联矩阵NB为n行m列；
步骤42、依据单向图的连通性，将关联矩阵NB和关联矩阵NA做乘法运算，得到原始的第1级支路节点与支路节点供电关联矩阵C；
步骤43、因为采用的是单向图结构，所以在计算获得的供电关联矩阵C中，支路节点i与支路节点i之间的供电关系未能得到正确反映；因此对获得的供电关联矩阵C需要使用修正矩阵M进行修正，支路节点和支路节点的修正矩阵M表示每一个支路节点i都可由支路节点i供电，将S中的每个元素和修正矩阵M中每行的n个元素进行与运算后得到支路节点和支路节点的修正矩阵NM；依据矩阵C和修正矩阵NM得到第1级的支路节点与支路节点供电关联矩阵NC，；
步骤44、将矩阵NC和自身做矩阵乘法运算，得到一个新的矩阵D；
步骤45、比较矩阵D和矩阵NC是否发生变化，如果发生变化，则将矩阵D的值赋予矩阵NC，重复执行步骤44；反之，如果D和NC相同，则计算所得的矩阵D即是支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E。
5.根据权利要求1所述的基于量子通信的矿井高压电网短路故障位置自动识别方法，其特征在于，监控系统依据支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵E和高压开关综保装置故障状态矢量P完成矿井高压电网短路故障位置的自动识别，在步骤16中，主要进行如下步骤：
步骤51、将关联矩阵E中每列的n个元素和高压开关综保装置故障状态矢量P的n个元素做二进制与运算，得到关联矩阵F；
步骤52、将关联矩阵F中每行的n个元素和高压开关综保装置故障状态矢量P的n个元素做二进制与运算，得到关联矩阵G，G表示发生过流故障的支路节点之间的供电关系；
步骤53、针对关联矩阵G的每一行，查找每一行中元素值为1的所有列对应的支路节点集合；假定第i行中元素值为1的所有列对应的支路节点集合用Oi表示，其中；
步骤54、针对获得的支路节点集合，如果集合Oi包含集合Oj，则删除集合Oj；对于获得的所有支路节点集合相互间不断进行比较，直到剩下的集合中相互间不再存在包含关系为止；
步骤55、最终依据获得的支路节点集合对应的行号查找其对应的支路节点，所获得的支路节点对应的高压开关直接控制的线路即是发生短路故障的线路。
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