基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法

2023-10-09 23:48:29

基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法
【專利摘要】本發明公開了基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法，包括如下步驟：基於量子糾纏特性和礦井高壓電網特點，生成高壓開關綜保裝置故障狀態矢量P；然後依據單向圖的連通性，由關聯矩陣A和B及開關閉合狀態S計算支路節點與支路節點供電關係的關聯矩陣E；最後，依據矩陣E和狀態矢量P完成礦井高壓電網短路故障位置的自動識別。本發明將基於量子糾纏特性傳輸故障信息，使監控系統能夠在較短的時間內判斷各個高壓開關綜保裝置是否出現了過流故障；然後監控系統依據當前各綜保裝置的過流故障信息和基於關聯矩陣獲取的網絡拓撲結構實現短路故障點的自動識別，以便監控系統能夠及時快速地排除短路故障。
【專利說明】基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法

【技術領域】
[0001] 本發明公開了基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法，屬於煤 礦高壓供電網絡故障定位領域。

【背景技術】
[0002] 當礦井高壓供電網絡中的高壓線路發生短路故障時，因為井下供電線路距離短， 會造成因短路故障引起的越級跳間，導致礦井高壓電網停電面積擴大的問題；因此，對於地 面監控系統來說，在井下線路發生短路故障時，如果能夠對短路故障的位置進行快速定位， 就能及時切斷短路故障點，避免發生大面積停電。
[0003] 文獻"基於數位化變電站技術的煤礦井下防越級跳間方案研究"中提出了數字 化變電站方案，把所有的高壓開關綜保裝置通過光纖、W太網交換機連接到數位化變電站 的主機、GI^S校時等裝置上；當高壓開關綜保裝置控制的線路發生故障時，將故障信息W GOOSE報文的形式傳輸到變電站主機上，由主機根據高壓開關綜保裝置的級聯關係判斷出 區內或者區外故障；當判斷出區內故障時，讓離故障點最近的高壓開關跳間；該方案對通 訊系統要求較高，如果通訊系統網絡故障將導致停電範圍擴大甚至造成整個系統的痛疾； 同時，將故障信息傳送到變電所主機也需要一定的時間，延時較大，造成故障信息在光纖網 絡中傳輸時存在時延不穩定的問題。
[0004] 本發明提出的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法，通過引 入量子通信技術來有效解決故障信息傳輸時延問題；已有的量子隱形傳態方案不能直接 用於實現短路故障信息的傳送，因其需要使用經典信道，將導致故障信息傳輸延時過大，使 地面電力監控系統不能及時獲取短路故障所在的位置，無法對短路故障進行快速及時的處 理；本發明將在電力監控系統和每個高壓開關綜保裝置上分別建立相應的量子模塊，基於 量子糾纏特性傳輸故障信息，使監控系統能夠在較短的時間內判斷各個高壓開關綜保裝置 是否出現了過流故障；然後監控系統基於關聯矩陣獲取礦井高壓供電網絡的網絡拓撲結 構，依據當前各綜保裝置的過流故障信息和網絡拓撲結構實現短路故障點的自動定位，最 終確定當前的短路故障是由哪個高壓開關綜保裝置控制的線路產生的，W便監控系統能夠 及時快速地排除短路故障。


【發明內容】

[0005] 基於量子糾纏特性和礦井高壓電網特點，使地面電力監控系統能夠快速地獲取當 前礦井高壓電網中發生過流故障的所有高壓開關綜保裝置集合，具體步驟如下： (1)煤礦電力監控系統可使用光纖線路對高壓開關的分合間狀態、保護定值等進行設 置，也會W周期輪詢的方式獲取高壓開關綜保裝置狀態；將光纖在獲取狀態和下發配置的 過程中稱之為忙時；當其沒有數據傳送時，稱其為閒時；利用光纖的空閒時間，在電力監控 系統和每個高壓開關綜保裝置之間分發相應的糾纏量子對；如果在煤礦井下高壓電網中存 在n個高壓開關綜保裝置，在光纖通道空閒的時間，EPR分配中也一次製備個糾纏量 子對，EPR分配中也將其中任意的q個糾纏量子對稱之為基本分配序列；EPR分配中也針對 製備所得的第i (1^ )個基本分配序列，將其中的q個粒子分配給電力監控系統，而將 與其處於糾纏狀態的另外q個粒子分配給第i個綜保裝置，具體分配過程如附圖1所示； (2) 在電力監控系統和第i個綜保裝置得到的第i個（1苗)基本分配序列中包含q 個糾纏量子對，假定其中的第k 個糾纏量子對的糾纏態為= (陽陽） ;初始時刻f = 〇,綜保裝置每間隔周期T的時間就會判斷一次當前是否發生了過流故 障；假定在第k個測量周期，綜保裝置檢測到發生了過流故障，綜保裝置將製備一個 粒子I妨，且I麵=古〇>+是巧；然後該綜保裝置採用Bell基I戶;H去和 礦;(陽|0)±|1}|巧對新制各的粒子|自> 和綜保裝置預先保存的第k個糾纏粒子在時刻 t = 進行聯合測量，測量結果為：

【權利要求】
1. 基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法，其特徵在於，所描述的 短路故障位置自動識別方法包括如下步驟： 步驟11，基於量子糾纏特性和礦井高壓電網特點，使地面電力監控系統能夠快速地獲 取當前礦井高壓電網中發生過流故障的所有高壓開關綜保裝置集合； 步驟12,監控系統依據當前測量周期所獲得的高壓開關綜保裝置發生過流故障的情 況，生成高壓開關綜保裝置故障狀態矢量P; 步驟13,監控系統以變電所母線為母線節點、以高壓開關連接的支路作為支路節點，如 果母線節點有m個，支路節點有n個，則依據礦井高壓電網圖中電氣設備之間的連接關係生 成母線節點和支路節點的關聯矩陣A(m行n列，以母線節點順序號為行號，以支路節點順 序號為列號）和B(n行m列，以支路節點順序號為行號，以母線節點順序號為列號）； 步驟14,在礦井高壓電網中，監控系統依據支路節點上高壓開關的開閉狀態，生成支路 節點開關狀態矢量S; 步驟15,監控系統依據單向圖的連通性，由關聯矩陣A和B及開關閉合狀態S計算支路 節點與支路節點供電關係的關聯矩陣E(n行n列）； 步驟16,監控系統依據支路節點與支路節點的最終供電關聯矩陣E和高壓開關綜保裝 置故障狀態矢量P完成礦井高壓電網短路故障位置的自動識別。
2. 根據權利要求1所述的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法， 其特徵在於，在步驟11中，主要進行如下步驟： 步驟21、煤礦電力監控系統可使用光纖線路對高壓開關的分合閘狀態、保護定值等 進行設置，也會以周期輪詢的方式獲取高壓開關綜保裝置狀態；將光纖在獲取狀態和下 發配置的過程中稱之為忙時；當其沒有數據傳送時，稱其為閒時；利用光纖的空閒時間， 在電力監控系統和每個高壓開關綜保裝置之間分發相應的糾纏量子對；如果在煤礦井下 高壓電網中存在n個高壓開關綜保裝置，在光纖通道空閒的時間，EPR分配中心一次製備 個糾纏量子對，EPR分配中心將其中任意的q個糾纏量子對稱之為基本分配序列；EPR 分配中心針對製備所得的第i(IASn)個基本分配序列，將其中的q個粒子分配給電力監 控系統，而將與其處於糾纏狀態的另外q個粒子分配給第i個綜保裝置； 步驟22、在電力監控系統和第i個綜保裝置得到的第i個（ISA)基本分配 序列中包含q個糾纏量子對，假定其中的第k 個糾纏量子對的糾纏態為

步驟23、電力監控系統在f= + 時刻，針對電力監控系統保存的與該 綜保裝置對應的第k個糾纏粒子進行測量，以確保電力監控系統在測量之前，相應的 綜保裝置已經完成了聯合測量；電力監控系統的測量結果如下：如果該粒子量子態為
可以確定該綜保裝置發生了過流故障；如果測量得到的第k個粒子的量子態為|〇>或丨1>，則 說明在該段時間間隔內綜保裝置沒有進行聯合測量，由此可以確定在該段時間間隔內沒有 過流故障。
3. 根據權利要求1所述的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法， 其特徵在於，在步驟12中，P包含n個元素，元素的序號對應高壓開關支路節點的順序號， 高壓開關連接的支路作為支路節點；在P中，相應的高壓開關支路節點檢測到過流故障，對 應元素值為1 ;反之，則為0。
4. 根據權利要求1所述的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法， 其特徵在於，生成母線節點和支路節點的關聯矩陣A和B，在步驟13中，主要進行如下步 驟： 步驟41、在生成關聯矩陣A的過程中，如果母線節點1是由支路節點（1)供電的，則母 線節點1和支路節點（1)在關聯矩陣A中相應的位置為1，否則為0 ; 步驟42、在生成關聯矩陣B的過程中，如果支路節點（1)是由母線節點1供電的，則支 路節點（1)和母線節點1在關聯矩陣B中相應的位置為1，否則為0。
5. 根據權利要求1所述的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法， 其特徵在於，在步驟14中，監控系統依據支路節點上高壓開關的開閉狀態，生成支路節點 開關狀態矢量S，S包含n個元素；在S中，開關狀態閉合，對應元素值為1 ;反之，則為0。
6. 根據權利要求1所述的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方法， 其特徵在於，監控系統依據單向圖的連通性，由關聯矩陣A和B及開關閉合狀態S計算支路 節點與支路節點供電關係的關聯矩陣E，在步驟15中，主要進行如下步驟： 步驟61、將S中的每個元素和矩陣A中每行的n個元素進行與運算後得到母線節點和 支路節點的關聯矩陣NA(m行n列);將S中的每個元素和矩陣B中每列的n個元素進行與 運算後得到支路節點和母線節點的關聯矩陣NB(n行m列）； 步驟62、依據單向圖的連通性，將關聯矩陣NB和關聯矩陣NA做乘法運算，得到原始的 第1級支路節點與支路節點供電關聯矩陣C; 步驟63、依據矩陣C和修正矩陣匪得到第1級的支路節點與支路節點供電關聯矩陣NC； 步驟64、將矩陣NC和自身做矩陣乘法運算，得到一個新的矩陣D; 步驟65、比較矩陣D和矩陣NC是否發生變化，如果發生變化，則將矩陣D的值賦予矩陣NC，重複執行步驟（64);反之，如果D和NC相同，則計算所得的矩陣D即是支路節點與支路 節點供電關聯矩陣E。
7.根據權利要求1所述的基於量子通信的礦井高壓電網短路故障位置自動識別方 法，其特徵在於，監控系統依據支路節點與支路節點的最終供電關聯矩陣E和高壓開關綜 保裝置故障狀態矢量P完成礦井高壓電網短路故障位置的自動識別，在步驟16中，主要進 行如下步驟： 步驟71、將關聯矩陣E中每列的n個元素和高壓開關綜保裝置故障狀態矢量P的n個 元素做二進位與運算，得到關聯矩陣F; 步驟72、將關聯矩陣F中每行的n個元素和高壓開關綜保裝置故障狀態矢量P的n個 元素做二進位與運算，得到關聯矩陣G，G表示發生過流故障的支路節點之間的供電關係； 步驟73、針對關聯矩陣G的每一行，查找該行中元素值為1的所有列對應的支路節點集 合；假定第i行(199 )中元素值為1的所有列對應的支路節點集合用Oi表示； 步驟74、針對獲得的支路節點集合，如果集合(^包含集合0p則刪除集合(^_;對於獲得 的所有支路節點集合相互間不斷進行比較，直到剩下的集合中相互間不再存在包含關係為 止； 步驟75、最終依據獲得的支路節點集合對應的行號查找其對應的支路節點，所獲得的 支路節點對應的高壓開關直接控制的線路即是發生短路故障的線路。
【文檔編號】G01R31/08GK104502799SQ201410771506
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】王新良, 楊茜惠, 靳翔, 蔡曉旭, 李自強 申請人:河南理工大學