一种掘进面智能长距离供电中继调压装置及方法与流程

本发明涉及矿山掘进供配电，具体涉及一种掘进面智能长距离供电中继调压装置及方法。

背景技术：

1、随着煤矿及隧道工程掘进距离的持续增长，上级变配电点与掘进工作面用电设备之间的供电电缆持续延伸，线路阻抗随之显著增大。在煤矿井下典型供电架构中，通常由地面或井下变电站将6kv或10kv降压至1140v或660v后，经长距离低压电缆送至掘进面，为综掘机、胶带输送机、刮板机、局部通风机及排水泵等设备供电。当电缆延伸至数百米乃至数千米时，末端电压质量问题已成为掘进面安全高效生产的主要制约因素之一。

2、现有中继调压方案主要存在以下五方面缺陷：

3、缺陷一：供电段参数固定，无法适应掘进推进。现有方案（如公开号cn117674162a所公开的机电式调压装置）的压降模型为预先一次性设定的固定参数，在掘进推进过程中电缆长度持续增加、线路阻抗持续漂移后，固定参数模型的预测误差不断累积，导致所选调压级位与实际需求不匹配，调压精度下降。这正是本发明引入递推参数辨识算法在线更新等效阻抗参数的根本原因。

4、缺陷二：工况感知缺失，误切换率高。传统阈值式调压方案在末端电压跌落后立即触发切换，未区分负载处于启动瞬态、重载稳定还是异常扰动状态。在电机启动瞬态期间切换级位不仅无法有效抑制冲击压降，还会与负载启动过程叠加，加剧电流冲击和接触器拉弧。这正是本发明引入四分类工况识别并以工况类型约束调压决策的原因。

5、缺陷三：切换缺乏安全约束，级位振荡频繁。已公开方案仅凭单一电压阈值触发切换，缺少最小驻留时间、切换次数限制和电压变化斜率等多维约束，导致相邻级位频繁往返振荡，接触器动作频次高、触头损耗大。这正是本发明引入多约束切换窗口判定机制的原因。

6、缺陷四：切换后无校核与降级保供机制。现有装置在完成级位切换后缺乏对调压效果的实时校核，一旦出现接触器拒动、预测失配或相序异常，无法及时转入安全状态，故障可能进一步扩大。这正是本发明引入切换后校核及分级降级保供策略的原因。

7、缺陷五：安全合规联动缺失。现有调压装置未与掘进工作面风电闭锁和甲烷电闭锁信号实现硬件级联动，闭锁触发时存在装置未能及时进入安全断电状态的风险，不符合煤矿安全规程对应断尽断的硬件级保障要求。这正是本发明引入独立硬件安全状态机模块的原因。

技术实现思路

1、技术目的：针对现有掘进面长距离供电中供电段参数随掘进持续漂移、负载工况频繁切换、传统阈值式调压误切换率高、切换后缺乏校核及降级保供能力、安全合规联动缺失等问题，本发明公开了一种掘进面智能长距离供电中继调压装置及方法，将四分类工况识别、递推参数在线辨识、候选级位预测、多约束切换窗口、切换后校核与分级降级保供深度融合。

2、技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种掘进面智能长距离供电中继调压装置，设置于上级供电电源与末端负载之间，包括：

4、输入隔离及状态采集单元，与上级供电电源连接，用于采集上级线路电气状态量；

5、中继调压执行单元，其输入端与输入隔离及状态采集单元连接，其输出端朝向末端负载，用于在多个调压级位之间对输出电压进行调节；

6、末端测量单元，设置于中继调压执行单元的输出侧，用于采集末端电气量和负载状态量；

7、联动开断单元，串接于中继调压执行单元的输出回路，用于在级位切换过程中执行开断与投切操作；

8、控制器，分别与输入隔离及状态采集单元、中继调压执行单元、末端测量单元和联动开断单元连接，用于：根据所采集的上级线路电气状态量和末端电气量识别当前供电工况；基于递推参数辨识算法依据当前采样数据在线更新供电段等效阻抗参数；依据当前工况和在线更新后的等效阻抗参数，预测多个候选调压级位各自对应的末端可用电压；按照预设切换安全约束从多个候选调压级位中确定目标级位和切换窗口，并控制联动开断单元在切换窗口内执行级位切换；基于切换后实测末端电压对预测结果进行校核，校核异常时执行降级保供策略。

9、优选地，所述控制器识别当前供电工况的方式为：综合上级线路电压波动幅度、末端电压偏差量、末端电流变化率及负载状态跃迁信息，将当前工况判定为轻载稳定工况、重载稳定工况、启动瞬态工况或异常扰动工况；其中，轻载稳定工况对应末端电流低于额定值的设定比例且电流变化率低于预设阈值；重载稳定工况对应末端电流持续高于额定值的设定比例；启动瞬态工况对应末端电流在短时内快速跃升超过预设速率；异常扰动工况对应相序异常、缺相、接触器拒动或切换效果失配场景。

10、优选地，所述递推参数辨识算法为递推最小二乘算法，所述控制器按下式在线更新供电段等效电阻：；；；其中k为当前采样时刻，为第k采样周期输入侧电压差量，为第k采样周期电流差量，为遗忘因子且满足0.95≤λ≤1，为误差协方差，为递推增益系数；所述控制器采用相同格式的递推公式更新供电段等效电感；每次级位切换完成后，控制器将预测末端电压与实测末端电压之间的偏差作为参数校正量，对和进行迭代修正。

11、优选地，所述预设切换安全约束包括：当前末端电流低于预设切换电流阈值，所述切换电流阈值为额定电流的0.2倍至0.6倍；自上次级位切换至当前时刻的持续时间不小于最小驻留时间，所述最小驻留时间为5秒至120秒；在预设统计窗口内相邻级位之间的往返切换次数不超过设定上限；候选级位切换前后的电压变化斜率满足设定上限约束；上述各项约束同时满足时方可进入切换窗口；所述联动开断单元在切换窗口内依次执行当前级位退出、目标级位投入和供电恢复，切换完成后进入0.2秒至5秒的短时切换锁定期。

12、优选地，所述控制器采用模型预测控制方式确定目标级位，以在线更新后的等效阻抗参数构建预测模型，在预测时域内求解以下有约束优化问题：；其中j为模型预测控制目标函数值，i为预测步序号，为末端目标电压，、、分别为电压偏差项、电流项和温升项的权重系数，为第k+i步预测末端电压，为k+i步预测最大相电流，为k+i步预测功率器件温升；约束条件包括：候选级位补偿量不超过调压器额定范围、各相电流不超过电缆额定电流、功率器件温升不超过额定限值；优化求解结果同时输出目标级位指令和联动开断单元的分步切换时序。

13、优选地，所述校核异常的判据包括以下至少一种：切换完成后在设定校核时长内末端电压未恢复至目标区间；在设定统计时间窗口内相邻级位之间发生超过阈值次数的往返振荡；相间电压不平衡度超过设定上限；开断执行结果与目标级位指令不一致；所述降级保供策略按以下优先级顺序执行：切除非关键负载并保持关键负载供电；切换至预先设定的安全固定级位运行；投入旁路支路实施旁路直供；在检测到短路、缺相或接触器拒动时执行安全断开。

14、优选地，还包括双链路冗余通信网络，所述双链路冗余通信网络包括光纤有线链路和无线冗余链路，用于将所述末端测量单元采集的末端数据传输至所述控制器；所述控制器在预设时间窗内分别从所述光纤有线链路和所述无线冗余链路接收末端电压数据，对各链路数据进行异常剔除后依据各链路可信度系数进行置信度加权融合：；其中为双链路加权融合末端电压参考值，为有线链路经异常剔除后的末端电压均值，为无线链路经异常剔除后的末端电压均值，为光纤有线链路可信度系数，为无线冗余链路可信度系数，其中，为光纤有线链路历史丢包率，为无线冗余链路历史丢包率，为光纤有线链路时延抖动标准差，为无线冗余链路时延抖动标准差；当两条链路均中断时，所述控制器切换至本地模型降级运行模式，以当前在线更新的等效阻抗参数估计末端电压并维持调压控制。

15、优选地，所述控制器还包括分布式状态诊断模块，所述分布式状态诊断模块在每个诊断周期内基于壳体温升序列、接触电阻变化量和电压暂降事件计算节点健康评分：；其中为诊断时间窗内温升超限次数，为等效电阻短时显著跳变量，为接触电阻漂移基准值，为电压暂降事件数，、、为权重系数；当低于第一预设阈值时生成降额运行告警，当低于第二预设阈值时触发安全旁路并申请检修；所述分布式状态诊断模块将反向馈送至调压控制逻辑，按与漂移触发阈值之比线性调低电流上升斜率约束值，防止接触不良点因大电流冲击而热失控。

16、优选地，还包括安全状态机模块，所述安全状态机模块采用独立硬件逻辑实现，其输入端与掘进工作面局部通风机风电闭锁干接点信号，以及甲烷浓度超限电闭锁干接点信号直接硬接线连接；当接收到风电闭锁干接点信号或甲烷浓度超限电闭锁干接点信号时，安全状态机模块在10ms内以硬件方式封锁中继调压执行单元的全部控制脉冲，同时闭合旁路接触器并锁定，使装置进入强制断电安全态；所述强制断电安全态的建立不依赖控制器的软件执行路径；所述安全状态机模块对每次闭锁动作的触发原因、触发时刻和持续时长进行记录并向控制器上报。

17、本发明还提供一种掘进面智能长距离供电中继调压方法，应用于如以上所述的一种掘进面智能长距离供电中继调压装置，具体包括以下步骤：

18、s1、采集上级线路电气状态量、末端电气量和负载状态量；

19、s2、根据所采集数据识别当前供电工况；

20、s3、基于递推参数辨识算法依据当前采样数据在线更新供电段等效阻抗参数；

21、s4、依据当前工况和在线更新后的等效阻抗参数，预测多个候选调压级位各自对应的末端可用电压；

22、s5、按照预设切换安全约束从多个候选调压级位中确定目标级位和切换窗口，并控制联动开断单元在切换窗口内执行级位切换；

23、s6、基于切换后实测末端电压对预测结果进行校核，将预测末端电压与实测末端电压之间的偏差作为参数校正量对等效阻抗参数进行迭代修正；

24、s7、当校核结果满足预设异常判据时执行降级保供策略。

25、有益效果：本发明所提供的一种掘进面智能长距离供电中继调压装置及方法具有如下有益效果：

26、（1）调压精度高、参数自适应能力强。递推参数辨识算法实时跟踪掘进推进引起的线路阻抗漂移，每次切换后的迭代修正进一步消除模型误差，稳态末端电压偏差目标可控制在额定值的±2%以内。

27、（2）切换安全性高、级位振荡得到根本抑制。多约束切换窗口从电流状态、时间间隔、往返频次和斜率四个维度联合约束切换时机，相比传统单阈值方案从根本上消除了级位往返振荡，显著降低接触器动作频次和触头拉弧概率。

28、（3）调压决策兼顾电压质量与设备安全。模型预测控制目标函数同时优化末端电压偏差、相电流和器件温升，约束条件包含电缆额定电流和功率器件温升限值，避免为追求调压效果而引入新的设备损伤风险。

29、（4）供电连续性强、降级过渡有序。四级降级保供策略（切除非关键负载—安全固定级位—旁路直供—安全断开）形成有序的异常处置梯队，在调压链路局部失效时仍能维持关键负载供电，适应掘进面停机代价大的工程场景。

30、（5）通信容错能力强。置信度加权融合利用双链路数据质量差异进行自适应融合，单链路故障时不降低调压准确性；双链路同时中断时本地降级运行保障调压连续性。

31、（6）预测性维护水平显著提升。健康评分定量反映接触电阻、温升和暂降事件的综合劣化趋势，接触电阻漂移量实时反馈至电流斜率约束，在故障发生前主动降低冲击电流风险，将维护模式从事后检修升级为预防性主动干预。

32、（7）安全合规性强。独立硬件安全状态机对风电闭锁和甲烷电闭锁信号的响应不依赖控制器软件，10ms内完成强制断电安全态建立，满足煤矿安全规程对应断尽断的硬件级强制要求，并保留完整的闭锁事件记录以支持安全审计。