- 相關(guān)推薦
煤礦電網(wǎng)繼電保護整定軟件的研究與開(kāi)發(fā)
摘要：本文根據煤礦企業(yè)供電系統結構的特點(diǎn)與相關(guān)規程規定，以Delphi 7 為開(kāi)發(fā)工具，利用第三方繪圖控件TCAD 與面向對象語(yǔ)言的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值的圖形化的煤礦電網(wǎng)繼電保護整定計算與管理系統。本軟件可以通過(guò)友好的人機界面，實(shí)現一次系統圖的繪制、煤礦電網(wǎng)的故障計算、高壓電氣設備的繼電保護整定計算以及數據管理等功能，提高了繼電保護整定計算與管理水平。
關(guān)鍵詞：繼電保護;煤礦電網(wǎng);軟件;拓撲分析
0、引言
我國的電力系統中利用軟件進(jìn)行電網(wǎng)繼電保護整定計算早已經(jīng)推廣普及，并且取得了非常好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。而煤礦電網(wǎng)由于重視不足及客觀(guān)條件的限制，目前煤礦電氣技術(shù)人員進(jìn)行繼電保護整定的手段比較落后，很多地方還是沿用傳統的手工計算和整定。
煤礦電網(wǎng)大多以單端輻射狀供電為主，高壓短線(xiàn)路較多，負荷與供電結構需要經(jīng)常地變動(dòng)，同時(shí)煤礦生產(chǎn)的工作條件具有特殊性：主要負荷集中在井下，環(huán)境相對惡劣。所以煤礦企業(yè)的供電和電氣設備與普通電力用戶(hù)相比有其特殊地方，并且對繼電保護有更高的要求[1]。
本文利用目前先進(jìn)的軟件編程技術(shù)Delphi 7[2]，開(kāi)發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值的圖形化的煤礦電網(wǎng)繼電保護整定計算與管理系統，實(shí)現對供電系統中高壓電氣設備參數、繼電保護配置、保護整定計算及繼電保護定值單等進(jìn)行管理。整個(gè)系統操作簡(jiǎn)單、方便、靈活，使保護整定技術(shù)人員的工作量降低到最小[3]。
1、煤礦電網(wǎng)供電結構與繼電保護配置原則
1.1 煤礦電網(wǎng)供電結構
《煤礦安全生產(chǎn)規程》中規定：每一礦井應有兩回電源線(xiàn)路。當任一回進(jìn)線(xiàn)發(fā)生故障停止供電，另一回進(jìn)線(xiàn)應能擔負整個(gè)煤礦的全部負荷。不僅是煤礦35kV 或110kV 變電所，其他井下各采區變電所等，也是采用一回路運行，另一回路帶電備用方式，確保煤礦生產(chǎn)過(guò)程中供電的連續性、可靠性。
煤礦電網(wǎng)正常運行方式下，整體上是輻射狀結構。從細節上看它結合了電力系統中的輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)兩者的特點(diǎn)，現將煤礦電網(wǎng)供電結構的特征總結如下：
1)煤礦電網(wǎng)供電結構在正常運行方式下為輻射狀類(lèi)似于配電網(wǎng)，但傳輸線(xiàn)路上并無(wú)T型分支線(xiàn)路，同時(shí)也不存在像10kV 配網(wǎng)中的線(xiàn)路分段開(kāi)關(guān)，其又具有輸電網(wǎng)的特點(diǎn)。
2)地面供電部分個(gè)電壓等級之間距離短，供電距離都在幾千米。而下井線(xiàn)路相同電壓等級下供電分級較多，其中央變電所以下部分每一級之間供電距離大都很短，供電距離大都為數百米。
1.2 煤礦電網(wǎng)繼電保護的配置原則
煤礦電網(wǎng)的繼電保護配置，應當滿(mǎn)足可靠性、選擇性、靈敏性及速動(dòng)性四項基本要求[4]。
1)電保護的可靠性是指保護該動(dòng)作是動(dòng)作，不該動(dòng)作時(shí)不動(dòng)作。為保證可靠性應該選擇最簡(jiǎn)單的保護方式。
2)電保護的選擇性是指由故障設備或線(xiàn)路本身的保護切除故障，當故障設備或線(xiàn)路本身的保護或斷路器失靈時(shí)，才有相鄰設備、線(xiàn)路的保護或斷路器失靈保護切除故障。為保證選擇性，對相鄰設備和線(xiàn)路有配合要求的保護和同一保護內有配合要求的兩元件，其靈敏系數及動(dòng)作時(shí)間，在一般情況下應相互配合。
3)電保護的靈敏性是指設備或線(xiàn)路的被保護范圍內發(fā)生金屬性短路時(shí)，保護裝置應具有必要的靈敏系數。由于煤礦電網(wǎng)的特殊工作環(huán)境，煤礦電網(wǎng)地面供電部分保護的靈敏度可以適度的降低用以提高可靠性。
4)電保護的速動(dòng)性是指保護裝置應能盡快的切除短路故障，其目的是提高系統穩定性，減輕故障設備和線(xiàn)路的損壞程度，縮小故障波及范圍。
“四性”也是煤礦電網(wǎng)繼電保護的基本要求，但是同電力行業(yè)不同的是，在這四個(gè)基本要求中，煤礦電網(wǎng)對繼電保護的可靠性要求高于電力行業(yè)，但是在靈敏性速動(dòng)性方面的要求卻低于電力行業(yè)，這是煤炭行業(yè)的特殊性決定的。因此在必要的時(shí)候犧牲靈敏性提高可靠性是符合煤礦電網(wǎng)繼電保護要求的。
2、煤礦供電系統拓撲分析
煤礦電網(wǎng)結構拓撲分析[5，6，7]與電力系統中電網(wǎng)拓撲分析有相似之處，但是也有所不同：
電力系統中節點(diǎn)數目多且運行方式比較復雜，其拓撲結構的變更大都是通過(guò)開(kāi)關(guān)設備的開(kāi)閉而發(fā)生的，同時(shí)由于電力系統分析實(shí)時(shí)性要求較高，這樣拓撲分析程序要跟蹤開(kāi)關(guān)的狀態(tài)快速的形成網(wǎng)路的拓撲結構;煤礦電網(wǎng)的規模與節點(diǎn)數遠小于電力系統中的電網(wǎng)，且運行方式單一，其拓撲結構的改變大都是由于負荷設備的變更引起的，比如采區變電所變壓器的轉移或是由于采面的搬遷引起整個(gè)采區變電所的變更，再者煤礦電網(wǎng)對整定軟件的實(shí)時(shí)性要求不高。
根據以上的分析并結合煤礦電網(wǎng)供電結構，由于煤礦電網(wǎng)中所有的開(kāi)關(guān)都存在于各個(gè)變電所中，且接線(xiàn)都比較簡(jiǎn)單，基本上為單母線(xiàn)分段，因此拓撲分析的第一步可以搜索各變電所中所有閉合的開(kāi)關(guān)設備確定母線(xiàn)與支路的連接關(guān)系，最后通過(guò)電氣島分析把所有的母線(xiàn)與支路劃分成不同的電氣島。
2.1 母線(xiàn)分析
進(jìn)行供電網(wǎng)絡(luò )的母線(xiàn)分析之前，己經(jīng)通過(guò)繪圖軟件進(jìn)行了原始的拓撲分析，建立了節點(diǎn)與開(kāi)關(guān)之間的連接關(guān)系。在各變電所內應用廣度優(yōu)先搜索法來(lái)進(jìn)行搜索，將網(wǎng)絡(luò )中所有的通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)連接在一起的節點(diǎn)劃分為一條母線(xiàn)，同時(shí)得到母線(xiàn)與各支路的連接關(guān)系和各支路的運行狀態(tài)。
因為母線(xiàn)分析和電氣島分析所用到的搜索的算法都為廣度優(yōu)先搜索法，唯一不同的只是所計算的對象不同，所以搜索算法的流程圖只在電氣島分析中列出。
2.2 電氣島分析
在經(jīng)過(guò)母線(xiàn)分析，建立起支路和母線(xiàn)之間的連接關(guān)系之后，電氣島分析采用廣度優(yōu)先搜索的方法進(jìn)行，即從某條母線(xiàn)開(kāi)始，逐層推進(jìn)，將通過(guò)支路連接在一起的所有的母線(xiàn)劃分為一個(gè)電氣島。
廣度優(yōu)先搜索法采用了一個(gè)隊列來(lái)進(jìn)行搜索計算。隊列的特點(diǎn)是先進(jìn)先出，用隊列來(lái)記錄還沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的母線(xiàn)的編號。具體做法是：從任一母線(xiàn)出發(fā)，得到和這個(gè)母線(xiàn)相關(guān)聯(lián)的所有的支路。對每條支路查詢(xún)，得到支路另一端的母線(xiàn)號，如果另一端的母線(xiàn)還沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)過(guò)，則將母線(xiàn)號進(jìn)隊列，搜索完與這個(gè)母線(xiàn)相關(guān)聯(lián)的所有支路后，從隊列頭取出下一個(gè)元素，重復上面的做法，直到隊列為空，就得到了一個(gè)連通的電氣島接著(zhù)從下一個(gè)未曾被訪(fǎng)問(wèn)的母線(xiàn)節點(diǎn)出發(fā)，直至所有的母線(xiàn)節點(diǎn)都被訪(fǎng)問(wèn)過(guò)，對網(wǎng)絡(luò )中所有的母線(xiàn)都劃分了電氣島，全網(wǎng)拓撲結束。拓撲結束后，沒(méi)有被訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的支路即表示不帶電的孤立元件。
煤礦電網(wǎng)通常為輻射狀運行，根據《煤礦安全規程》的相關(guān)規定，煤礦電網(wǎng)應具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電源，正常情況下這些電源應采用分列運行的方式，也就是說(shuō)電網(wǎng)不會(huì )出現環(huán)網(wǎng)。由于煤礦電網(wǎng)中的變電所數目較多，特別是年產(chǎn)量較大的煤礦，如濟寧三號煤礦僅井下變電所就有7 座，在進(jìn)行電網(wǎng)一次接線(xiàn)繪制時(shí)，可能因為母聯(lián)開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇錯誤，難免就會(huì )產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)，從而使繼電保護定值計算產(chǎn)生錯誤。為此，在網(wǎng)絡(luò )拓撲時(shí)，很有必要進(jìn)行環(huán)網(wǎng)搜索，以利于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的修改。
判斷存在環(huán)網(wǎng)的邏輯很簡(jiǎn)單，就是當進(jìn)行電氣島分析時(shí)，已經(jīng)被搜索過(guò)(己經(jīng)設置的搜索標志)的母線(xiàn)再次被搜索到時(shí)，就產(chǎn)生了環(huán)網(wǎng)，或是在去除懸空節點(diǎn)和支路后，母線(xiàn)數不為支路數加1。在拓撲過(guò)程中發(fā)現環(huán)網(wǎng)存在，程序應發(fā)出提示信息，讓電氣技術(shù)人員檢查并修正母聯(lián)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，使電網(wǎng)成輻射狀結構。
3、圖形平臺的設計與實(shí)現
應用計算機技術(shù)，通過(guò)提供可視化的界面，使原本枯燥的短路電流計算和保護整定計算變得形象、具體，它提供一個(gè)友好開(kāi)放的平臺，用戶(hù)可以利用這個(gè)平臺去進(jìn)行煤礦電網(wǎng)中的故障計算和繼電保護整定[8]。
3.1 圖形平臺功能與結構
本文結合圖形平臺系統的要求，按照軟件分層設計的思想，把整個(gè)圖形平臺的功能結構劃分為從下至上的四層，其具體的功能結構，如圖3 所示。
3.2 圖元的構成與實(shí)現
3.2.1 圖元的外觀(guān)實(shí)現
本軟件設計時(shí)利用湖州鴻迪科技發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的第三方控件—TCAD XP 矢量圖形引擎，在應用程序開(kāi)發(fā)中僅通過(guò)鼠標控制就可以非常簡(jiǎn)單的創(chuàng )建、使用矢量圖形。
本軟件中煤礦電網(wǎng)設備的圖元設計是利用TCAD 中的庫管理工具(TCAD LibraryManager Tool)進(jìn)行，在此工作平臺上可以很方便的進(jìn)行圖元設計，其界面如圖4 所示。國科技論文在線(xiàn)圖元設計首先在繪圖板上繪出設備的標準的圖形符號，以地面配電變壓器為例，分別繪出變壓器的高壓側線(xiàn)圈、低壓側線(xiàn)圈、高壓側引出線(xiàn)、低壓側引出線(xiàn)，然后在需要對外連接的部分設置連接點(diǎn),以方便連接線(xiàn)工具連接兩個(gè)設備對象，最后把所繪的6 個(gè)部分“全選”并進(jìn)行組合，使之成為一個(gè)整體。
3.2.2 圖元的電氣屬性
圖元類(lèi)要能夠反映真實(shí)設備的電氣特征，所以必須將其與相應設備的電氣特性相對應。
根據繼電保護整定計算需要，將圖元的電氣屬性參數分為以下三類(lèi)：
1)原始參數：這部分參數要求用戶(hù)輸入設備的基本電氣屬性，可以直接從設備銘牌或相關(guān)資料中得到，是進(jìn)行阻抗折算與間接參數計算的基礎。
2)故障計算參數：進(jìn)行煤礦電網(wǎng)故障計算所需要的數據，一般是利用設備的原始參數進(jìn)行換算，生成故障計算所需的正序阻抗有名值或標么值。
3)保護整定參數：進(jìn)行保護整定需要提供的參數，按照保護的原理從原始參數計算得到。
當然并不是所有圖元都同時(shí)具有這三類(lèi)參數，這要看該設備是否與故障分析和保護整定有關(guān)，比如連接線(xiàn)就三類(lèi)都沒(méi)有，因為它僅僅完成圖形連接功能，對計算與保護無(wú)影響，母線(xiàn)電氣屬性只有原始參數，線(xiàn)路元件只有原始參數與故障計算參數，而配電變壓器三者都有。
圖5 所示為配電變壓器的電氣屬性分類(lèi)。圖6 所示配電變壓器屬性輸入對話(huà)框中原始參數要求直接輸入，而故障計算與保護整定部分的參數只需點(diǎn)擊計算按鈕，便可由原始參數計算得到。
3.2.3 圖元的編輯與操作
圖元類(lèi)除了具有外觀(guān)與屬性之外，還要能夠在繪圖過(guò)程中對其進(jìn)行一般的編輯操作，這樣才能方便地用它來(lái)實(shí)現系統的圖形建模。按照作用不同可以將編輯操作分為如下幾類(lèi)：
1) 常規編輯操作主要是繪圖過(guò)程中對圖元進(jìn)行選中、移動(dòng)、旋轉、復制、剪切、粘貼、刪除操作，其中移動(dòng)、旋轉、復制、剪切、粘貼、刪除中都只能是通過(guò)圖元的選中以后，在類(lèi)的外部以全局方法操作。
2) 電氣屬性編輯圖元電氣屬性的編輯主要包括電氣設備原始參數的更改與開(kāi)關(guān)設備狀態(tài)的改變兩個(gè)方面：
a)電氣設備原始參數更改當圖元的電氣參數需要修改時(shí)，通過(guò)雙擊圖元調出設備屬性的對話(huà)框，在其中重新輸入需要更改的原始參數，點(diǎn)擊計算并保存即可。
b)開(kāi)關(guān)設備狀態(tài)參數改變電網(wǎng)中設備的運行情況通過(guò)所開(kāi)關(guān)設備控制，而且煤礦電網(wǎng)繼電保護計算中的最大運行方式、最小運行方式也是由系統中的開(kāi)關(guān)設備所決定的，因此開(kāi)關(guān)設備運行情況包括目前開(kāi)關(guān)狀態(tài)(系統默認為閉合狀態(tài))與最大最小運行方式下開(kāi)關(guān)狀態(tài)兩部分，同時(shí)圖元的形狀要隨著(zhù)改觀(guān)目前狀態(tài)的改變而變化，圖7 為高壓防爆開(kāi)關(guān)的屬性對話(huà)框。
4、系統的數據庫設計
4.1 數據庫整體結構
本系統根據實(shí)際使用情況將數據庫分為，系統參數數據庫和工程參數數據庫兩個(gè)部分。
系統參數數據庫主要保存系統信息：系統顏色表、用戶(hù)工程目錄表、打印設置表(打印紙設置)、用戶(hù)對數據的精度要求表(精度表格)、系統電壓表(平均電壓)、系統用戶(hù)表(用戶(hù)表格)、設備基礎參數表(如各種礦用電纜阻抗參數)以及用戶(hù)生成的保護定值報表。
需要指出的是本數據庫保存的是重要資料，數據庫中各表之間相互獨立，分別保存各種系統參數信息，由管理員實(shí)行密碼管理，可以防止意外或惡意修改數據，增強數據庫的安全性[9，10，11]。
用戶(hù)工程數據庫根據表的作用可以分為：一次設備庫、整定值庫、保護原則庫、計算結果庫。
4.2 保護整定結果管理
保護整定結果管理主要對各種類(lèi)型保護整定計算結果如保護類(lèi)型、整定計算原則(過(guò)程)、定值等進(jìn)行查詢(xún)、修改與定值輸出等進(jìn)行操作。
4.2.1 保護定值數據庫
在保護整定計算結束后，通過(guò)“整定結果查詢(xún)”選項，將所需查詢(xún)的定值結果全部導出到一個(gè)由網(wǎng)格組件(DBGrid)為主體的顯示窗口，在新的窗口中查看顯示某種保護類(lèi)型的計算結果，圖9 為階段式電流保護定值查詢(xún)窗口。本系統中涉及的定值數據庫根據保護類(lèi)型的不同分為，階段式電流保護定值表、主變保護定值表、配電變壓器保護定值表、高壓電動(dòng)機保護定值表、電容器保護定值表等，各類(lèi)型保護定值數據表的結構及字段設計，僅以線(xiàn)路階段式電流保護為例，其結構如圖10 所示。
4.2.2 保護定值的報表輸出
保護定值結果除了可以保存到數據庫外，還應該能以報表的格式輸出。以報表形式輸出的定值通知單簡(jiǎn)潔、清晰，便于繼電保護整定工作人員與現場(chǎng)電氣操作人員聯(lián)系，極大方便了繼電保護定值的管理工作，因此本軟件提供了報表輸出功能。
本系統中定值報表是使用Delphi 7 中集成的報表工具Rave 進(jìn)行設計的。使用Rave 中報表設計器，可以很方便的設計用戶(hù)所需要的表格樣式，然后利用Rave 組件面板中的【RvdataSetConnection】組件實(shí)現和數據集的連接，最后通過(guò)顯示組件中的【DataTaxt】、【DataMemo】、【CalcText】、【Region】組件實(shí)現數據輸出顯示。報表設計界面如圖11所示，生成的報表如圖12 所示。
5、結論
本文首先對煤礦電網(wǎng)與電力系統供電的特點(diǎn)比較分析，歸納出煤礦電網(wǎng)繼電保護的基本原則，同時(shí)在母線(xiàn)分析的基礎上進(jìn)行電氣島分析，進(jìn)而完成整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò )的拓撲分析。軟件設計以Delphi 7 為開(kāi)發(fā)工具，利用第三方繪圖控件TCAD 與面向對象語(yǔ)言的特點(diǎn)，實(shí)現了繼電保護整定計算與管理的功能，對于煤礦電網(wǎng)的繼電保護水平的提高有一定的指導意義。
[參考文獻] (References)
[1] 《<煤礦安全規程>讀本》編委會(huì ).《煤礦安全規程》讀本[M].煤炭工業(yè)出版社,2004.
[2] 田民格,盧昌荊.Delphi 程序設計[M].清華大學(xué)出版社,2007.
[3] 張勇.煤礦電網(wǎng)繼電保護系統計算軟件的研究與開(kāi)發(fā)[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2006.
[4] 中華人民共和國電力行業(yè)標準3-110kV 電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規程.DL/T 584-95.中華人民共和國電力工業(yè),1995.11.27.
[5] 吳文傳,張伯明.基于圖形數據庫的網(wǎng)絡(luò )拓撲及其應用[J].電網(wǎng)技術(shù).2002,26(2): 15-20.
[6] 竺煒,穆大慶.電力網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)拓撲分析的兩種算法的實(shí)現[J].長(cháng)沙電力學(xué)院學(xué)報.2001,5(2):23-25.
[7] M.Sasson. Automatic Power System Network Topology Determination [J]. IEEE Trans PAS-92, March/April,1973.
[8] 劉莉.可視化配電網(wǎng)計算軟件平臺的研究與開(kāi)發(fā)[D].河北農業(yè)大學(xué),2005.
[9] 趙旋宇,地方電網(wǎng)繼電保護整定專(zhuān)家系統[D].華中科技大學(xué):2002.
[10] Charles Rogers，Ramasamy Ramaswami，Paul McGuire. Graphical coordination program aids systemrelaying at consumers power [J]. IEEE Computer Applications in Power, 1990, 3(3)：30~35.
[11] 朱浩駿,蔡澤祥,侯汝峰等.面向對象的圖形化地區電網(wǎng)繼電保護整定軟件研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(22): 20-25.
【煤礦電網(wǎng)繼電保護整定軟件的研究與開(kāi)發(fā)】相關(guān)文章：
軟件開(kāi)發(fā)團隊的知識創(chuàng )新研究07-13
廣電網(wǎng)絡(luò )工程技術(shù)開(kāi)發(fā)研究論文09-07
關(guān)于地區電網(wǎng)繼電保護故障信息管理的論文10-16
關(guān)于船舶主推進(jìn)系統設計軟件開(kāi)發(fā)研究09-19
關(guān)于計算機軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的研究08-12
大型露天煤礦區生態(tài)旅游開(kāi)發(fā)研究07-26
配電線(xiàn)路繼電保護整定計算問(wèn)題探究09-11
地方文獻整序研究06-22