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煤礦電網繼電保護整定軟件的研究與開發
摘要：本文根據煤礦企業供電系統結構的特點與相關規程規定，以Delphi 7 為開發工具，利用第三方繪圖控件TCAD 與面向對象語言的特點，開發出具有實用價值的圖形化的煤礦電網繼電保護整定計算與管理系統。本軟件可以通過友好的人機界面，實現一次系統圖的繪制、煤礦電網的故障計算、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。
關鍵詞：繼電保護;煤礦電網;軟件;拓撲分析
0、引言
我國的電力系統中利用軟件進行電網繼電保護整定計算早已經推廣普及，并且取得了非常好的經濟效益和社會效益。而煤礦電網由于重視不足及客觀條件的限制，目前煤礦電氣技術人員進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。
煤礦電網大多以單端輻射狀供電為主，高壓短線路較多，負荷與供電結構需要經常地變動，同時煤礦生產的工作條件具有特殊性：主要負荷集中在井下，環境相對惡劣。所以煤礦企業的供電和電氣設備與普通電力用戶相比有其特殊地方，并且對繼電保護有更高的要求[1]。
本文利用目前先進的軟件編程技術Delphi 7[2]，開發出具有實用價值的圖形化的煤礦電網繼電保護整定計算與管理系統，實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行管理。整個系統操作簡單、方便、靈活，使保護整定技術人員的工作量降低到最小[3]。
1、煤礦電網供電結構與繼電保護配置原則
1.1 煤礦電網供電結構
《煤礦安全生產規程》中規定：每一礦井應有兩回電源線路。當任一回進線發生故障停止供電，另一回進線應能擔負整個煤礦的全部負荷。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，確保煤礦生產過程中供電的連續性、可靠性。
煤礦電網正常運行方式下，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與配電網兩者的特點，現將煤礦電網供電結構的特征總結如下：
1)煤礦電網供電結構在正常運行方式下為輻射狀類似于配電網，但傳輸線路上并無T型分支線路，同時也不存在像10kV 配網中的線路分段開關，其又具有輸電網的特點。
2)地面供電部分個電壓等級之間距離短，供電距離都在幾千米。而下井線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 煤礦電網繼電保護的配置原則
煤礦電網的繼電保護配置，應當滿足可靠性、選擇性、靈敏性及速動性四項基本要求[4]。
1)電保護的可靠性是指保護該動作是動作，不該動作時不動作。為保證可靠性應該選擇最簡單的保護方式。
2)電保護的選擇性是指由故障設備或線路本身的保護切除故障，當故障設備或線路本身的保護或斷路器失靈時，才有相鄰設備、線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，其靈敏系數及動作時間，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路的被保護范圍內發生金屬性短路時，保護裝置應具有必要的靈敏系數。由于煤礦電網的特殊工作環境，煤礦電網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，減輕故障設備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍。
“四性”也是煤礦電網繼電保護的基本要求，但是同電力行業不同的是，在這四個基本要求中，煤礦電網對繼電保護的可靠性要求高于電力行業，但是在靈敏性速動性方面的要求卻低于電力行業，這是煤炭行業的特殊性決定的。因此在必要的時候犧牲靈敏性提高可靠性是符合煤礦電網繼電保護要求的。
2、煤礦供電系統拓撲分析
煤礦電網結構拓撲分析[5，6，7]與電力系統中電網拓撲分析有相似之處，但是也有所不同：
電力系統中節點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開關設備的開閉而發生的，同時由于電力系統分析實時性要求較高，這樣拓撲分析程序要跟蹤開關的狀態快速的形成網路的拓撲結構;煤礦電網的規模與節點數遠小于電力系統中的電網，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采區變電所的變更，再者煤礦電網對整定軟件的實時性要求不高。
根據以上的分析并結合煤礦電網供電結構，由于煤礦電網中所有的開關都存在于各個變電所中，且接線都比較簡單，基本上為單母線分段，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關設備確定母線與支路的連接關系，最后通過電氣島分析把所有的母線與支路劃分成不同的電氣島。
2.1 母線分析
進行供電網絡的母線分析之前，己經通過繪圖軟件進行了原始的拓撲分析，建立了節點與開關之間的連接關系。在各變電所內應用廣度優先搜索法來進行搜索，將網絡中所有的通過閉合開關連接在一起的節點劃分為一條母線，同時得到母線與各支路的連接關系和各支路的運行狀態。
因為母線分析和電氣島分析所用到的搜索的算法都為廣度優先搜索法，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
在經過母線分析，建立起支路和母線之間的連接關系之后，電氣島分析采用廣度優先搜索的方法進行，即從某條母線開始，逐層推進，將通過支路連接在一起的所有的母線劃分為一個電氣島。
廣度優先搜索法采用了一個隊列來進行搜索計算。隊列的特點是先進先出，用隊列來記錄還沒有訪問過的母線的編號。具體做法是：從任一母線出發，得到和這個母線相關聯的所有的支路。對每條支路查詢，得到支路另一端的母線號，如果另一端的母線還沒有訪問過，則將母線號進隊列，搜索完與這個母線相關聯的所有支路后，從隊列頭取出下一個元素，重復上面的做法，直到隊列為空，就得到了一個連通的電氣島接著從下一個未曾被訪問的母線節點出發，直至所有的母線節點都被訪問過，對網絡中所有的母線都劃分了電氣島，全網拓撲結束。拓撲結束后，沒有被訪問過的支路即表示不帶電的孤立元件。
煤礦電網通常為輻射狀運行，根據《煤礦安全規程》的相關規定，煤礦電網應具有兩個或兩個以上的電源，正常情況下這些電源應采用分列運行的方式，也就是說電網不會出現環網。由于煤礦電網中的變電所數目較多，特別是年產量較大的煤礦，如濟寧三號煤礦僅井下變電所就有7 座，在進行電網一次接線繪制時，可能因為母聯開關狀態選擇錯誤，難免就會產生環網，從而使繼電保護定值計算產生錯誤。為此，在網絡拓撲時，很有必要進行環網搜索，以利于開關狀態的修改。
判斷存在環網的邏輯很簡單，就是當進行電氣島分析時，已經被搜索過(己經設置的搜索標志)的母線再次被搜索到時，就產生了環網，或是在去除懸空節點和支路后，母線數不為支路數加1。在拓撲過程中發現環網存在，程序應發出提示信息，讓電氣技術人員檢查并修正母聯開關的狀態，使電網成輻射狀結構。
3、圖形平臺的設計與實現
應用計算機技術，通過提供可視化的界面，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，它提供一個友好開放的平臺，用戶可以利用這個平臺去進行煤礦電網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 圖元的構成與實現
3.2.1 圖元的外觀實現
本軟件設計時利用湖州鴻迪科技發展有限公司開發的第三方控件—TCAD XP 矢量圖形引擎，在應用程序開發中僅通過鼠標控制就可以非常簡單的創建、使用矢量圖形。
本軟件中煤礦電網設備的圖元設計是利用TCAD 中的庫管理工具(TCAD LibraryManager Tool)進行，在此工作平臺上可以很方便的進行圖元設計，其界面如圖4 所示。國科技論文在線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圈、低壓側線圈、高壓側引出線、低壓側引出線，然后在需要對外連接的部分設置連接點,以方便連接線工具連接兩個設備對象，最后把所繪的6 個部分“全選”并進行組合，使之成為一個整體。
3.2.2 圖元的電氣屬性
圖元類要能夠反映真實設備的電氣特征，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：
1)原始參數：這部分參數要求用戶輸入設備的基本電氣屬性，可以直接從設備銘牌或相關資料中得到，是進行阻抗折算與間接參數計算的基礎。
2)故障計算參數：進行煤礦電網故障計算所需要的數據，一般是利用設備的原始參數進行換算，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具有這三類參數，這要看該設備是否與故障分析和保護整定有關，比如連接線就三類都沒有，因為它僅僅完成圖形連接功能，對計算與保護無影響，母線電氣屬性只有原始參數，線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。圖6 所示配電變壓器屬性輸入對話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
圖元類除了具有外觀與屬性之外，還要能夠在繪圖過程中對其進行一般的編輯操作，這樣才能方便地用它來實現系統的圖形建模。按照作用不同可以將編輯操作分為如下幾類：
1) 常規編輯操作主要是繪圖過程中對圖元進行選中、移動、旋轉、復制、剪切、粘貼、刪除操作，其中移動、旋轉、復制、剪切、粘貼、刪除中都只能是通過圖元的選中以后，在類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關設備狀態的改變兩個方面：
a)電氣設備原始參數更改當圖元的電氣參數需要修改時，通過雙擊圖元調出設備屬性的對話框，在其中重新輸入需要更改的原始參數，點擊計算并保存即可。
b)開關設備狀態參數改變電網中設備的運行情況通過所開關設備控制，而且煤礦電網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關設備所決定的，因此開關設備運行情況包括目前開關狀態(系統默認為閉合狀態)與最大最小運行方式下開關狀態兩部分，同時圖元的形狀要隨著改觀目前狀態的改變而變化，圖7 為高壓防爆開關的屬性對話框。
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部分。
系統參數數據庫主要保存系統信息：系統顏色表、用戶工程目錄表、打印設置表(打印紙設置)、用戶對數據的精度要求表(精度表格)、系統電壓表(平均電壓)、系統用戶表(用戶表格)、設備基礎參數表(如各種礦用電纜阻抗參數)以及用戶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型保護整定計算結果如保護類型、整定計算原則(過程)、定值等進行查詢、修改與定值輸出等進行操作。
4.2.1 保護定值數據庫
在保護整定計算結束后，通過“整定結果查詢”選項，將所需查詢的定值結果全部導出到一個由網格組件(DBGrid)為主體的顯示窗口，在新的窗口中查看顯示某種保護類型的計算結果，圖9 為階段式電流保護定值查詢窗口。本系統中涉及的定值數據庫根據保護類型的不同分為，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、高壓電動機保護定值表、電容器保護定值表等，各類型保護定值數據表的結構及字段設計，僅以線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潔、清晰，便于繼電保護整定工作人員與現場電氣操作人員聯系，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 進行設計的。使用Rave 中報表設計器，可以很方便的設計用戶所需要的表格樣式，然后利用Rave 組件面板中的【RvdataSetConnection】組件實現和數據集的連接，最后通過顯示組件中的【DataTaxt】、【DataMemo】、【CalcText】、【Region】組件實現數據輸出顯示。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與電力系統供電的特點比較分析，歸納出煤礦電網繼電保護的基本原則，同時在母線分析的基礎上進行電氣島分析，進而完成整個供電網絡的拓撲分析。軟件設計以Delphi 7 為開發工具，利用第三方繪圖控件TCAD 與面向對象語言的特點，實現了繼電保護整定計算與管理的功能，對于煤礦電網的繼電保護水平的提高有一定的指導意義。
[參考文獻] (References)
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