煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)整定軟件的研究與開發(fā)

1、煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)整定軟件的研究與開發(fā)                 摘要：本文根據(jù)煤礦企業(yè)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與相關(guān)規(guī)程規(guī)定，以Delphi 7 為開發(fā)工具，利用第三方繪圖控件TCAD 與面向?qū)ο笳Z言的特點(diǎn)，開發(fā)出具有實(shí)用價值的圖形化的煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算與管理系統(tǒng)。本軟件可以通過友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)圖的繪制、煤礦電網(wǎng)的故障計(jì)算、高壓電氣設(shè)備的繼電保護(hù)整定計(jì)算以及數(shù)據(jù)管理等功能，提高了繼電保護(hù)整定計(jì)算與管理水平。關(guān)鍵詞：繼電

2、保護(hù);煤礦電網(wǎng);軟件;拓?fù)浞治?、引言我國的電力系統(tǒng)中利用軟件進(jìn)行電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算早已經(jīng)推廣普及，并且取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。而煤礦電網(wǎng)由于重視不足及客觀條件的限制，目前煤礦電氣技術(shù)人員進(jìn)行繼電保護(hù)整定的手段比較落后，很多地方還是沿用傳統(tǒng)的手工計(jì)算和整定。煤礦電網(wǎng)大多以單端輻射狀供電為主，高壓短線路較多，負(fù)荷與供電結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常地變動，同時煤礦生產(chǎn)的工作條件具有特殊性：主要負(fù)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(shè)備與普通電力用戶相比有其特殊地方，并且對繼電保護(hù)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 72，開發(fā)出具有實(shí)用價值的圖形化的煤礦電網(wǎng)繼電保

3、護(hù)整定計(jì)算與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)中高壓電氣設(shè)備參數(shù)、繼電保護(hù)配置、保護(hù)整定計(jì)算及繼電保護(hù)定值單等進(jìn)行管理。整個系統(tǒng)操作簡單、方便、靈活，使保護(hù)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(jié)構(gòu)與繼電保護(hù)配置原則1.1 煤礦電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程中規(guī)定：每一礦井應(yīng)有兩回電源線路。當(dāng)任一回進(jìn)線發(fā)生故障停止供電，另一回進(jìn)線應(yīng)能擔(dān)負(fù)整個煤礦的全部負(fù)荷。不僅是煤礦35kV 或110kV 變電所，其他井下各采區(qū)變電所等，也是采用一回路運(yùn)行，另一回路帶電備用方式，確保煤礦生產(chǎn)過程中供電的連續(xù)性、可靠性。煤礦電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下，整體上是輻射狀結(jié)構(gòu)。從細(xì)節(jié)上看它結(jié)合了電力系統(tǒng)中的輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)兩者

4、的特點(diǎn)，現(xiàn)將煤礦電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)的特征總結(jié)如下：1)煤礦電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行方式下為輻射狀類似于配電網(wǎng)，但傳輸線路上并無T型分支線路，同時也不存在像10kV 配網(wǎng)中的線路分段開關(guān)，其又具有輸電網(wǎng)的特點(diǎn)。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(shù)百米。1.2 煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置原則煤礦電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置，應(yīng)當(dāng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性及速動性四項(xiàng)基本要求4。1)電保護(hù)的可靠性是指保護(hù)該動作是動作，不該動作時不動作。為保證可靠性應(yīng)該選擇最簡單的保護(hù)方式。2)電保護(hù)的選擇性是指由故

5、障設(shè)備或線路本身的保護(hù)切除故障，當(dāng)故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)或斷路器失靈時，才有相鄰設(shè)備、線路的保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)切除故障。為保證選擇性，對相鄰設(shè)備和線路有配合要求的保護(hù)和同一保護(hù)內(nèi)有配合要求的兩元件，其靈敏系數(shù)及動作時間，在一般情況下應(yīng)相互配合。3)電保護(hù)的靈敏性是指設(shè)備或線路的被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生金屬性短路時，保護(hù)裝置應(yīng)具有必要的靈敏系數(shù)。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(hù)的靈敏度可以適度的降低用以提高可靠性。4)電保護(hù)的速動性是指保護(hù)裝置應(yīng)能盡快的切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍?！八男浴币彩敲旱V電網(wǎng)繼電保護(hù)的基本要求，但

6、是同電力行業(yè)不同的是，在這四個基本要求中，煤礦電網(wǎng)對繼電保護(hù)的可靠性要求高于電力行業(yè)，但是在靈敏性速動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。因此在必要的時候犧牲靈敏性提高可靠性是符合煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)要求的。2、煤礦供電系統(tǒng)拓?fù)浞治雒旱V電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治?，6，7與電力系統(tǒng)中電網(wǎng)拓?fù)浞治鲇邢嗨浦帲且灿兴煌弘娏ο到y(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目多且運(yùn)行方式比較復(fù)雜，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變更大都是通過開關(guān)設(shè)備的開閉而發(fā)生的，同時由于電力系統(tǒng)分析實(shí)時性要求較高，這樣拓?fù)浞治龀绦蛞欓_關(guān)的狀態(tài)快速的形成網(wǎng)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);煤礦電網(wǎng)的規(guī)模與節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)小于電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)，且運(yùn)行方式單一，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變大都是由

7、于負(fù)荷設(shè)備的變更引起的，比如采區(qū)變電所變壓器的轉(zhuǎn)移或是由于采面的搬遷引起整個采區(qū)變電所的變更，再者煤礦電網(wǎng)對整定軟件的實(shí)時性要求不高。根據(jù)以上的分析并結(jié)合煤礦電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，由于煤礦電網(wǎng)中所有的開關(guān)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?fù)浞治龅牡谝徊娇梢运阉鞲髯冸娝兴虚]合的開關(guān)設(shè)備確定母線與支路的連接關(guān)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(jìn)行供電網(wǎng)絡(luò)的母線分析之前，己經(jīng)通過繪圖軟件進(jìn)行了原始的拓?fù)浞治?，建立了?jié)點(diǎn)與開關(guān)之間的連接關(guān)系。在各變電所內(nèi)應(yīng)用廣度優(yōu)先搜索法來進(jìn)行搜索，將網(wǎng)絡(luò)中所有的通過閉合開關(guān)連接在一起的節(jié)點(diǎn)劃分為一

8、條母線，同時得到母線與各支路的連接關(guān)系和各支路的運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)槟妇€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(jì)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)過母線分析，建立起支路和母線之間的連接關(guān)系之后，電氣島分析采用廣度優(yōu)先搜索的方法進(jìn)行，即從某條母線開始，逐層推進(jìn)，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(yōu)先搜索法采用了一個隊(duì)列來進(jìn)行搜索計(jì)算。隊(duì)列的特點(diǎn)是先進(jìn)先出，用隊(duì)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(fā)，得到和這個母線相關(guān)聯(lián)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

9、線還沒有訪問過，則將母線號進(jìn)隊(duì)列，搜索完與這個母線相關(guān)聯(lián)的所有支路后，從隊(duì)列頭取出下一個元素，重復(fù)上面的做法，直到隊(duì)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(jié)點(diǎn)出發(fā)，直至所有的母線節(jié)點(diǎn)都被訪問過，對網(wǎng)絡(luò)中所有的母線都劃分了電氣島，全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)束。拓?fù)浣Y(jié)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(wǎng)通常為輻射狀運(yùn)行，根據(jù)煤礦安全規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，煤礦電網(wǎng)應(yīng)具有兩個或兩個以上的電源，正常情況下這些電源應(yīng)采用分列運(yùn)行的方式，也就是說電網(wǎng)不會出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)。由于煤礦電網(wǎng)中的變電所數(shù)目較多，特別是年產(chǎn)量較大的煤礦，如濟(jì)寧三號煤礦僅井下變電所就有7 座，在進(jìn)行電網(wǎng)一次接線繪制時，可能因

10、為母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)選擇錯誤，難免就會產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)，從而使繼電保護(hù)定值計(jì)算產(chǎn)生錯誤。為此，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，很有必要進(jìn)行環(huán)網(wǎng)搜索，以利于開關(guān)狀態(tài)的修改。判斷存在環(huán)網(wǎng)的邏輯很簡單，就是當(dāng)進(jìn)行電氣島分析時，已經(jīng)被搜索過(己經(jīng)設(shè)置的搜索標(biāo)志)的母線再次被搜索到時，就產(chǎn)生了環(huán)網(wǎng)，或是在去除懸空節(jié)點(diǎn)和支路后，母線數(shù)不為支路數(shù)加1。在拓?fù)溥^程中發(fā)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)存在，程序應(yīng)發(fā)出提示信息，讓電氣技術(shù)人員檢查并修正母聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)，使電網(wǎng)成輻射狀結(jié)構(gòu)。3、圖形平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過提供可視化的界面，使原本枯燥的短路電流計(jì)算和保護(hù)整定計(jì)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(jìn)行煤礦電網(wǎng)中的故障計(jì)

11、算和繼電保護(hù)整定8。3.1 圖形平臺功能與結(jié)構(gòu)本文結(jié)合圖形平臺系統(tǒng)的要求，按照軟件分層設(shè)計(jì)的思想，把整個圖形平臺的功能結(jié)構(gòu)劃分為從下至上的四層，其具體的功能結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。3.2 圖元的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)本軟件設(shè)計(jì)時利用湖州鴻迪科技發(fā)展有限公司開發(fā)的第三方控件TCAD XP 矢量圖形引擎，在應(yīng)用程序開發(fā)中僅通過鼠標(biāo)控制就可以非常簡單的創(chuàng)建、使用矢量圖形。本軟件中煤礦電網(wǎng)設(shè)備的圖元設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，其界面如圖4 所示。國科技論文在線圖元設(shè)計(jì)首先在繪圖板上繪出設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)的圖形符號，以地面配

12、電變壓器為例，分別繪出變壓器的高壓側(cè)線圈、低壓側(cè)線圈、高壓側(cè)引出線、低壓側(cè)引出線，然后在需要對外連接的部分設(shè)置連接點(diǎn),以方便連接線工具連接兩個設(shè)備對象，最后把所繪的6 個部分“全選”并進(jìn)行組合，使之成為一個整體。圖元類要能夠反映真實(shí)設(shè)備的電氣特征，所以必須將其與相應(yīng)設(shè)備的電氣特性相對應(yīng)。根據(jù)繼電保護(hù)整定計(jì)算需要，將圖元的電氣屬性參數(shù)分為以下三類：1)原始參數(shù)：這部分參數(shù)要求用戶輸入設(shè)備的基本電氣屬性，可以直接從設(shè)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(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。2)故障計(jì)算參數(shù)：進(jìn)行煤礦電網(wǎng)故障計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)，一般是利用設(shè)備的原始參數(shù)進(jìn)行換算，生成故障計(jì)算所需的正序阻抗有名值或標(biāo)么

13、值。3)保護(hù)整定參數(shù)：進(jìn)行保護(hù)整定需要提供的參數(shù)，按照保護(hù)的原理從原始參數(shù)計(jì)算得到。當(dāng)然并不是所有圖元都同時具有這三類參數(shù)，這要看該設(shè)備是否與故障分析和保護(hù)整定有關(guān)，比如連接線就三類都沒有，因?yàn)樗鼉H僅完成圖形連接功能，對計(jì)算與保護(hù)無影響，母線電氣屬性只有原始參數(shù)，線路元件只有原始參數(shù)與故障計(jì)算參數(shù)，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(shù)要求直接輸入，而故障計(jì)算與保護(hù)整定部分的參數(shù)只需點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，便可由原始參數(shù)計(jì)算得到。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(jìn)行一般的編輯操作，這樣才能方便地用它來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的圖形建

14、模。按照作用不同可以將編輯操作分為如下幾類：1) 常規(guī)編輯操作主要是繪圖過程中對圖元進(jìn)行選中、移動、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制、剪切、粘貼、刪除操作，其中移動、旋轉(zhuǎn)、復(fù)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(shè)備原始參數(shù)的更改與開關(guān)設(shè)備狀態(tài)的改變兩個方面：a)電氣設(shè)備原始參數(shù)更改當(dāng)圖元的電氣參數(shù)需要修改時，通過雙擊圖元調(diào)出設(shè)備屬性的對話框，在其中重新輸入需要更改的原始參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算并保存即可。b)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)改變電網(wǎng)中設(shè)備的運(yùn)行情況通過所開關(guān)設(shè)備控制，而且煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)計(jì)算中的最大運(yùn)行方式、最小運(yùn)行方式也是由系統(tǒng)中的開關(guān)

15、設(shè)備所決定的，因此開關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況包括目前開關(guān)狀態(tài)(系統(tǒng)默認(rèn)為閉合狀態(tài))與最大最小運(yùn)行方式下開關(guān)狀態(tài)兩部分，同時圖元的形狀要隨著改觀目前狀態(tài)的改變而變化，圖7 為高壓防爆開關(guān)的屬性對話框。4、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)4.1 數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際使用情況將數(shù)據(jù)庫分為，系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫和工程參數(shù)數(shù)據(jù)庫兩個部分。系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫主要保存系統(tǒng)信息：系統(tǒng)顏色表、用戶工程目錄表、打印設(shè)置表(打印紙?jiān)O(shè)置)、用戶對數(shù)據(jù)的精度要求表(精度表格)、系統(tǒng)電壓表(平均電壓)、系統(tǒng)用戶表(用戶表格)、設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)表(如各種礦用電纜阻抗參數(shù))以及用戶生成的保護(hù)定值報(bào)表。需要指出的是本數(shù)據(jù)庫保存的是重要資料，數(shù)據(jù)庫中各表之間相

16、互獨(dú)立，分別保存各種系統(tǒng)參數(shù)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(shù)據(jù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的安全性9，10，11。用戶工程數(shù)據(jù)庫根據(jù)表的作用可以分為：一次設(shè)備庫、整定值庫、保護(hù)原則庫、計(jì)算結(jié)果庫。4.2 保護(hù)整定結(jié)果管理保護(hù)整定結(jié)果管理主要對各種類型保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果如保護(hù)類型、整定計(jì)算原則(過程)、定值等進(jìn)行查詢、修改與定值輸出等進(jìn)行操作。在保護(hù)整定計(jì)算結(jié)束后，通過“整定結(jié)果查詢”選項(xiàng)，將所需查詢的定值結(jié)果全部導(dǎo)出到一個由網(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(hù)類型的計(jì)算結(jié)果，圖9 為階段式電流保護(hù)定值查詢窗口。本系統(tǒng)中涉及的定值數(shù)據(jù)庫根據(jù)保護(hù)類型的不同分為，

17、階段式電流保護(hù)定值表、主變保護(hù)定值表、配電變壓器保護(hù)定值表、高壓電動機(jī)保護(hù)定值表、電容器保護(hù)定值表等，各類型保護(hù)定值數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)及字段設(shè)計(jì)，僅以線路階段式電流保護(hù)為例，其結(jié)構(gòu)如圖10 所示。保護(hù)定值結(jié)果除了可以保存到數(shù)據(jù)庫外，還應(yīng)該能以報(bào)表的格式輸出。以報(bào)表形式輸出的定值通知單簡潔、清晰，便于繼電保護(hù)整定工作人員與現(xiàn)場電氣操作人員聯(lián)系，極大方便了繼電保護(hù)定值的管理工作，因此本軟件提供了報(bào)表輸出功能。本系統(tǒng)中定值報(bào)表是使用Delphi 7 中集成的報(bào)表工具Rave 進(jìn)行設(shè)計(jì)的。使用Rave 中報(bào)表設(shè)計(jì)器，可以很方便的設(shè)計(jì)用戶所需要的表格樣式，然后利用Rave 組件面板中的【RvdataSetCo

18、nnection】組件實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)集的連接，最后通過顯示組件中的【DataTaxt】、【DataMemo】、【CalcText】、【Region】組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出顯示。報(bào)表設(shè)計(jì)界面如圖11所示，生成的報(bào)表如圖12 所示。5、結(jié)論本文首先對煤礦電網(wǎng)與電力系統(tǒng)供電的特點(diǎn)比較分析，歸納出煤礦電網(wǎng)繼電保護(hù)的基本原則，同時在母線分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行電氣島分析，進(jìn)而完成整個供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治?。軟件設(shè)計(jì)以Delphi 7 為開發(fā)工具，利用第三方繪圖控件TCAD 與面向?qū)ο笳Z言的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)整定計(jì)算與管理的功能，對于煤礦電網(wǎng)的繼電保護(hù)水平的提高有一定的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn) (References)1 <煤礦安全規(guī)程>讀本編委會.煤礦安全規(guī)程讀本M.煤炭工業(yè)出版