煤矿电网继电保护整定软件的研究与开发
摘要：本文根据煤矿企业供电系统结构的特点与相关规程规定，以Delphi 7 为开发工具，利用第三方绘图控件TCAD 与面向对象语言的特点，开发出具有实用价值的图形化的煤矿电网继电保护整定计算与管理系统。本软件可以通过友好的人机界面，实现一次系统图的绘制、煤矿电网的故障计算、高压电气设备的继电保护整定计算以及数据管理等功能，提高了继电保护整定计算与管理水平。
关键词：继电保护;煤矿电网;软件;拓扑分析
0、引言
我国的电力系统中利用软件进行电网继电保护整定计算早已经推广普及，并且取得了非常好的经济效益和社会效益。而煤矿电网由于重视不足及客观条件的限制，目前煤矿电气技术人员进行继电保护整定的手段比较落后，很多地方还是沿用传统的手工计算和整定。
煤矿电网大多以单端辐射状供电为主，高压短线路较多，负荷与供电结构需要经常地变动，同时煤矿生产的工作条件具有特殊性：主要负荷集中在井下，环境相对恶劣。所以煤矿企业的供电和电气设备与普通电力用户相比有其特殊地方，并且对继电保护有更高的要求[1]。
本文利用目前先进的软件编程技术Delphi 7[2]，开发出具有实用价值的图形化的煤矿电网继电保护整定计算与管理系统，实现对供电系统中高压电气设备参数、继电保护配置、保护整定计算及继电保护定值单等进行管理。整个系统操作简单、方便、灵活，使保护整定技术人员的工作量降低到最小[3]。
1、煤矿电网供电结构与继电保护配置原则
1.1 煤矿电网供电结构
《煤矿安全生产规程》中规定：每一矿井应有两回电源线路。当任一回进线发生故障停止供电，另一回进线应能担负整个煤矿的全部负荷。不仅是煤矿35kV 或110kV 变电所，其他井下各采区变电所等，也是采用一回路运行，另一回路带电备用方式，确保煤矿生产过程中供电的连续性、可靠性。
煤矿电网正常运行方式下，整体上是辐射状结构。从细节上看它结合了电力系统中的输电网与配电网两者的特点，现将煤矿电网供电结构的特征总结如下：
1)煤矿电网供电结构在正常运行方式下为辐射状类似于配电网，但传输线路上并无T型分支线路，同时也不存在像10kV 配网中的线路分段开关，其又具有输电网的特点。
2)地面供电部分个电压等级之间距离短，供电距离都在几千米。而下井线路相同电压等级下供电分级较多，其中央变电所以下部分每一级之间供电距离大都很短，供电距离大都为数百米。
1.2 煤矿电网继电保护的配置原则
煤矿电网的继电保护配置，应当满足可靠性、选择性、灵敏性及速动性四项基本要求[4]。
1)电保护的可靠性是指保护该动作是动作，不该动作时不动作。为保证可靠性应该选择最简单的保护方式。
2)电保护的选择性是指由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器失灵时，才有相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。
3)电保护的灵敏性是指设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数。由于煤矿电网的特殊工作环境，煤矿电网地面供电部分保护的灵敏度可以适度的降低用以提高可靠性。
4)电保护的速动性是指保护装置应能尽快的切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围。
“四性”也是煤矿电网继电保护的基本要求，但是同电力行业不同的是，在这四个基本要求中，煤矿电网对继电保护的可靠性要求高于电力行业，但是在灵敏性速动性方面的要求却低于电力行业，这是煤炭行业的特殊性决定的。因此在必要的时候牺牲灵敏性提高可靠性是符合煤矿电网继电保护要求的。
2、煤矿供电系统拓扑分析
煤矿电网结构拓扑分析[5，6，7]与电力系统中电网拓扑分析有相似之处，但是也有所不同：
电力系统中节点数目多且运行方式比较复杂，其拓扑结构的变更大都是通过开关设备的开闭而发生的，同时由于电力系统分析实时性要求较高，这样拓扑分析程序要跟踪开关的状态快速的形成网路的拓扑结构;煤矿电网的规模与节点数远小于电力系统中的电网，且运行方式单一，其拓扑结构的改变大都是由于负荷设备的变更引起的，比如采区变电所变压器的转移或是由于采面的搬迁引起整个采区变电所的变更，再者煤矿电网对整定软件的实时性要求不高。
根据以上的分析并结合煤矿电网供电结构，由于煤矿电网中所有的开关都存在于各个变电所中，且接线都比较简单，基本上为单母线分段，因此拓扑分析的第一步可以搜索各变电所中所有闭合的开关设备确定母线与支路的连接关系，最后通过电气岛分析把所有的母线与支路划分成不同的电气岛。
2.1 母线分析
进行供电网络的母线分析之前，己经通过绘图软件进行了原始的拓扑分析，建立了节点与开关之间的连接关系。在各变电所内应用广度优先搜索法来进行搜索，将网络中所有的通过闭合开关连接在一起的节点划分为一条母线，同时得到母线与各支路的连接关系和各支路的运行状态。
因为母线分析和电气岛分析所用到的搜索的算法都为广度优先搜索法，唯一不同的只是所计算的对象不同，所以搜索算法的流程图只在电气岛分析中列出。
2.2 电气岛分析
在经过母线分析，建立起支路和母线之间的连接关系之后，电气岛分析采用广度优先搜索的方法进行，即从某条母线开始，逐层推进，将通过支路连接在一起的所有的母线划分为一个电气岛。
广度优先搜索法采用了一个队列来进行搜索计算。队列的特点是先进先出，用队列来记录还没有访问过的母线的编号。具体做法是：从任一母线出发，得到和这个母线相关联的所有的支路。对每条支路查询，得到支路另一端的母线号，如果另一端的母线还没有访问过，则将母线号进队列，搜索完与这个母线相关联的所有支路后，从队列头取出下一个元素，重复上面的做法，直到队列为空，就得到了一个连通的电气岛接着从下一个未曾被访问的母线节点出发，直至所有的母线节点都被访问过，对网络中所有的母线都划分了电气岛，全网拓扑结束。拓扑结束后，没有被访问过的支路即表示不带电的孤立元件。
煤矿电网通常为辐射状运行，根据《煤矿安全规程》的相关规定，煤矿电网应具有两个或两个以上的电源，正常情况下这些电源应采用分列运行的方式，也就是说电网不会出现环网。由于煤矿电网中的变电所数目较多，特别是年产量较大的煤矿，如济宁三号煤矿仅井下变电所就有7 座，在进行电网一次接线绘制时，可能因为母联开关状态选择错误，难免就会产生环网，从而使继电保护定值计算产生错误。为此，在网络拓扑时，很有必要进行环网搜索，以利于开关状态的修改。
判断存在环网的逻辑很简单，就是当进行电气岛分析时，已经被搜索过(己经设置的搜索标志)的母线再次被搜索到时，就产生了环网，或是在去除悬空节点和支路后，母线数不为支路数加1。在拓扑过程中发现环网存在，程序应发出提示信息，让电气技术人员检查并修正母联开关的状态，使电网成辐射状结构。
3、图形平台的设计与实现
应用计算机技术，通过提供可视化的界面，使原本枯燥的短路电流计算和保护整定计算变得形象、具体，它提供一个友好开放的平台，用户可以利用这个平台去进行煤矿电网中的故障计算和继电保护整定[8]。
3.1 图形平台功能与结构
本文结合图形平台系统的要求，按照软件分层设计的思想，把整个图形平台的功能结构划分为从下至上的四层，其具体的`功能结构，如图3 所示。
3.2 图元的构成与实现
3.2.1 图元的外观实现
本软件设计时利用湖州鸿迪科技发展有限公司开发的第三方控件—TCAD XP 矢量图形引擎，在应用程序开发中仅通过鼠标控制就可以非常简单的创建、使用矢量图形。
本软件中煤矿电网设备的图元设计是利用TCAD 中的库管理工具(TCAD LibraryManager Tool)进行，在此工作平台上可以很方便的进行图元设计，其界面如图4 所示。国科技论文在线图元设计首先在绘图板上绘出设备的标准的图形符号，以地面配电变压器为例，分别绘出变压器的高压侧线圈、低压侧线圈、高压侧引出线、低压侧引出线，然后在需要对外连接的部分设置连接点,以方便连接线工具连接两个设备对象，最后把所绘的6 个部分“全选”并进行组合，使之成为一个整体。
3.2.2 图元的电气属性
图元类要能够反映真实设备的电气特征，所以必须将其与相应设备的电气特性相对应。
根据继电保护整定计算需要，将图元的电气属性参数分为以下三类：
1)原始参数：这部分参数要求用户输入设备的基本电气属性，可以直接从设备铭牌或相关资料中得到，是进行阻抗折算与间接参数计算的基础。
2)故障计算参数：进行煤矿电网故障计算所需要的数据，一般是利用设备的原始参数进行换算，生成故障计算所需的正序阻抗有名值或标么值。
3)保护整定参数：进行保护整定需要提供的参数，按照保护的原理从原始参数计算得到。
当然并不是所有图元都同时具有这三类参数，这要看该设备是否与故障分析和保护整定有关，比如连接线就三类都没有，因为它仅仅完成图形连接功能，对计算与保护无影响，母线电气属性只有原始参数，线路元件只有原始参数与故障计算参数，而配电变压器三者都有。
图5 所示为配电变压器的电气属性分类。图6 所示配电变压器属性输入对话框中原始参数要求直接输入，而故障计算与保护整定部分的参数只需点击计算按钮，便可由原始参数计算得到。
3.2.3 图元的编辑与操作
图元类除了具有外观与属性之外，还要能够在绘图过程中对其进行一般的编辑操作，这样才能方便地用它来实现系统的图形建模。按照作用不同可以将编辑操作分为如下几类：
1) 常规编辑操作主要是绘图过程中对图元进行选中、移动、旋转、复制、剪切、粘贴、删除操作，其中移动、旋转、复制、剪切、粘贴、删除中都只能是通过图元的选中以后，在类的外部以全局方法操作。
2) 电气属性编辑图元电气属性的编辑主要包括电气设备原始参数的更改与开关设备状态的改变两个方面：
a)电气设备原始参数更改当图元的电气参数需要修改时，通过双击图元调出设备属性的对话框，在其中重新输入需要更改的原始参数，点击计算并保存即可。
b)开关设备状态参数改变电网中设备的运行情况通过所开关设备控制，而且煤矿电网继电保护计算中的最大运行方式、最小运行方式也是由系统中的开关设备所决定的，因此开关设备运行情况包括目前开关状态(系统默认为闭合状态)与最大最小运行方式下开关状态两部分，同时图元的形状要随着改观目前状态的改变而变化，图7 为高压防爆开关的属性对话框。
4、系统的数据库设计
4.1 数据库整体结构
本系统根据实际使用情况将数据库分为，系统参数数据库和工程参数数据库两个部分。
系统参数数据库主要保存系统信息：系统颜色表、用户工程目录表、打印设置表(打印纸设置)、用户对数据的精度要求表(精度表格)、系统电压表(平均电压)、系统用户表(用户表格)、设备基础参数表(如各种矿用电缆阻抗参数)以及用户生成的保护定值报表。
需要指出的是本数据库保存的是重要资料，数据库中各表之间相互独立，分别保存各种系统参数信息，由管理员实行密码管理，可以防止意外或恶意修改数据，增强数据库的安全性[9，10，11]。
用户工程数据库根据表的作用可以分为：一次设备库、整定值库、保护原则库、计算结果库。
4.2 保护整定结果管理
保护整定结果管理主要对各种类型保护整定计算结果如保护类型、整定计算原则(过程)、定值等进行查询、修改与定值输出等进行操作。
4.2.1 保护定值数据库
在保护整定计算结束后，通过“整定结果查询”选项，将所需查询的定值结果全部导出到一个由网格组件(DBGrid)为主体的显示窗口，在新的窗口中查看显示某种保护类型的计算结果，图9 为阶段式电流保护定值查询窗口。本系统中涉及的定值数据库根据保护类型的不同分为，阶段式电流保护定值表、主变保护定值表、配电变压器保护定值表、高压电动机保护定值表、电容器保护定值表等，各类型保护定值数据表的结构及字段设计，仅以线路阶段式电流保护为例，其结构如图10 所示。
4.2.2 保护定值的报表输出
保护定值结果除了可以保存到数据库外，还应该能以报表的格式输出。以报表形式输出的定值通知单简洁、清晰，便于继电保护整定工作人员与现场电气操作人员联系，极大方便了继电保护定值的管理工作，因此本软件提供了报表输出功能。
本系统中定值报表是使用Delphi 7 中集成的报表工具Rave 进行设计的。使用Rave 中报表设计器，可以很方便的设计用户所需要的表格样式，然后利用Rave 组件面板中的【RvdataSetConnection】组件实现和数据集的连接，最后通过显示组件中的【DataTaxt】、【DataMemo】、【CalcText】、【Region】组件实现数据输出显示。报表设计界面如图11所示，生成的报表如图12 所示。
5、结论
本文首先对煤矿电网与电力系统供电的特点比较分析，归纳出煤矿电网继电保护的基本原则，同时在母线分析的基础上进行电气岛分析，进而完成整个供电网络的拓扑分析。软件设计以Delphi 7 为开发工具，利用第三方绘图控件TCAD 与面向对象语言的特点，实现了继电保护整定计算与管理的功能，对于煤矿电网的继电保护水平的提高有一定的指导意义。
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