（电力系统及其自动化专业论文）矿山电网自动化系统的应用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o a lm i n ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sc e n t r a l i z i n gl o a d s ， t e r r i b l er u n n i n gc i r c u m s t a n c e s ，h i g h 自r e q u i r e m e n t sf o rp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , e t c t oe s t a b l i s hi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi nu n d e r g r o u n dm i n ei so fs i g n i f i c a n t i m p o r t a n c ef o rs a f ea n d r e l i a b l en m n i n g t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns o m ei s s u e se m e r g i n gi nt h ea p p l i c a t i o np r o c e s so f c o a lm i n ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m ah y b r i de t h e m e t h i e r a r c h i c a la n d d i s t r i b u t e ds t r u c t u r ew i mf i b e r 鹪m a i nc o m m u n i c a t i o nm o d ea n dr s - 4 8 5 鹳 s e c o n d a r ym o d ew a sd e s i g n e db a s e do nt h es p e c i f i ce l e c t r i cc o n d i t i o ni nu n d e r g r o u n d m i n e c o n s i d e r i n gc o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l e i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m ，ac o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o nw i t he m b e d d e de t h e m e t i n t e r f a c ew a sd e v e l o p e dw i t ht h ee l a b o r a t i o no nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n g m e t h o d s s i n c et h ee l e c t r i c a la c c i d e n t sr a t ei sr e l a t i v e l yh i g hi nu n d e r g r o u n dm i n e , f a u l td i a g n o s i ss h o u l db ea l li m p o r t a n ta s p e c ti nt h er e s e a r c hp r o c e s so fc o a lm i n e p o w e r 鲥di n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e dp e t r in e tt h e o r yt o t h ef a u l td i a g n o s i sp r o c e s s ，a n dd i s c u s s e dt h es o l u t i o no fs t a t ee x p l o s i o nw h e nt h i s m e t h o dw a sa p p l i e dt ol a r g e s c a l ep o w e r 鲥d u n i o nd e p o s i t i o nt e c h n i q u ew a su s e di n t h ep e t r in e tm o d e l i n gp r o c e s s a f t e rd e p o s i t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d e la n d s u b m o d e l sw a sd i s c u s s e da n dt h ec o n s i s t e n c yo ft h e i rd y n a m i cp e r f o r m a n c ew a s t e s t i f i e d au n i o nd e p o s i t i o ne x a m p l ew a sg i v e nb a s e do np r a c t i c a lw i r i n gd i a g r a mo f ac o a lm i n es u b s t a t i o nad i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt h i sw a sp u tf o r w a r d ；a n dr e l a t e d s o f t w a r ew a sd e s i g n e d a nu p p e r - p cm o n i t o r i n gs y s t e m w a sd e s i g n e d i t s d e v e l o p m e n tm e t h o dw a si n t r o d u t e da n d t h ei n t e r f a c e sw e r eg i v e n b e c a u s ee l e c t r i c a le q u i p m e n t ss w i t c hal o ta n dc a b l el e n g t ho f t e nc h a n g e si n u n d e r g r o u n dm i n e , p r o t e c t i o ns e t t i n gs h o u l db ed o n ef r e q u e n t l y as u m m a r yo ft h e r e c e n tr e s e a r c hf r u i t si na d a p t i v es e t t i n gf i e l dw a sg i v e na n da na d a p t i v es e t t i n g s y s t e mb a s e do nm a sw a sd e s i g n e da n de x p l a i n e d a ni n t e g r a t e dm o d e lb a s e d o n m a sw i t ht h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s ，a d a p t i v es e t t i n ga n dm o n i t o r i n g l i a b s t r a c t w a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：c o a l m i n ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i n t e g r a t e da u t o m a t i o n , c o m m u n i c a t i o n s u b s t a t i o n ，p e t r in e t ，i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s ，a d a p t i v es e t t i n g i l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：歹复z 岳已 硼彳年弓月f | 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：渡淋 伽弋年) 月f ( 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 矿山电网综合自动化系统具体指井下电网微机保护与控制综合自动化系 统。它将井下电网保护、控制、监视、测量、故障分析等功能集合在一起，目 的是提高供电可靠性和供电质量，减少停电时间、面积，使调度员根据监视情 况，在地面控制中心通过遥控、遥调等实现明智、必要的操作。煤矿电力网络 自动化系统是当前煤矿供电系统的主要发展方向。 我国是产煤大国，在一次能源构成中煤炭占7 5 ，预计到2 0 1 0 年占7 0 ， 2 0 5 0 年占6 5 。2 1 世纪煤炭在一次能源中的统治地位仍不会动摇，但煤炭工业 的可持续发展，必须依靠科技进步。煤矿企业对供电的要求是：供电可靠性高； 供电安全；供电经济；供电质量良好。矿山供电系统的合理性关系到电网的供 电质量、供电安全性能等方面。专家认为，2 l 世纪煤矿开采技术最为显著的特 点，是计算机技术的全面应用和其功能的最大发挥，并将主宰矿山。计算机技 术能够使规划、信息、控制和监测等不同部门融为一体，从而使煤矿整个系统 发生根本性的变化。煤矿电力网络自动化系统是当前煤矿供电系统的主要发展 方向，井下电力设备实现自动化监测、监控，对保证井下供配电设备正常运行， 确保供电系统安全意义重大。十几年来的应用表明，对矿山进行组网并开发综 合自动化系统已成为保障煤矿安全生产的重要技术手段。 1 2 变电站综合自动化系统的研究现状和发展趋势 矿山变电所自动化系统可以说是变电站综合自动化系统应用于某领域的一 个分支。变电站综合自动化系统是将变电站的二次设备( 包括控制、信号、测量、 保护自动装置及远动装置) 利用计算机技术、现代通信技术，经过功能组合和优 化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性自动化系统。 它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安全可靠、优质、 经济运行提供了现代化的手段和基础保证。它的应用将为变电站无人值班提供 第l 章绪论 强有力的数据采集及监控支持，在其基础上可以实现高水平的无人值班变电站 的管理。它包含微机保护、电网调度自动化、当地基础自动化，可实现电网完 全监控、电量非电量监测、设备参数自动调整、中央信号、当地电压无功综合 控制、事件按时排序、事故处理提示、微机监控、微机控制免维护直流电源供 电等。辐射力强、覆盖面广，在国内外都有广阔的使用前景，对保证电网安全 稳定运行，提高经济效益、社会效益有着重要意义。 1 2 1 变电站综合自动化系统的研究现状 经过近3 0 年的发展，目前变电站综合自动化系统已进入推广应用阶段。首 先是2 0 世纪8 0 年代基于微机型的r t u ( 远动测控单元) 装置出现，代替了布线 式远动装置，变电站实现了一定程度的自动化。微机型r t u 装置投入实用，实 现了变电站的“四遥”功能：遥控、遥测、遥调、遥信，使无人值班管理成为 可能。这种作法充分利用原有二次设备实现无人值守，系统中保护系统和远动 系统相对独立，结构简单，便于运行和维护，节省资金，它特别适用于常规变 电站的改造。 到2 0 世纪9 0 年代中期，基于分层分布式变电站综合自动化技术在我国开 始推广应用。这种模式变电站自动化系统集变电站保护、测量、监视和远方控 制于一体，替代了常规的变电站保护、仪表、中央信号、远动装置等二次设备， 通过变电站各种设备间相互交换信息、数据共享，实现对变电站运行的自动监 视、管理、协调和控制，提高了变电站保护和控制性能。 目前，据报道，在西欧、北美及日本等发达国家，绝大多数变电所( 包括 5 0 0k v ，3 8 0 k v 及以下等级变电所) 都已做到无人值班，且管理人员很少，其管 理水平、自动化程度及供电可靠性很高。我国在此方面的研究也迅速发展并取 得了一定的成绩。对变电站综合自动化技术的研究主要有两个方面：一是在中 低压变电所中采用变电所综合自动化技术以更好地实现无人值班达到减人增效 的目的；二是对高压变电所采用新的控制方式解决长期以来由于各专业在技术 上保持相对独立而造成的重复投资影响系统运行可靠性等问题。 总的来说，目前变电所综合自动化系统的研究集中在以下几个方面乜1 ： 进一步提高综合自动化系统的可靠性、安全性、经济性和可用性； 控制保护接口标准的制定； 2 第1 章绪论 组态模式的探讨； 人机界面( m m i ) 的改进； 应用多媒体技术，使电力调度与运行管理一体化，为无人值班提供强有 力的支持和保证。 1 2 2 变电站综合自动化系统的发展趋势 变电站综合自动化的未来将朝着网络化、平台化、综合智能化和机电一体 化的大方向发展口1 。详述如下。 微机保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全 系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信 息的数据，在分析共享信息和数据的基础上协调动作。显然，实现这种系统保 护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即 实现微机保护装置的网络化。目前变电站综合自动化系统的功能和结构都在不 断地向前发展，而且随着新设备、新技术的进展如光电互感器和光纤通信技术 的发展，光纤技术和局域网技术的应用，网络化必然成为今后发展的主流方向。 目前在综合自动化领域出现的厂家和产品很多，每个控制或保护功能都为 专用设备，会出现缺乏公共标准而不兼容的现象。今后的发展趋势是开发通用 标准型的和灵活的硬件和软件平台，以适用所有保护和控制，系统将具有开放 性和数据一致性的特点，统一遵循国际标准，便于不同厂家相互接口和维护操 作。保护功能可由算法实现且可由用户任意设置，各种算法经过优化设计综合 起来，达到更好的选择性和更高的冗余度，从而向平台化方向发展。 发展趋势还包括由传统的控制向综合智能方向发展，主要表现为电气设备 的小型化已向机电一体化方向发展以及控制和保护的整体化。变电站自动化系 统将开发出新型的电力系统保护和控制系统，其智能技术如专家系统在一次系 统在线检测中的应用，模糊逻辑保护和控制，自适应保护及控制，未来的研究 将向着混合系统的方向发展，使其成为应用综合智能技术的综合自动化系统。 在机电一体化进程中，开关装置与控制保护设备高度综合化和智能化的应 用将同益加快，优点很多。如紧凑的设计降低了空间要求；多功能和智能技术 的应用使保护、控制易于实现最优协调；功能自由设置使之更具灵活性；优化 测点可以降低成本和尽可能消除数据的不一致性；增强了抗干扰能力，提高了 3 第l 章绪论 数据采集和控制的准确性。 1 3 矿山电网综合自动化系统的现状与存在问题 国外煤矿监测监控系统已经发展到第四代以分布式微机系统为基础的综合 自动化系统，如美国m s a 公司的d a 6 4 0 0 系统，h o n e y w e l l 公司的h i m a s s 系 统。h i m a s s 由我国“济宁三号 矿井引进，作为安全生产监测监控系统，担 负着对井下各环境参数和矿井主要设备的工况参数的数据采集和监视的工作， 同时还可以实现对井下大巷带式输送机的集中控制，掘进工作面风、电、瓦斯 闭锁断电控制。h i m a s s 系统充分利用了现代计算机控制技术和网络技术，提 高了矿井的安全生产自动化水平和科学化管理水平h 1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国内各主要科研单位和生产厂家相继推出了 k j 9 0 ，k j 9 5 ，k j l 0 1 ，k j f 2 0 0 0 ，k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m ， w e b g i s 等煤矿安全综合和数字化网络监测管理系统睛1 。系统基本上处于集中控 制阶段：在煤矿井上设置控制中心主站，井下现场设置多个测控分站。分站采 集信息并传送给主站，主站处理信息后发出相应控制命令，由分站接受并执行。 其信息和命令的传输通过敷设专用电缆或光缆，采用r s 一4 8 5 ，p s k ，f s k 等技术， 按各自规定的专用通信协议来实现。 目前井下电网综合自动化系统存在的问题主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 开关设备动作的可靠性和实时性不是非常高，通信速率低，巡检周期 长，难以实现有实时性测控功能的要求； ( 2 ) 各厂家生产的微机综合保护器各自为政，功能相似，但缺乏统一的接 口标准和通信协议；很难找到两个相互兼容的系统，造成设备重复购置和不能 随意进行软硬件升级改造的后果； ( 3 ) 部分微机保护器无通信功能，即使带通信接口，上传信息较少；不具 备强大的连网功能和广泛应用于不同网络的互联协议； ( 4 ) 没有形成包含整定、诊断和监控功能的集成后台自动化软件； ( 5 ) 目前我国煤矿监控系统信息传输中广泛应用的是串行通信总线，主要 有r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 或基于上述的调制解调器传输方式等。由于上述总线及其通 信协议不完整或过于简化，使系统之间兼容性较差，并且在传输距离上往往较 短，极大的限制了它们在长距离上的通信的可靠性； 4 第1 章绪论 ( 6 ) 井下电网是一个较大、较复杂的供配电系统，井下电网自动化牵涉到 系统运行方式、电气设备、继电保护、过电压与防护、电能质量等方面，面广、 内容多，因此要兼顾各个方面，达到完全成熟稳定地运行还有一段很长的路要 走。 1 4 矿山电网综合自动化系统的意义 随着大多数矿井向深部开采，产量不断提高，井下供电线路在逐渐延伸， 供电设备逐渐增多，井下供电的可靠性已经成为制约安全生产的主要因素之一。 完善的综合自动化系统，由于具有精确的信息检测、数据采集及处理、优化的 控制策略，可使生产设备在最佳或准最佳状态下运行。因此，利用煤矿井下变 电所综合自动化系统来预防电气事故，减小停电范围，提高井下供电的可靠性， 具有十分重要的意义1 。 ( 1 ) 提高煤矿井下电力系统的管理水平。采区变电站实行自动化后，监视、 测量、记录等工作都由计算机自动进行，既提高了测量的精度，又避免了人为 的主观干预，运行人员只要通过观看电脑屏幕，对采区变电站主要设备和各输、 配电线路的运行工况和运行参数便一目了然。综合自动化系统具有与上级调度 通信功能，可将检测到的数据及时送住调度中心，使调度员能及时掌握各采区 变电站的运行情况，也能对它进行必要的调节与控制，且各种操作都有事件顺 序记录可供查阅，大大提高了运行管理水平。 ( 2 ) 提高并下采区变电站的安全、可靠运行水平。井下变电站综合自动化 系统中的各个子系统，绝大多数是由微机组成的，它们多数具有故障诊断功能。 除了微机保护能迅速发现被保护对象的故障并切除故障外，有的自动装置兼有 监视其控制对象工作是否正常的功能，发现其工作不正常可及时发出告警信息。 更为重要的是，微机保护装置和微机型自动装置具有故障自诊断功能，这是当 今综合自动化系统较之常规自动装置的突出的特点，这使得采用综合自动化系 统的变电站一、二次设备的可靠性大大提高。 ( 3 ) 减少维护工作量，减少值班人员，实现减员增效。由于综合自动化系 统中，各个子系统有故障自诊断功能，系统内部有故障时能自检出故障部位， 缩短了检修时间。微机保护和自动装置的定值又可在线读出检查，可节约定期 核对定值的时间。监控系统的抄表、记录自动化，使值班员可不必定时抄表、 5 第1 章绪论 记录，可实现少人值班。如果配置了与上级调度的通信功能，能实现遥测、遥 信、遥控、遥调，则完全可实现无人值班，达到减员增效的目的。 1 5 矿山电网自适应整定研究综述 在线保护整定工作是电网自动化系统应用研究的一个热点，本文第五章也 对矿山电网的保护整定进行了一些研究，在此先作一综述。 煤矿生产的工作条件是最具特殊性的口1 ，其主要负荷大多集中在井下，井下 环境空气湿度大，空气中浮游大量杂质( 如煤尘) ，并且腐蚀性气体( 如c 0 2 、 n o 、n 0 2 、s 0 2 等) 含量高，属于易燃易爆场所，发生短路故障时可能造成着 火事故，甚至引发瓦斯煤尘爆炸眵1 ，所以煤矿企业的供电方案和电气设备与普通 电力用户相比有些特殊的地方，并且对继电保护系统有更高的要求。目前煤矿 电气技术人员进行继电保护系统计算基本上仍然沿用传统的手工故障计算与人 工整定计算的方法，浪费了大量的人力和时间，并且可靠程度很大程度上都依 赖从业人员的经验知识。研究如何实现自适应继电保护、实时根据煤矿电网运 行方式的变化而进行自适应整定工作，已成为提高煤矿企业现代化水平，降低 相关人员劳动强度，提高系统可靠性的必要手段。 传统继电保护整定值均按电力系统最大运行方式通过离线计算得到，且按 电力系统最小运行方式校验其保护灵敏度，并在运行中保持不变。该方法有如 下缺点：( 1 ) 保护整定值按最严重运行条件确定，虽可保证在各种运行方式下发 生故障时，保护都能正确动作，但对于非最大运行方式下却无法使保护达到最 佳保护效果；( 2 ) 电力系统在最小运行方式下发生最不利故障时，保护的性能变 坏甚至会发生拒动现象；( 3 ) 整定值不能适应电力系统运行方式的变化；( 4 ) 各 保护无通信能力或通信能力较差。随着电力系统规模的扩大，传统供配电线路 保护已越来越不能满足电力系统的要求呤1 。 在八十年代末，s h h o r o w i t z ，g d r o c k e f e l l e r 以及a k j a m p a l a 等学者在 i e e e 会刊上做了一系列的报道，正式提出了“自适应保护”的概念，从多个角 度对自适应保护的研究状况进行了论述和展望n 0 。1 2 1 。自适应技术是指事物的行为 或过程考虑到其相关环境的变化，针对这种变化对自身行为或过程做出相应的 调整以适应该变化的技术。自适应技术在继电保护中的应用可分为两个方面： 一是自适应的继电保护装置；二是自适应的继电保护整定。目前研究主要集中 6 第1 章绪论 在自适应的继电保护装置方面，研究目的是使保护装置尽可能适应电力系统的 变化，克服传统保护长期以来存在的问题，改善保护性能。自适应的保护整定 是在保护定值的计算机整定中引入自适应的概念，使保护的整定能够依据保护 线路在电网中所处位置及电网的运行状况自动进行整定计算的过程n 副。 笔者对目前自适应保护整定的研究情况作了整理，围绕自适应技术实际应 用过程中的多个方面问题整合了目前专家学者的研究成果。该部分为第五章自 适应保护整定在煤矿电网中的应用奠定了理论基础。自适应整定实质是要研究 适应电网运行方式变化的保护定值整定，这当中涉及到拓扑分析、保护算法、 运行方式选择、阻抗阵计算、扰动域判定等一系列问题，下面一一阐述。 拓扑分析方法研究 对于基于运行方式变化的自适应保护，一个非常重要的工作就是对电网的 接线方式进行拓扑分析。自二十世纪八十年代初期以来，部分学者已经开始了 在这个领域的研究。常规的电网拓扑分析方法通过建立若干复杂的关联表，采 用数据结构加算法来实现n 4 。1 6 ，。当电网拓扑发生变化时，通过修改关联表，跟踪 电网拓扑。这种方法拓扑数据纷繁复杂，不易管理。二十世纪九十年代中期以 来，人们又提出了基于规则的厂站接线分析和基于人工智能搜索技术的电网结 点连接分析相结合的接线分析方法，具有算法简便，易于实现等优点n7 1 。但该 方法对于处理复杂的母线接线形式需要的规则条数较多，且只能处理预先已考 虑的接线类型。随着面向对象技术的发展，有些学者采用面向对象的分析方法 建立厂站和电网拓扑跟踪模型n 即测；有的学者在图形建模的基础上，提出了基于 广度优先的快速拓扑方法口，这些方法具备更好的通用性、实时性。文献 2 2 采用开关一节点的邻接矩阵来表示复杂的站内拓扑，可准确定位并隔离故障母 线或开关。文献 2 3 中提出了基于图论和启发式搜索技术的快速电网拓扑分析 方法。该方法在初次运算时，会多耗费一定的时间。然而在持续运行环境下， 可以大幅减少搜索结点，缩短拓扑跟踪时间，有效提高了算法的实时性。 自适应保护算法和方案 在自适应过流保护方面，文献 2 4 提出一种基于自适应的定值整定方案， 为矿井高压电网长期存在的因短路故障而引起越级跳闸的问题提供了解决方 案。文献 2 5 结合各级保护问的选择性联锁构成新型自适应过流保护系统。文 献 2 6 在分析煤矿井下供电系统的基础上设计出一种选择性过流保护系统。 在自适应速断保护方面，文献 2 7 提出一种新的应用于煤矿6k v 井下的自 7 第1 章绪论 适应保护方法，不用判断故障类别且能够使保护获得最佳性能。文献 2 8 提出 电流速断保护和电压速断保护的自适应整定方法。文献 2 9 提出了一种自适应 零序电流速断保护的实现方法，可根据短路类型实时调整零序电流速断保护的 动作整定值。文献 3 0 介绍了自适应电流速断保护在双回线路中的应用。 在自适应距离保护方面，文献 3 1 提出了一种基于小波神经网络的输电线 路自适应距离保护方案。文献 3 2 1 对自适应距离i i 段保护进行了研究。文献 3 3 借助同步相量测量技术研究了一种自适应调整保护动作门槛的新算法。文献 3 4 根据系统当前的运行方式来整定i i i 段距离保护的自适应定值。文献 3 5 提出了 自适应距离保护的新判据，在可靠防止误动作的前提下扩大了距离保护的范围。 文献 3 6 研究了1 1 0 k v 线路自适应距离保护策略。 在自适应漏电保护方面，文献 3 7 介绍了一种新的矿井电网自适应选线式 漏电保护方案，采用自适应欠补偿方式、随机整定与相敏比较来判断故障支路。 文献 3 8 建立了一种新型自适应漏电保护模型，提出了对漏电动作阈值进行修 正的方法，并研制出实现具有自适应漏电保护功能的漏电断路器。 在自适应接地保护方面，文献 3 9 论述了接地距离保护的基本原理和实现 方案。文献 4 0 提出了对自适应接地距离保护动作特性的修正方法，使得保护 具有较强的抗过渡电阻能力，并能有效防止暂态超越。 在自适应母线差动保护方面，文献 4 1 提出了具有自适应特性的基于多元 件的母线差动保护综合判据。根据元件判据的自适应性将软件模块化，能根据 母线的运行情况和故障状态的变化实时改变动作判据，使其保护性能达到最优。 在自适应电动机保护方面，文献 4 2 提出了基于自适应原理的电动机保护 配置方案，以及电动机保护装置的软件方案。 在自适应变压器保护方面，文献 4 3 提出一种基于电压开关量的自适应算 法，对c t 电流校正、励磁涌流鉴别是有效的。文献 4 4 总结了变压器保护的整 定计算方法。文献 4 5 对一般的主变零序保护整定方法进行了改进。文献 4 6 提出了基于暂态热方程实时解的变压器自适应热过负荷保护技术。 其他整定算法综合方面，文献 4 7 提出了带方向和低电压闭锁的自适应三 段式电流保护算法，并综合了差分滤波器加全周m o r l e t 复小波幅值与s y m l e t s 小波幅值辅助算法。文献 4 8 总结了1 1 0 k v 线路相间距离保护i i i 段自适应整定 策略、自适应零序电流保护、故障选相和背侧阻抗计算方法。文献 4 9 总结了 快速计算计及网络操作的各种简单故障的通用方法。文献 2 3 提出线路电流后 8 第1 章绪论 备保护的网络化自适应整定方法，可以延长i i 段保护的范围，提高整定的速度。 阻抗矩阵问题 在电力系统运行方式发生变化时，首先快速跟踪电网拓扑的变化，然后快 速修正用于短路计算用的节点阻抗阵。然而，对于大规模电网，需要修正的节 点阻抗阵元素数量会很大，特别是当修正涉及到多组具有零序互感的线路时计 算更为繁琐。文献 5 0 指出补偿法的应用可以避免修改原网的节点阻抗矩阵， 简化计算。文献 5 1 基于补偿法，提出了一种继电保护整定计算中故障计算的 通用方法，互感线路与无互感线路故障计算方法统一，可适应网络操作，计算 速度快。文献 2 3 提出一种基于机群系统的电网节点阻抗阵实时修改与边界等 值化简的并行计算方法。通过对节点阻抗阵修改和边界等值过程中任务并行性 的研究，提出了基于分块存储和消息传递的阻抗阵并行修改方法，该方法在实 时持续运行环境下，具有并行度高、通信开销少等优点。 整定计算运行方式 j 整定计算用的运行方式选择合理与否，会直接影响到短路电流的大小以及 计算所需要的分支系数大小，从而影响到所计算的保护定值。文献 5 0 列出了 多种情况下整定计算运行方式的选择原则，指出对应于某个运行方式可以用开 关的开闭集合来描述。文献 5 2 合理简化继电保护整定计算所需的电网运行方 式的选择范围，将整定计算用的运行方式分解为厂站方式、电网方式和设备检 修三种基本方式及三者的组合，并探讨了一系列整定算法和保护的网间配合。， 文献 5 3 提出了一种基于耦合度分析的运行方式选择方法，通过运行方式改变 时阻抗矩阵中短路点自阻抗的变化来判断元件的运行方式对故障电流的影响程 度。文献 1 3 总结了整定原则并提出了根据不同运行方式选择整定原则的方法。 环网的整定研究 进行继电保护整定计算时，首先要确定起始整定的保护、整定顺序和主后 备保护关系，这些是保证计算机计算保护定值正确配合的关键。然而对于复杂 环网，由于存在着大量相互嵌套的环网和相邻的长短线路，使得保护整定配合 中往往出现死锁问题，保护断点集的提出就是为了解决该问题，即将断点集中 继电器所保护的线路在安装该继电器的母线节点处断开，使环网变成辐射网络， 然后以断点集保护为起点依次整定环网中其他方向保护的定值。文献 5 0 5 4 给出了利用图论方法进行复杂环网主后备保护定值配合整定计算的方法。文献 5 5 5 6 通过组合环网中的基本回路来寻找电网中所有的简单回路，在此基础 9 第1 章绪论 上确定最小断点集，但该方法在拓扑结构发生变化时，仍需进行大量重复计算。 文献 5 7 一 5 9 通过搜索保护的函数依赖集来求取最小断点集，该方法也存在着 计算量大的问题。文献 2 3 提出了一种实用算法，可在电网拓扑发生变化时， 通过修改相关保护间的函数依赖集，快速得到新的保护断点集。 保护系统的研究 一些学者将保护整定系统化，进行了系统探讨或者设计了一系列继电保护 综合系统。一些典型的有关保护系统的研究比如大电网分布式自适应保护系统 的研究旧1 ；供配电线路自适应保护系统的研究1 ；基于专家系统的保护系统的 研究2 删；配电网或多级电网继电保护整定系统的研究汹6 7 1 等。 近年来也出现了一些新型自适应保护系统的研究。文献 6 8 设计了基于 m a s 的自适应电流速断保护系统，可以扩大保护范围，缩短后备保护的动作时 间。文献 4 7 基于d e v i c e n e t 现场总线与工业以太网构建了自适应保护系统。文 献 2 3 、 6 9 开发了基于广域网和多a g e n t 的自适应协调保护的实验室原型系 统，实现了a g e n t 的跨平台通信并通过试验仿真验证了系统的可行性。 扰动域( 影响域) 及其界定 文献 7 0 提出了扰动域的概念，认为电力系统运行方式变化只会影响到继 电保护系统中某个区域内的继电保护装置的整定值，这个受影响的区域称为扰 动域。在电力系统运行方式变化时仅需对扰动域内的继电保护装置进行重新整 定计算。比如断开一条线路，引起电网的网络结构发生对称变化。这种变化将 引起开断线路相邻区域内线路的短路电流水平发生显著变化。由于能量在传递 过程中的衰减，电网中远离断开线路一定程度的其它区域，线路的短路电流变 化可忽略不计，即该区域内的保护定值仍然满足灵敏性和选择性要求。因此只 需对灵敏性和选择性受到影响的保护自适应定值进行调整，由此来减少自适应 定值在线实时整定与校验的计算量。文献 2 3 提出电网运行方式变化时，通过 搜索电网保护的函数依赖集和影响关系集来界定保护“影响域”范围的方法。 整定性能 保护定值的整定性能也是自适应整定研究中关注的问题，文献 7 1 以某实 际电力系统为例，分析比较了在线整定和离线整定的性能，从速动性、选择性、 灵敏度等方面做出了比较分析。基于保护性能提高的思想一些学者提出了相应 的自适应整定算法，文献 7 2 提出了提高输电线路微机保护选择性的在线整定 技术；文献 7 3 提出了基于整定保护灵敏度约束条件、远后备保护灵敏度约束 1 0 第l 章绪论 条件和远后备保护灵敏度传递约束条件的线路保护整定计算自动调整算法。 在整定性能的校验方面，在线校验主要分析接地距离保护、相间距离保护、 方向性零序电流保护的i 、l i 、i i i 段的灵敏度和选择性。可通过保护的函数依 赖关系，确定与该保护有主后备配合关系的其它保护，从而校验保护的选择性。 接地距离保护和相间距离保护基本不受运行方式变化的影响，因此只需校验与 投切线路有直接配合关系的保护的灵敏性和选择性。对于受运行方式变化影响 较大的零序电流保护，就需要界定影响域的范围进行快速的校验与调整昭3 i 。 自适应整定速度及其协调问题 为提高自适应定值计算的实时性，需要研究如何提高电网接线分析、短路 计算和定值计算的速度，使整个整定计算的速度能跟得上电网方式变化速度； 为提高整个自适应整定系统的速度，还需考虑自适应系统的通信速度。 文献 2 3 提出了一种基于远程存储访问功能的并行算法优化策略。相比于 传统的串行计算方法在计算效率方面具有明显的改善。文献 7 4 提出了一种分 布式的、缩小上传保护电流数据范围的算法，减少了保护数据在信道上排队避 让的时间。文献 7 5 进行了自适应保护系统的通信性能分析，给出了交换式工 业以太网传送延时的基本公式。 电网有时会在短时内发生多个不同时的跳闸事件，此时要求传送的紧急变 化量增多，通信网的负载加重，并且调度端的拓扑分析速度跟不上事件的变化， 这种情况下就必须放弃自适应保护定值而借助于传统定值。文献 2 3 、 6 9 提 出了“带允许检查的尽力自适应”电力系统保护的协调控制策略，实现保护之 间动作的协调，可保证电网在多数情况下使用自适应定值，并在极端情况下降 为传统定值，具有较高的安全性。 1 6 本文主要研究内容 本文就矿山电网综合自动化系统应用过程中的若干问题进行研究。 ( 1 ) 分析煤矿井下特殊的电气条件，设计了矿山电网综合自动化系统的体系 架构，即以光纤为主干，r s 4 8 5 为支线的混合以太网分层分布式结构。 ( 2 ) 分析通信分站的功能，设计开发了具有嵌入式以太网接口的通讯分站， 详细阐述软、硬件系统设计方法，并介绍了其通信协议，给出了实物图，介绍 了系统菜单功能。 第1 章绪论 ( 3 ) 总结目前现有电网故障诊断的方法，将p e t r i 网建模分析方法应用于电网 故障诊断，并讨论其应用于大规模电网时出现的状态爆炸问题的解决方法；将 并分解技术用于电网故障诊断的p e t r i 网建模，得出了基于设备的分立p e t r i 网模 型；通过数学方法验证了分立模型和总模型在动态性能上的一致性；根据煤矿 井下变电所的实际接线图进行建模并分解，给出了并分解的示例；提出了基于 此的诊断算法，绘制了程序流程图；分析诊断软件的设计方法并设计诊断界面。 ( 4 ) 设计了矿山电网自动化上位机监控系统，阐述了设计方法并给出界面。 对目前国内外自适应保护整定的研究成果进行有意义的整理和综述，从自适应 保护算法和方案、阻抗矩阵问题、整定计算运行方式、拓扑分析方法、环网的 整定、保护系统、扰动域( 影响域) 及其界定、整定性能、自适应整定速度及 其协调问题等方面说明自适应整定的研究动向。对煤矿井下电网的特殊电气情 况进行分析，总结了煤矿电网整定和故障计算工作的相关事项。将自适应整定、 智能诊断和监控功能整合，研究了基于m a s 的自适应整定系统的实现思路，提 出基于m a s 的矿山电网综合自动化后台集成模型。 1 2 第2 章矿山电网自动化系统的体系结构 第2 章矿山电网自动化系统的体系结构 2 1 变电站综合自动化系统的结构介绍 微机继电保护在我国的电力系统中得到了广泛的应用，基于不同微处理器 的保护装置不断出现。煤矿井下大多采用功能单一的电磁型继电器，随着煤炭 生产机械化、自动化程度的提高，供电容量的增大，对井下供电系统与设备的 可靠性和安全性要求越来越高。传统的电磁式继电器虽然在一定程度上也能够 满足井下电网保护的需要，但是无法适应煤矿生产自动化发展的方向。随着微 处理器技术、信号处理算法以及通信技术等方面取得的重大进步，将微机保护 应用于煤矿电网并实现矿山电网综合自动化系统成为可能。 根据综合自动化系统的设计思想和安装的物理位置的不同，其结构可以分 成很多种类。从国内外变电站综合自动化系统的发展过程来看，其形式大致可 有集中式、分布式、分布集中式组屏结构、分散与集中相结合等类型n 1 。 2 1 1 集中式结构 集中式结构的系统集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集 中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。它 是按功能要求配置相应继电保护装置及远动装置并安装在变电站的中央控制室 内。变压器、各进出线及其它电气设备的运行状态通过c t 、p t 、开关辅助触点 由电缆传送到变电站的中央控制室的保护装置和远动装置内，经初步处理后送 到i o 通信控制器进行数据格式的变换( 规约转换) ，并将变电站所有保护、测 量、信号和控制信息统一处理，与当地的后台机和远方调度中心进行信息交换。 其特点是变电站中的所有信息统一集中处理，形成一个系统、并符合传统的变 电站运行模式。此种方式实际上是现有微机保护与微机远动的系统集成。 集中式结构综合自动化系统的主要优点是： ( 1 ) 能及时采集变电站中各种模拟量、开关量，完成对变电站的数据采集、 实时监控、制表、打印、事件顺序记录等功能。 ( 2 ) 能完成对变电站主要设备和进、出线的保护任务。 1 3 第2 章矿山电网自动化系统的体系结构 ( 3 ) 系统具有自诊断和自恢复功能。 ( 4 ) 结构紧凑，体积小，可大大节省占地面积。 ( 5 ) 造价低，实用性强，适合小型变电站的新建和改造。 集中式结构的最大缺点是： ( 1 ) 每台计算机功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面大，因此必 须采用双机运行的结构才能提高可靠性。 ( 2 ) 集中式结构软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦。 ( 3 ) 组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站，软硬件都必须另行 设计，工作量大，因此影响批量生产，不利于推广。 ( 4 ) 集中式保护与长期以来采用一对一的常规保护相比，不直观，不符合 运行和维护人员的习惯，调试和维护不方便，程序设计麻烦，只适合于保护算 法比较简单的情况。 图2 1 为集中式变电站综合自动化系统示意图。 2 1 2 分布式结构 备 r l 投 蓁l l 錾ll 器l l 蓊1 1 漂 l 嚣 模脉 拟冲 量鼍 遥 调 出 变 口 压 继器 蜜 篓 头 图2 1 集中式变电站综合自动化系统示意图 分布式结构是指在结构上采用主、从c p u 协同工作方式，各功能模块之间 采用网络技术或串行方式实现数据通信。随着单片机技术、网络技术特别是总 线技术的不断成熟和可靠，用于变电站自动化的分布式系统相继出现，如图2 2 1 4 第2 章矿山电网自动化系统的体系结构 所示。 远方调度中心 当地监控后台机 i 0 通信控制器1i 0 ：通信控制器2 馈线同隔层 瑟 蓁盖l 囊蒿 监路i i 誉路 控l 且到l 霎 数 采 和 监 控 开关柜1开关柜ni 其它电气设备 图2 2 分布式变电站综合自动化系统示意图 该系统按回路进行设计，每一个开关柜上或其它一次设备上就地安装微机 保护单元和单回路的数采监控单元，故开关和其它一次设备与单回路的数采 监控单元和微机保护单元在同一柜内，可免去大量的电缆联接，同时也提高了 抗干扰能力。微机保护单元和单回路的数采监控单元与i o 通信控制器相互之 间用网络电缆或光缆连接起来，仅作数据信息的传送。分布式综合自动化系统 的优点除了省电缆、抗干扰能力强之外，无需再设置继电保护和远动装置屏， 大大简化了二次设备，并减小了占地面积。故分布式变电站综合自动化系统自 问世以来，显示出强大的生命力。 2 1 3 分层式结构 在变电站综合自动化系统中，通常把继电保护、自动重合闸、故障录波、 故障测距等功能综合在一起的装置称为保护单元，而把测量和控制功能综合在 一起的装置称为控制或i o 单元，两者通称为间隔级单元。各种类型的间隔级单 元搜集到的状态量和测量值