CN104730392B

CN104730392B - 一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法

Info

Publication number: CN104730392B
Application number: CN201510153965.9A
Authority: CN
Inventors: 王新良; 任航; 靳翔; 杨茜惠; 朱俊杰; 李辉
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: CN104730392A

Abstract

本发明公开了一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法，包括如下步骤：对矿井高压供电系统图中存在的特殊供电结构进行标准化，对各种电气设备的属性信息进行初始化设置；依据供电系统图拓扑结构对每个设备进行编码，获得所有完成拓扑编码的开关队列Q_E；基于队列Q_E，完成故障电流计算，并依据故障电流计算结果，完成速断保护设置检验。本发明主要是针对矿井高压电网的网络结构特点，基于拓扑结构搜索提出了一种新的拓扑编码方式完成供电网络的拓扑辨识,并在此基础上依据每个高压开关的速断设置、故障电流计算结果，获得需要跳闸的开关集合；依据得到的开关跳闸结果判断当前的速断设置是否合理，以达到速断设置检验的目的。

Description

一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法

技术领域

本发明公开了一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法。

背景技术

35kV以上的电力网中存在多个电源，属于复杂闭式电网，故障计算及针对速断设置合理性的检验较为复杂；而矿井高压电网为6kV或10kV等级，两个电源应采用分列运行方式，或者是一路使用一路备用，属于单电源开式电网。

当前，故障计算和速断设置的合理性检验是针对复杂闭式电网进行的，在复杂闭式电网中，网络结构复杂，需要针对整个供电网络故障情况构造相应的数学模型完成故障计算，再对供电网络速断设置的可靠性和选择进行仿真检验。文献“基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法”能够实现矿井高压电网的速断设置检验，但其主要是基于关联矩阵实现拓扑分析，计算量较大。

本发明提出的基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法则主要是针对矿井高压电网（单电源开式电网）的网络结构特点，通过拓扑结构搜索针对每个设备进行拓扑编码，提出了一种新的拓扑编码方式构造矿井高压电网的网络拓扑模型，能够很方便地完成矿井高压电网供电网络的拓扑辨识, 并在此基础上依据每个高压开关的瞬时速断设置、捕获到的故障电流，执行跳闸操作；最终，依据得到的开关跳闸结果判断在此故障情况下，当前的速断设置是否合理，以达到速断设置检验的目的。

发明内容

在煤矿高压供电系统中，每个变电所一般可以为单母线分段运行或不分段运行，每段母线都有相应的进线开关；如果是单母线分两段运行的供电结构，则通常需要两个进线开关来连接两段母线；如果是单母线不分段运行的供电结构，则通常需要一个进线开关。但在煤矿实际环境中，个别变电所中存在没有进线开关的情况。为了能够更好地对矿井高压电网速断设置的合理性进行检验，使拓扑编码过程不至于过于复杂，需要将矿井高压供电系统图中的某些特殊情况转换成一般性的矿井高压电网供电结构，也就是对矿井高压供电系统图的供电结构进行标准化。具体步骤如下：

步骤1）：在绘制矿井高压供电系统图时，以变电所为单位检查变电所内是否存在某段母线没有进线开关的情况，针对存在上述情况的每一个变电所，执行步骤2）；

步骤2）：在绘制该变电所时增加一个虚拟进线开关实现供电结构标准化，该开关实际并不存在，仅仅是用于规范供电结构，以便能够更好地针对速断设置的选择性和合理性进行检验。最终要确保每段母线都拥有一个进线开关和若干个出线开关；

步骤3）：在矿井高压供电系统图中，如果开关用黑色填充，则表示其开关状态为分闸；反之，开关状态为合闸。假定某矿井高压供电系统图如附图1所示，对其进行供电结构标准化后，供电系统结构如附图2所示。

对矿井高压供电系统图各种电气设备所包含的参数信息进行详细定义，并对矿井高压供电系统图的各种电气设备的属性信息进行初始化设置；具体步骤如下：

步骤1）：每个开关，每条母线作为一个对象，均包含一些共同的属性信息，参数分别是：设备标识（ID），是否已被处理（BoolProcessed），设备类型（Type）；各个对象包含的共同属性信息含义如下：ID用于在矿井高压电网范围内唯一的确定一个对象，附图1所示的矿井高压供电图中，开关设备ID分别为（1）、（2）…、（25），如附图2所示；BoolProcessed参数为0，表示该设备尚未被处理；BoolProcessed参数为1，表示该设备已经处理完毕；设备类型字段用于区分电气设备种类，各种设备Type字段数值为：电源进线开关（Type为0）、一般进线开关（Type为1）、虚拟进线开关（Type为2）、出线开关（Type为3）、联络开关（Type为4），母线（Type为5）；开关设备拥有三个特有的属性信息，分别是拓扑编码（Code），开关状态（Status）和瞬时速断定值；属性信息含义如下：Code字段表示基于拓扑学习获取的该设备的拓扑编码，开关状态Status取值为合闸或分闸，瞬时速断定值用于实现速断保护；

步骤2）：在矿井高压供电系统图中，设置直接由上级供电部门供电的高压进线开关为电源进线开关，电源进线开关、一般进线开关、虚拟进线开关、出线开关和联络开关位置具体如附图1所示；依据实际的矿井高压供电系统对所有设备的设备类型参数进行正确设置；

步骤3）：依据矿井高压供电系统实际的开关闭合状态，对矿井高压供电系统图中所有开关的Staus参数进行正确设置；

步骤4）：矿井高压供电系统图中所有开关的ID参数和瞬时速断定值均由用户预先进行正确设置；虚拟进线开关速断定值和其直接控制的出线开关速断定值设置为一样；

步骤5）：将矿井高压供电系统图中所有设备的BoolProcessed参数初始化为0；

步骤6）：将矿井高压供电系统图中所有设备的Code参数初始化为空。

针对矿井高压电网（单电源开式电网）的网络结构特点，依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系，基于设备类型和拓扑结构搜索针对每个设备进行拓扑编码，提出一种新的拓扑编码方式构造矿井高压电网的网络拓扑模型，能够有效实现矿井高压电网供电网络的拓扑辨识。具体步骤如下：

步骤1）：以电源进线开关作为起点开始对矿井高压供电系统图的网络拓扑结构进行学习，依据电气设备类型字段在供电系统图所有开关中将所有电源进线开关对象加入到队列Q_A中；假定i=0，字符M=“.”；从队列Q_A中取出一个开关，执行步骤2）；

步骤2）：将p的数值设置为i+1，然后将i的数值设置为p；将i转换成字符Y，检测取出的开关状态Status参数，如果该开关状态为合闸，则将其拓扑编码Code设置为Y，将编码后的开关对象加入到进线开关队列Q_D和拓扑开关队列Q_E中，Q_E用于保存已完成拓扑结构编码的所有开关对象；

步骤3）：如果队列Q_A中还有元素未被遍历，从队列Q_A中取出下一个开关，重复执行步骤2）；如果队列Q_A中已经没有元素，从队列Q_D中取出一个开关，执行步骤4）；

步骤4）：假定取出的进线开关用A表示，如果该进线开关的状态为合闸，在矿井高压供电系统图中查找与该进线开关相邻的母线，该母线用B₁表示，并将母线B₁的BoolProcessed参数设置为1；然后查找与母线B₁相邻的所有出线开关，将查找获取的所有出线开关的拓扑编码设置为开关A的拓扑编码，并将获得的所有出线开关加入到出线开关队列OutSwitchQueue中；然后查找母线B₁相邻的联络开关是否为合闸状态，如果联络开关合闸，则搜索与该联络开关相邻的所有母线，如果搜索得到的母线BoolProcessed参数数值为0，则搜索与该母线相邻的所有出线开关，将查找获取的所有出线开关的拓扑编码设置为开关A的拓扑编码，并将获得的所有出线开关对象加入到出线开关队列OutSwitchQueue中；

步骤5）：假定j=0，从队列OutSwitchQueue中取出一个开关，执行步骤6）；

步骤6）：假定取出的出线开关用B表示，如果该出线开关状态为合闸，则将q的数值设置为j+1，然后将j的数值设置为q；将j转换成相应的字符Z₁，开关B原有的拓扑编码用Y₁表示，则开关B最终的拓扑编码Code为Y₁+M+Z₁（将Y₁、M、Z₁三个字符串从左往右合并）；将拓扑编码后的出线开关加入到队列Q_B和开关队列Q_E中；如果队列OutSwitchQueue中仍然有开关未被处理，则取出下一个开关，重复执行步骤6）；如果队列OutSwitchQueue中已没有开关需要处理，则执行步骤7）；

步骤7）：从队列Q_B中取出一个开关，执行步骤8）；

步骤8）：在供电系统图中，查找与该出线开关相邻的进线开关，如果出线开关的编码为X，则该进线开关的编码设置为X+M+“1”（将这三个字符串从左往右合并），将获得的该进线开关加入到队列Q_D和开关队列Q_E中；如果队列Q_B中仍然有开关未被处理，则取出下一个开关，重复执行步骤8）；如果队列Q_B中没有开关需要处理，则执行步骤9）；

步骤9）：队列Q_D中如果仍然有开关未被处理，则取出下一个开关，执行步骤4）；如果队列Q_D中没有开关需要处理，则矿井高压电网拓扑编码完成；开关队列Q_E中的所有元素均完成了拓扑结构编码，附图2所示的矿井高压供电图编码结果如附图3所示。

基于拓扑结构编码获取的开关队列Q_E，能够有效实现矿井高压电网供电网络的拓扑辨识。并在此基础上依据设置相应的短路故障点，构造短路故障模型，完成故障电流计算；并依据故障电流计算结果，对高压开关瞬时速断保护进行检验，对需要跳闸的开关执行跳闸操作。具体步骤如下：

步骤1）：针对某个出线开关控制的线路设置短路故障，假定该线路短路时产生的短路电流用表示，在开关队列Q_E中依据开关ID参数可查找到该出线开关的拓扑编码Code，假定其Code用U表示，队列Q_F和集合S_G初始情况下为空；

步骤2）：将矿井高压供电系统图中的所有出线开关和进线开关对象加入到队列Q_F和开关集合S_G中；

步骤3）：如果Q_F中仍然有开关未被处理，从Q_F中取出一个开关，执行步骤4）；

步骤4）：如果该开关状态为合闸，并且设置了瞬时速断保护，则执行步骤5）；否则执行步骤9）；

步骤5）：依据取出开关的ID参数在开关队列Q_E中查找其对应的拓扑编码，假定查找到的该开关的拓扑编码Code用V表示，拓扑编码字符串V的长度用L表示，如果V的长度小于等于U的长度，则从左往右截取编码字符串U的前L个字符构成一个新的字符串H，如果H等于V，则该开关当前的故障电流为，执行步骤6）；否则，说明由该开关供电的变电所不存在短路故障，则执行步骤9）；

步骤6）：假定该开关设置的瞬时速断定值为，如果，则开关跳闸，在高压供电系统图上，依据该开关的ID参数信息将该开关状态修改为分闸，执行步骤7）；如果，则该开关不动作，执行步骤9）；

步骤7）：依据高压供电系统图的网络拓扑，由该开关供电的所有开关跳闸，针对开关集合S_G中的每一个开关执行步骤8）；

步骤8）：假定S_G中的某个开关用Z表示，依据开关Z的ID参数在开关队列Q_E中查找其对应的拓扑编码，查找得到的拓扑编码code用W表示，如果W的长度大于等于V的长度，V的长度为L，则从左往右截取编码字符串W的前L个字符构成一个新的字符串K，如果K等于V，则开关Z需要执行跳闸操作，依据开关Z的ID参数，在高压供电系统图上将该开关状态修改为分闸；如果K不等于V，开关不动作；

步骤9）：如果Q_F中仍然有开关未被处理，从Q_F中取出一个开关，执行步骤4）；否则如果Q_F中所有的开关均被处理，则瞬时速断设置检验完成；依据获得的开关跳闸结果即可判断当前的速断保护设置是否合理，达到速断保护设置检验的目的；附图3所示的矿井高压供电系统中，Code为“1.2.1.2.1.1”的出线开关控制的线路发生了短路故障，其将导致Code为“1.2.1.2.1.1”，“1.2.1.2.1”，“1.2.1.2”，“1.2.1”，“1.2”，“1”的高压开关故障电流均为，假定Code为“1.2.1.2.1.1”，“1.2.1.2.1”，“1.2.1.2”的高压开关设置的速断定值小于，而设备“1.2.1”，“1.2”，“1”的高压开关设置的速断定值大于；则Code为“1.2.1.2.1.1”，“1.2.1.2.1”，“1.2.1.2”的高压开关及由它们供电的所有高压开关将全部跳闸，速断设置检验结果如附图4所示。

附图说明

图1是矿井高压供电系统图；图2是标准化后的矿井高压供电系统图；图3是拓扑结构编码后的矿井高压供电系统图；图4是矿井高压供电系统速断设置检验结果示意图。

Claims

1.一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法，其特征在于，所描述的速断设置检验方法包括如下步骤：

步骤11，将矿井高压供电系统图中的某些特殊情况转换成一般性的矿井高压电网供电结构，也就是对矿井高压供电系统图中存在的特殊供电结构进行标准化；

步骤12，针对矿井高压供电系统图的各种电气设备的属性信息进行初始化设置；

步骤13，依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系，提出一种新的拓扑编码方式有效实现矿井高压电网供电网络的拓扑辨识，基于设备类型和拓扑结构搜索针对每个设备进行拓扑编码，获得所有完成拓扑编码的开关队列Q_E；

步骤14，在矿井高压供电系统图上设置相应的短路故障点，基于拓扑结构编码获取的开关队列Q_E，构造短路故障模型，完成故障电流计算；并依据故障电流计算结果，对高压开关瞬时速断保护进行检验，对需要跳闸的开关执行跳闸操作；

在步骤13中，主要进行如下步骤：

步骤131、以电源进线开关作为起点开始对矿井高压供电系统图的网络拓扑结构进行学习，依据电气设备类型字段在供电系统图所有开关中将所有电源进线开关对象加入到队列Q_A中；假定i=0，字符M=“.”；从队列Q_A中取出一个开关，执行步骤132；

步骤132、将p的数值设置为i+1，然后将i的数值设置为p；将i转换成字符Y，检测取出的开关状态Status参数，如果该开关状态为合闸，则将其拓扑编码Code设置为Y，将编码后的开关对象加入到进线开关队列Q_D和拓扑开关队列Q_E中，Q_E用于保存已完成拓扑结构编码的所有开关对象；

步骤133、如果队列Q_A中还有元素未被遍历，从队列Q_A中取出下一个开关，重复执行步骤132；如果队列Q_A中已经没有元素，从队列Q_D中取出一个开关，执行步骤134；

步骤134、假定取出的进线开关用A表示，如果该进线开关的状态为合闸，在矿井高压供电系统图中查找与该进线开关相邻的母线，该母线用B₁表示，并将母线B₁的BoolProcessed参数设置为1；然后查找与母线B₁相邻的所有出线开关，将查找获取的所有出线开关的拓扑编码设置为开关A的拓扑编码，并将获得的所有出线开关加入到出线开关队列OutSwitchQueue中；然后查找母线B₁相邻的联络开关是否为合闸状态，如果联络开关合闸，则搜索与该联络开关相邻的所有母线，如果搜索得到的母线BoolProcessed参数数值为0，则搜索与该母线相邻的所有出线开关，将查找获取的所有出线开关的拓扑编码设置为开关A的拓扑编码，并将获得的所有出线开关对象加入到出线开关队列OutSwitchQueue中；

步骤135、假定j=0，从队列OutSwitchQueue中取出一个开关，执行步骤136；

步骤136、假定取出的出线开关用B表示，如果该出线开关状态为合闸，则将q的数值设置为j+1，然后将j的数值设置为q；将j转换成相应的字符Z₁，开关B原有的拓扑编码用Y₁表示，则开关B最终的拓扑编码Code为Y₁+M+Z₁，Y₁+M+Z₁是指将Y₁、M、Z₁三个字符串从左往右合并；将拓扑编码后的出线开关加入到队列Q_B和开关队列Q_E中；如果队列OutSwitchQueue中仍然有开关未被处理，则取出下一个开关，重复执行步骤136；如果队列OutSwitchQueue中已没有开关需要处理，则执行步骤137；

步骤137、从队列Q_B中取出一个开关，执行步骤138；

步骤138、在供电系统图中，查找与该出线开关相邻的进线开关，如果出线开关的编码为X，则该进线开关的编码设置为X+M+“1”，X+M+“1”是指将这三个字符串从左往右合并；将获得的该进线开关加入到队列Q_D和开关队列Q_E中；如果队列Q_B中仍然有开关未被处理，则取出下一个开关，重复执行步骤138；如果队列Q_B中没有开关需要处理，则执行步骤139；

步骤139、队列Q_D中如果仍然有开关未被处理，则取出下一个开关，执行步骤134；如果队列Q_D中没有开关需要处理，则矿井高压电网拓扑编码完成；开关队列Q_E中的所有元素均完成了拓扑结构编码。

2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法，其特征在于，在步骤11中，主要进行如下步骤：

步骤21、在绘制矿井高压供电系统图时，以变电所为单位检查变电所内是否存在某段母线没有进线开关的情况，针对存在上述情况的每一个变电所，执行步骤22；

步骤22、在绘制该变电所时增加一个虚拟进线开关实现供电结构标准化，该开关实际并不存在，仅仅是用于规范供电结构，以便能够更好地针对速断设置的选择性和合理性进行检验；最终要确保每段母线都拥有一个进线开关和若干个出线开关。

3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法，其特征在于，在步骤12中，主要进行如下步骤：

步骤31、每个开关，每条母线作为一个对象，均包含一些共同的属性信息，参数分别是：设备标识ID，是否已被处理BoolProcessed，设备类型Type；开关设备拥有三个特有的属性信息，分别是拓扑编码Code，开关状态Status和瞬时速断定值；在矿井高压供电系统图中，设置直接由上级供电部门供电的高压进线开关为电源进线开关，并依据实际的矿井高压供电系统对所有设备的设备类型参数进行正确设置；

步骤32、依据矿井高压供电系统实际的开关闭合状态，对矿井高压供电系统图中所有开关的Status参数进行正确设置；

步骤33、矿井高压供电系统图中所有开关的ID参数和瞬时速断定值均由用户预先进行正确设置；虚拟进线开关速断定值和其直接控制的出线开关速断定值设置为一样；

步骤34、将矿井高压供电系统图中所有设备的BoolProcessed参数初始化为0；

步骤35、将矿井高压供电系统图中所有设备的Code参数初始化为空。

4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑结构编码的矿井高压电网速断设置检验方法，其特征在于，在步骤14中，主要进行如下步骤：

步骤41、针对某个出线开关控制的线路设置短路故障，假定该线路短路时产生的短路电流用表示，在开关队列Q_E中依据开关ID参数可查找到该出线开关的拓扑编码Code，假定其Code用U表示，队列Q_F和集合S_G初始情况下为空；

步骤42、将矿井高压供电系统图中的所有出线开关和进线开关对象加入到队列Q_F和开关集合S_G中；

步骤43、如果Q_F中仍然有开关未被处理，从Q_F中取出一个开关，执行步骤44；

步骤44、如果该开关状态为合闸，并且设置了瞬时速断保护，则执行步骤45；否则执行步骤49；

步骤45、依据取出开关的ID参数在开关队列Q_E中查找其对应的拓扑编码，假定查找到的该开关的拓扑编码Code用V表示，拓扑编码字符串V的长度用L表示，如果V的长度小于等于U的长度，则从左往右截取编码字符串U的前L个字符构成一个新的字符串H，如果H等于V，则该开关当前的故障电流为，执行步骤46；否则，说明由该开关供电的变电所不存在短路故障，则执行步骤49；

步骤46、假定该开关设置的瞬时速断定值为，如果，则开关跳闸，在高压供电系统图上，依据该开关的ID参数信息将该开关状态修改为分闸，执行步骤47；如果，则该开关不动作，执行步骤49；

步骤47、依据高压供电系统图的网络拓扑，由该开关供电的所有开关跳闸，针对开关集合S_G中的每一个开关执行步骤48；

步骤48、假定S_G中的某个开关用Z表示，依据开关Z的ID参数在开关队列Q_E中查找其对应的拓扑编码，查找得到的拓扑编码code用W表示，如果W的长度大于等于V的长度，V的长度为L，则从左往右截取编码字符串W的前L个字符构成一个新的字符串K，如果K等于V，则开关Z需要执行跳闸操作，依据开关Z的ID参数，在高压供电系统图上将该开关状态修改为分闸；如果K不等于V，开关不动作；

步骤49、如果Q_F中仍然有开关未被处理，从Q_F中取出一个开关，执行步骤44；如果Q_F中所有的开关均被处理，则瞬时速断设置检验完成；依据获得的开关跳闸结果即可判断当前的速断保护设置是否合理，达到速断保护设置检验的目的。