楊富宇,李咸善,胡文斌
(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北宜昌 443002)
準(zhǔn)確可靠的繼電保護(hù)配置是水電站電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。由于水電站設(shè)備的種類(lèi)很多,相應(yīng)配備的保護(hù)種類(lèi)以及數(shù)量也很繁多,加上電廠內(nèi)設(shè)備以及繼電保護(hù)裝置的不斷更新?lián)Q代,使得水電站的繼電保護(hù)的整定計(jì)算過(guò)程繁瑣;此外隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和大型水電廠的投產(chǎn),電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及整定計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均發(fā)生了較大的變化,為適應(yīng)各種新形勢(shì)下的電網(wǎng)運(yùn)行方式,水電站發(fā)電機(jī)及其變壓器保護(hù)裝置的整定計(jì)算也會(huì)變得越發(fā)繁瑣。因此開(kāi)發(fā)一套集故障計(jì)算、整定計(jì)算為一體的水電站繼電保護(hù)可視化自動(dòng)整定計(jì)算軟件勢(shì)在必行。
為了解決水電站繼電保護(hù)中遇到的整定計(jì)算繁瑣、數(shù)據(jù)管理不規(guī)范等問(wèn)題,水電站繼電保護(hù)可視化自動(dòng)整定計(jì)算軟件要具有故障計(jì)算方便并利于事故分析、整定計(jì)算實(shí)用性強(qiáng)及快速準(zhǔn)確、參數(shù)及計(jì)算結(jié)果利于查看和管理、人機(jī)交互界面友好、動(dòng)態(tài)生成定值清單和整定報(bào)告等功能要求。為了能夠滿(mǎn)足上述要求,在軟件的研究與開(kāi)發(fā)中必然要解決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、電氣元件的圖形化建模、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、故障計(jì)算、整定計(jì)算以及整定計(jì)算結(jié)果輸出等一些重要問(wèn)題。
本整定計(jì)算軟件在Windows平臺(tái)下用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言Delphi 2007開(kāi)發(fā)完成,由Microsoft Access提供數(shù)據(jù)庫(kù)支持,利用Visual Graph強(qiáng)大的ActiveX核心組件和COM技術(shù),開(kāi)發(fā)出完備的電氣元件庫(kù),并實(shí)現(xiàn)元件的各種操作。該軟件可操作性好,具有通用性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展功能。支持Windowsxp及Windows7等系統(tǒng)平臺(tái)。
電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治鼍褪菍?duì)電網(wǎng)的物理幾何結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分析研究,通過(guò)數(shù)據(jù)信息來(lái)反映電網(wǎng)中各個(gè)電氣元件的連接情況。在整定計(jì)算軟件中拓?fù)浞治鲋饕脕?lái)判別電氣開(kāi)關(guān) (斷路器)的狀態(tài),使軟件能動(dòng)態(tài)地生成正確的反映電廠主接線物理結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息。節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣是故障計(jì)算中常用的一種數(shù)學(xué)模型,而電網(wǎng)快速正確的拓?fù)渌阉鞣治鍪切纬烧_節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的關(guān)鍵和基礎(chǔ);并且當(dāng)某些開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí),如用戶(hù)人工改變電廠的運(yùn)行方式時(shí),若不能及時(shí)準(zhǔn)確地獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息,就會(huì)造成分析結(jié)果的錯(cuò)誤。因此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渌阉鞣治鲈诳梢暬钠矫鎯?nèi),要能實(shí)時(shí)地反映開(kāi)關(guān)等電氣元件信息的變化。
拓?fù)浞治鏊惴ㄓ泻芏喾N,有基于關(guān)聯(lián)矩陣的方法,有廣度優(yōu)先搜索和深度優(yōu)先搜索方法[2-4]。軟件開(kāi)發(fā)中采用端口融合的方法。該方法簡(jiǎn)單快捷,尤其在處理開(kāi)關(guān)量變化時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)[5]。
網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型可以分為四種:網(wǎng)絡(luò)元件端口號(hào)、物理節(jié)點(diǎn)號(hào)、網(wǎng)絡(luò)邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào)、電氣島上的邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào)。圖1為軟件拓?fù)浞治鏊惴ǖ挠?jì)算流程圖。
圖1 拓?fù)浞治鏊惴ㄓ?jì)算流程圖
基于端口融合的拓?fù)浞治鏊惴ǖ闹饕襟E如下:
(1)連接線端口的融合。程序遍歷所有的元件端口,自動(dòng)編號(hào);設(shè)某連接線兩端所連接元件的端口號(hào)分別為P1、P2:若P1=P2,不做處理;若P1 P2,取較小值。遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件端口,若元件端口編號(hào)大于上步中的較大編號(hào),則減1。最后元件端口號(hào)經(jīng)過(guò)連接線端口融合形成元件的物理節(jié)點(diǎn)號(hào)。
(2)開(kāi)關(guān)端口融合。遍歷所有開(kāi)關(guān),狀態(tài)為OFF,不處理;若開(kāi)關(guān)閉合,假如開(kāi)關(guān)兩端的物理節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為P1、P2:若P1=P2,不做處理;若P1 P2,取較小值。遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件的端口的物理節(jié)點(diǎn),若元件端口的物理節(jié)點(diǎn)號(hào)大于上步中的較大編號(hào),則減1。最后元件物理節(jié)點(diǎn)號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)端口融合形成元件的邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào)。
(3)元件的融合。此步驟是對(duì)電氣島的分析,即對(duì)元件編電氣島號(hào)。遍歷所有元件,設(shè)某一個(gè)二端元件,元件兩端邏輯節(jié)點(diǎn)所屬的電氣島號(hào)分別為P1、P2:若P1=P2=0,則把元件兩端邏輯節(jié)點(diǎn)所屬的島號(hào)加1;若P1=P2≠0,不處理;若P1≠P2,則取較小值。遍歷所有元件端口的邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào),若邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)的電氣島號(hào)大于上步中較大值,則減1。
(4)電氣島上的邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào)的形成。在步驟(3)后,以電網(wǎng)等值系統(tǒng)或負(fù)荷為主島的判別依據(jù),則只考慮具有主島電氣島號(hào)的元件,不考慮死島上的電氣量。最后形成主島上元件端口對(duì)應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)映射矩陣,則能正確描述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的就是電氣島上的邏輯節(jié)點(diǎn)號(hào)。
電氣元件的圖形化建模包括電力元件圖形化設(shè)計(jì)和元件類(lèi)的設(shè)計(jì)[5,6]。電氣元件圖形化設(shè)計(jì)即繪制相應(yīng)的圖形來(lái)表示不同的設(shè)備。電氣元件類(lèi)的設(shè)計(jì)即把電力元件抽象為一個(gè)類(lèi),按照設(shè)備端口數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)元件間的繼承關(guān)系。電力元件圖形化設(shè)計(jì)利用Visual Graph(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VG)這一面向圖元對(duì)象的建模工具,采用自上而下的類(lèi)的繼承的思路,即對(duì)VG提供的基本單元類(lèi)進(jìn)行繼承和擴(kuò)充,建立各個(gè)電氣元件的部件類(lèi),再把這些部件組合起來(lái)形成電氣元件,并用腳本語(yǔ)言來(lái)操作圖形,內(nèi)嵌到編程工具中,進(jìn)而進(jìn)行可視化軟件的開(kāi)發(fā)。圖2為VG二次開(kāi)發(fā)的部分電氣元件庫(kù)。
圖2 基于VG的部分電氣元件庫(kù)
元件類(lèi)的設(shè)計(jì)采用基于電氣元件端口數(shù)的分類(lèi)方法,如圖3所示。該分類(lèi)方法不僅便于對(duì)電氣元件的構(gòu)造和擴(kuò)充,還可以利用其繼承性減少代碼的冗余。每種元件都抽象為一種對(duì)象,繼承與其相應(yīng)的父類(lèi)。
圖3 電氣元件的分類(lèi)設(shè)計(jì)
整定計(jì)算軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中以Microsoft Access為底層數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是軟件和用戶(hù)人機(jī)交互的中介,軟件把元件參數(shù)和計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并在計(jì)算時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù),用戶(hù)也通過(guò)可視化界面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息進(jìn)行查看、修改和擴(kuò)充來(lái)實(shí)現(xiàn)干預(yù)功能。好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),要具有可擴(kuò)展性、可移植性,并且方便用戶(hù)的管理和修改等。圖4為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的總體框圖。共為6部分組成,分別用于元件參數(shù)的存儲(chǔ)、整定計(jì)算信息存儲(chǔ)、故障計(jì)算信息存儲(chǔ)和元件保護(hù)配置信息存儲(chǔ)。
圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)總體框圖
故障計(jì)算是繼電保護(hù)整定計(jì)算軟件中一大計(jì)算,它的準(zhǔn)確性決定著用戶(hù)對(duì)于故障的分析和靈敏度校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。故障計(jì)算時(shí)用到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。依據(jù)疊加定理,短路故障時(shí)的電氣量等于正常運(yùn)行時(shí)的電氣分量和短路后故障電氣分量之和[1]。軟件實(shí)現(xiàn)故障計(jì)算時(shí),程序先求出故障點(diǎn)注入的故障電流,然后依據(jù)疊加定理求出各節(jié)點(diǎn)序電壓,再求支路序電流。
實(shí)現(xiàn)算法時(shí)做的簡(jiǎn)化處理有:短路故障下發(fā)電機(jī)均用X″d作其等值電抗;由于負(fù)荷的等值阻抗通常較大,忽略負(fù)荷的影響;所有電源的次暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)為額定電壓,即標(biāo)幺值1。選定基準(zhǔn)功率Sb和基準(zhǔn)電壓Vb=Vav,其中Vav為短路處電壓等級(jí)的平均額定電壓,由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣算出短路點(diǎn)的綜合電抗的標(biāo)么值Zff,故障點(diǎn)處故障前的電壓值取標(biāo)幺值1,則故障點(diǎn)注入的故障電流 (標(biāo)幺值)計(jì)算公式為
故障計(jì)算結(jié)果處理包括存儲(chǔ)、查看和輸出。軟件中采用自動(dòng)故障計(jì)算的形式,即只需要用戶(hù)選定故障類(lèi)型,程序自動(dòng)在每個(gè)母線和線路的端口處分別設(shè)置故障點(diǎn),進(jìn)行相應(yīng)的故障計(jì)算。故障計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在故障結(jié)果庫(kù)中,在每種故障類(lèi)型下,程序都會(huì)動(dòng)態(tài)生成與每個(gè)故障點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的所有數(shù)據(jù)表,用來(lái)存儲(chǔ)該故障類(lèi)型下該故障點(diǎn)時(shí)的故障信息,這樣便于用戶(hù)查看和對(duì)故障結(jié)果進(jìn)行分析。只要用戶(hù)選擇故障類(lèi)型和故障點(diǎn)就能查看網(wǎng)絡(luò)的故障信息。故障結(jié)果的輸出采用以Excel形式單個(gè)輸出的方式。
專(zhuān)家系統(tǒng)將人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以知識(shí)庫(kù)的形式存入計(jì)算機(jī),并模仿人類(lèi)專(zhuān)家解決問(wèn)題的推理方式和思維過(guò)程,運(yùn)用知識(shí)庫(kù)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題作出判斷和決策[7]。完整的專(zhuān)家系統(tǒng)一般由知識(shí)庫(kù)、推理引擎、專(zhuān)家知識(shí)獲取工具以及人機(jī)交互接口四部分組成。專(zhuān)家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序不一樣,它不依賴(lài)于特定的數(shù)學(xué)模型,而是取決于某一特定條件下,用專(zhuān)門(mén)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題。目前專(zhuān)家系統(tǒng)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用主要集中在輸電線路的保護(hù)中,對(duì)電廠內(nèi)元件保護(hù)的專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還不是很完整。
在繼電保護(hù)整定計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)研究中,專(zhuān)家系統(tǒng)主要體現(xiàn)在知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)上,即整定規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì)中。該軟件中整定計(jì)算專(zhuān)家系統(tǒng)是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft Access,采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)設(shè)計(jì)而成。面向?qū)ο蟮募夹g(shù)能充分發(fā)揮用戶(hù)的干預(yù)能力和計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值,通過(guò)系統(tǒng)的校驗(yàn),提供修改參數(shù)的功能,保證整定結(jié)果的工程實(shí)用性和可靠性;并且該技術(shù)能方便知識(shí)庫(kù)的管理、修改和擴(kuò)充。圖5為整定計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖,主要由整定規(guī)則庫(kù)、計(jì)算控件模塊、操作主界面、整定計(jì)算模塊和整定結(jié)果的查看和輸出模塊組成,下面對(duì)它們的設(shè)計(jì)作具體的分析。
圖5 整定計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖
(1)知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì),即整定規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì),采用分類(lèi)分層的方法,即一個(gè)保護(hù)廠家為一個(gè)保護(hù)類(lèi),每個(gè)保護(hù)類(lèi)中包含有不同的保護(hù)系列,每個(gè)保護(hù)系列中包含有具體的電氣設(shè)備 (發(fā)電機(jī)、變壓器、發(fā)變組)的保護(hù)。并且用戶(hù)通過(guò)操作主界面 (人機(jī)交互接口),可以對(duì)整定原則庫(kù)中的整定原則進(jìn)行修改,也可以按照固定的操作步驟不斷地寫(xiě)入新的保護(hù)裝置的整定原則,實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的不斷完善。
(2)計(jì)算控件模塊在這里起到了推理引擎的作用。計(jì)算機(jī)控件是單獨(dú)地內(nèi)嵌到編程工具中的,可以完成常見(jiàn)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。當(dāng)用戶(hù)給元件配置了保護(hù)裝置后,在單獨(dú)的操作界面內(nèi)輸入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值,確認(rèn)計(jì)算,則計(jì)算控件依據(jù)整定公式和參數(shù)值開(kāi)始數(shù)學(xué)計(jì)算。計(jì)算方式有單個(gè)元件單個(gè)保護(hù)、一個(gè)元件多個(gè)保護(hù)以及多個(gè)元件多個(gè)保護(hù)。當(dāng)輸入?yún)?shù)或整定公式不滿(mǎn)足輸入要求時(shí),在計(jì)算過(guò)程中會(huì)報(bào)錯(cuò),并具體到錯(cuò)誤在哪一項(xiàng),從而保證整定計(jì)算的工程實(shí)用性和正確可靠性。
(3)整定計(jì)算模塊具有對(duì)計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)、返回進(jìn)行參數(shù)修改和計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)的功能。當(dāng)計(jì)算控件完成計(jì)算之后,按照相應(yīng)故障點(diǎn)發(fā)生對(duì)應(yīng)故障時(shí)的電氣量信息進(jìn)行靈敏度校驗(yàn):滿(mǎn)足,則存入整定計(jì)算結(jié)果庫(kù);不滿(mǎn)足,提示返回,人工進(jìn)行參數(shù)修改,重新進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)。
(4)整定結(jié)果的查看和輸出模塊是軟件中又一個(gè)重要的組成部分。用戶(hù)通過(guò)操作界面,能對(duì)每個(gè)元件配置的保護(hù)類(lèi)型、相應(yīng)保護(hù)的整定計(jì)算參數(shù)和結(jié)果進(jìn)行查看和修改,如刪除某個(gè)電氣設(shè)備的某種保護(hù)或者修改整定參數(shù)重新計(jì)算等;也可以對(duì)定值清單和整定報(bào)告進(jìn)行查看和輸出:每個(gè)保護(hù)的定值清單格式可以人工定義,輸出形式為Word、Excel或報(bào)表,可以選擇一個(gè)元件一個(gè)保護(hù)、一個(gè)元件多個(gè)保護(hù)、多個(gè)元件多個(gè)保護(hù)的輸出方式;整定報(bào)告采用固定模版的形式,輸出內(nèi)容包括整定公式,整定參數(shù)、靈敏度信息以及整定原理,輸出為Word形式,方便用戶(hù)操作。可以選擇單個(gè)元件整定報(bào)告單獨(dú)輸出或多個(gè)元件的整定報(bào)告同時(shí)輸出的方式。
圖6 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖
圖6為軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖,采用模塊化的思想設(shè)計(jì)。軟件主要由人機(jī)交互及圖形操作界面、圖形建模、故障計(jì)算模塊、整定計(jì)算模塊、電氣設(shè)備信息及計(jì)算數(shù)據(jù)查看模塊和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)等幾個(gè)功能模塊組成,各個(gè)模塊間由人機(jī)交互及圖形操作界面為平臺(tái),將各個(gè)模塊之間有機(jī)地聯(lián)系到一起,最終實(shí)現(xiàn)水電站繼電保護(hù)可視化自動(dòng)整定計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)。
圖7為系統(tǒng)完整的計(jì)算流程圖。
圖7 系統(tǒng)計(jì)算的流程圖
本文通過(guò)對(duì)水電站中繼電保護(hù)的研究,提出了水電站繼電保護(hù)可視化自動(dòng)整定計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)時(shí)遇到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥㈦姎庠膱D形化建模、數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、故障計(jì)算、整定計(jì)算專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整定結(jié)果的管理及輸出幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,并結(jié)合開(kāi)發(fā)工具本身對(duì)其加以了分析。最終開(kāi)發(fā)出了工程實(shí)用性強(qiáng),具有通用性、人機(jī)交互界面友好的軟件系統(tǒng)。能很好地解決水電站繼電保護(hù)時(shí)遇到的計(jì)算繁瑣、管理復(fù)雜的問(wèn)題,以及定值清單和整定報(bào)告輸出單一、不規(guī)范等問(wèn)題。同時(shí)還能保證電廠電氣元件繼電保護(hù)整定計(jì)算的正確性和可靠性,便于參數(shù)及數(shù)據(jù)的管理。
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