何 婷，鄧子夜，何飛躍

（中國水利水電科學研究院 自動化研究所，北京 100038）

隨著計算機技術在水電自動化監(jiān)控系統(tǒng)的應用越來越廣泛，在監(jiān)控系統(tǒng)的設計和使用方面有了更高的要求。目前，電氣主接線和廠用電接線圖等水電監(jiān)控畫面的一次系統(tǒng)圖的繪制與電力元件的建模建庫是分開完成的，即先在數(shù)據(jù)庫中建立電氣元件的相關數(shù)據(jù)，然后利用已有的固定圖形繪制電力元件，再將元件的數(shù)據(jù)與其圖形一一對應綁定。這樣工作不僅非常繁瑣耗時，而且沒有體現(xiàn)電力接線圖的拓撲連接特點，并容易導致圖形和數(shù)據(jù)的對應連接出錯。

圖模庫一體化在配電網(wǎng)電力系統(tǒng)和電廠繼電保護等領域已有了較多的應用[1,2]，但是在水電自動化監(jiān)控系統(tǒng)中還未廣泛應用。為此，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司推出的iP9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)[3,4]開發(fā)了新的繪圖包IPM，該繪圖包能夠方便地完成繪圖、編輯、瀏覽及運行測試等功能，提供開放性的圖元定制，采用圖模庫一體化技術，在繪圖的同時建模建庫，大大減少了工程設計的工作量，并實現(xiàn)了更多人性化功能。

1 實現(xiàn)原理

1.1 概述

IPM繪圖包作為iP9000系統(tǒng)中圖模庫一體化繪圖軟件包，全部操作完全基于人際接口，實現(xiàn)全鼠標化，同時定義了快捷鍵操作，提供方便、靈活、快捷、直觀的應用。繪圖包采用了面向?qū)ο蠹夹g，電力設備圖元是以電力設備為描述對象，完成以電力設備為中心的各種量測量的顯示、數(shù)據(jù)庫錄入及更改。具有遵循IEC61970 CCAPI的CIM有關電力元件的連接包，并支持網(wǎng)絡拓撲和動態(tài)著色。在測試狀態(tài)，可以立即觀測所繪制的圖形在實際運行環(huán)境下的情況。

圖模庫一體化的技術旨在以繪圖為先導，實現(xiàn)電力設備建庫、建模，以廠站為單位，圖1為圖模庫一體化流程圖。先進行畫面的繪制，然后設置設備的參數(shù)，通過繪圖軟件的檢查功能，確保接線正確性，將接線圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射到關系庫中。

圖1 圖模庫一體化流程

1.2 圖模庫一體化過程

繪圖軟件中已包含一定數(shù)量的常用電力元件模型，提供開放式的元件定制，若已提供的電力設備圖元不能滿足本地區(qū)接線圖的繪制，可以按電力設備屬性規(guī)則制定新的電力元件，如開關為兩個端點，三卷變壓器為三個端點等，并將電力元件保存為模型。本軟件由面向?qū)ο笳Z言編成，提高了軟件開發(fā)的可維護性、靈活性和可擴充性。先建立圖元基類，并定義圖元對象的基本操作，比如創(chuàng)建、旋轉(zhuǎn)、放縮、移動、刪除等。再由基類繼承得出各電力元件的類，分為保護裝置、避雷器、變壓器、電抗器、電流互感器、電容器、電壓互感器、發(fā)電機、負荷、開關刀閘、連接點、母線、線路、消弧線圈類。這些類先繼承其父類的屬性，然后再定義各自電氣特點的屬性。電氣設備在軟件中擺放繪制，編號命名保存后會在數(shù)據(jù)庫建立該電氣元件相應類別里的模型，按順序自動生成設備ID，并按照設備的接線端子數(shù)生成設備端子ID和連接端ID，有幾個端子就生成幾個端子ID和連接端ID（例如：水電機1個端子，開關刀閘2個端子，三卷變3個端子，母線看作無數(shù)個端子等），為了區(qū)別端子ID和連接端ID，連接端ID為負。將電氣元件用連接線連接，連接線會生成連接線ID，當連接成功后，連接線便有“連接”的屬性，該屬性顯示連接線連接的兩個接線端ID，若為T型連接線，則該連接線的一端連接顯示另一條與之相連的連接線ID。通過這樣的設置，就能清晰地將整個電氣接線圖轉(zhuǎn)化為數(shù)字連接結(jié)構(gòu)來做分析。

另外，通過設備參數(shù)設置不僅能夠給電氣設備設置編號和名稱，還能對電壓、設備類型等電氣屬性進行設置，并把這些參數(shù)存入相應類別中的參數(shù)表中；可以通過端子量測標注對設備的電流、電壓、有功、無功等各種電氣模擬量進行標注，顯示在畫面上。通過SCADA映射功能完成參數(shù)映射，映射SCADA代碼，檢查命名規(guī)則，計算旁路關系，生成各具有命名規(guī)則的設備參數(shù)表和遙測點、遙信點，并建立開關關系，直接在數(shù)據(jù)庫中建立與畫面相關的數(shù)據(jù)內(nèi)容。圖2為量測映射基本過程。

圖2 量測映射基本過程

IPM繪圖軟件對電氣接線圖提供多方面檢查：通過檢查可能無效的小圖元，可去除圖元尺寸小于資源文件中指定的小圖元尺寸；通過建廠廠站數(shù)據(jù)庫參數(shù)的冗余性，可檢查此廠站的數(shù)據(jù)庫設備參數(shù)在當前圖形中是否存在，即檢查無圖設備；通過檢查本圖的設備參數(shù)與數(shù)據(jù)庫參數(shù)的一致性，可檢查圖形中的設備在數(shù)據(jù)庫中是否存在，即檢查無庫設備；通過檢查設備連接關系，可找出為零或參數(shù)重復的圖元，并生成線路及與線路相關的圖元的連接關系；最后通過保存設備連接關系來構(gòu)成整個電路的模型。通過這些功能，確保各電氣設備參數(shù)和連接的正確性，為后面網(wǎng)絡拓撲實時處理功能提供完整正確的參數(shù)。

水電廠的主接線圖，一般是由多個孤島電源點（根節(jié)點）構(gòu)成輻射狀的網(wǎng)絡，通常用樹結(jié)構(gòu)來表示輻射狀的特點。樹結(jié)構(gòu)從根節(jié)點開始，向外層節(jié)點擴展。接線圖的結(jié)構(gòu)分析是將物理設備連接點轉(zhuǎn)化為拓撲連接點。如果從一個頂點開始，用堆棧的方法，搜索一條路徑，直到頂點是斷開的，沒有相鄰的連接點，再退回看上一個頂點是否有相鄰的連接點，尋找新的支路，如此直到所有相連的路徑都被訪問過。再從一個新的沒有相連的點開始，直到所有的點被訪問過[5]。以此深度優(yōu)先遍歷的方法來分析整個電路的拓撲情況。根據(jù)實時掃查各遙信點的數(shù)據(jù)變化，通過拓撲分析和接線分析，對電路進行動態(tài)拓撲著色，并分析設備的拓撲狀態(tài)。

2 應用

2.1 動態(tài)著色效果

通過圖模庫一體化技術實現(xiàn)拓撲動態(tài)著色，在值班員界面上可以清晰地看到各電氣設備是否帶電。為了顯示效果，簡單地搭建了一臺水電機為電源點的接線圖，在測試狀態(tài)下模擬圖中幾個開關和刀閘閉合的情況，如圖3。

圖3 電氣接線圖動態(tài)拓撲著色

從圖3中可以看到由斷開的刀閘將電源和設備隔離開的電氣設備為掉電狀態(tài)，圖中設置為綠色（即1，2，5，6），由閉合的開關和刀閘連接到電源的設備顯示該設備對應電壓等級的顏色，表示帶電狀態(tài)。開關刀閘的狀態(tài)由其對應遙信點接收的狀態(tài)實時決定，拓撲結(jié)構(gòu)迅速響應開關刀閘的變化進行動態(tài)著色。

另外，在值班員界面上，可以直接右鍵點擊查看各設備的設備參數(shù)和拓撲信息，圖4為水電機的設備參數(shù)和拓撲信息，包括代碼、描述、帶電情況、故障情況、設備ID、各種基本屬性和發(fā)電機相關的專有屬性。

圖4 水電機的拓撲信息和設備參數(shù)查看

2.2 圖模庫一體化應用優(yōu)勢

水電計算機監(jiān)控系統(tǒng)iP9000中引入圖模庫一體化技術使得水電監(jiān)控工程有了技術上的進步，并帶來了高效、便捷及更高的可靠性，有如下突出優(yōu)勢：

水電計算機監(jiān)控系統(tǒng)的工程設計人員可以直接按照設計院提供的電氣接線圖進行監(jiān)控畫面的繪制，在此過程中設定設備代碼和相關聯(lián)的遙測參數(shù)，系統(tǒng)自動把元件的屬性添加到數(shù)據(jù)庫中，不再是以往分別繪圖和制作數(shù)據(jù)庫的繁瑣工作，減少重復機械的工作，方便快捷。

繪圖軟件提供的各種檢查功能以及圖模庫一體化技術使得工程設計的出錯率大大減小，為后期現(xiàn)場調(diào)試奠定良好的基礎，更安全可靠。

動態(tài)著色的實現(xiàn)不僅減少了工程設計人員為提高畫面的豐富性繪制動態(tài)潮流圖元的工作量，也使得電廠值班人員能夠更直觀、清晰、準確地監(jiān)視電站各設備的帶電狀態(tài)。

值班員界面的人性化查詢可供值班員隨時查詢各設備的狀態(tài)，不用再單獨到數(shù)據(jù)庫中查找設備和點參數(shù)。

3 結(jié)束語

本文介紹了iP9000水電計算機監(jiān)控系統(tǒng)的圖模庫一體化的技術和應用，詳細說明其實現(xiàn)過程，展示了電氣接線圖動態(tài)著色的效果，并從工程設計人員和電廠值班人員的角度闡述了圖模庫一體化給水電計算機監(jiān)控工程帶來的多種優(yōu)勢，也推進了水電監(jiān)控事業(yè)的發(fā)展。