（电力系统及其自动化专业论文）电力系统故障仿真培训系统的设计与开发.pdf

电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f f a u l ts i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e mf o r p o w e rs y s t e m a b s t r a c t a st h eb a s i ci n d u s t r yo fc i v i le c o n o m y ，t h er e l i a b i l i t yo fp o w e ri n f j u e n c e st h ee c o n o m y b e n e f i ta n dt h es e c u r i t yo ft h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n , a n dt h eo p e r a t o r sl e v e lo fa d m i n i s t r a t i o n a n da c c i d e n td i s p o s i n gi n f l u e n c et h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fs y s t e mo p e r a t i o nd i r e c t l yo r i n d i r e c t l y h o w e v e r ，i ti su n r e a s o n a b l et og e tp r a c t i c ei nt h er e a lr u n n i n gs y s t e m , e s p e c i a l l y f o rt h ea c c i d e n td i s p o s i n g t h e r e b yap c l t i n a t l e ef a u l ts i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e mh a sa v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o na n dp r a c t i c a l i t yv a l u et oi m p r o v et h eo p e r a t o r sl e v e lo fa c c i d e n t d i s p o s i n g t h i st h e s i sd e s i g n saf a u l ts i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e mf o rt h eo p e r a t o r s a n di t p u r p o s e st or e f l e c tt h er e a ln e t w o r kd e v i c ec o n f i g u r ea n dt h es t r u c t u r er e l a t i o n s h i p ，s i m u l a t e t h es y s t e mo p e r a t i o ns i t u a t i o n , p r o v i d eaf a v o r a b l ei n t e r f a c e f o rt r a i n e e sa n de v a l u a t i o n c o a c h e s ，m a k e 协d i n e g sh a v ec h a n c et oc o n t a c tt h ef a u l td r i l l i n ga n da c c i d e n tm a n a g e m e n t , h e l pt 1 a i n e e st oa c c u m u l a t ee x p e r i e n c ea n di m p r o v et h et e c h n i q u el e v e l a b o v ea 1 1 i td e s i g n sa no v e r a l lf r a m eo ft h ef a u l ts i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e mf o r p o w e rs y s t e m , d e s c r i b e st h es t r u c t u r er e l a t i o n s h i po fs y s t e m ，m a s k so f f t h ef u n c t i o nm o d u l e s t h es y s t e mi sb a s e do nt h ed a t a b a s e ，a n da l lo ft h ef u n c t i o n sa r et u r n e do nb yt h eg r a p h i c a l i n t e r f a c e s t h ed e s i g no f t h ef r a m em a k e st h ef o u n d a t i o nf o rt h es y s t e md e v e l o p i n g s e c o n d l y ，i tn s e st h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yt od e v e l o pt h en e t w o r k d r a w i n gi n t e r f a c eo fp o w e rs y s t e m w i t hw h i c ha c h i e v e st h ep r o t r a c to ft h ep r i m a r yd e v i c e g r a p h i c a le l e m e n t , a n de d i ti ts i m p l y t h e np a i n tt h en e t w o r ko fa2 1 2 w mp o w e rs t a t i o n w i t ht h i sd r a w i n gi n t e r f a c e f o rt h ed a t a b a s ed e v e l o p m e n t , c i mi su s e dt ob e c o m et h es t a n d a r do fa l lp r i m a r y d e v i c e s ，a n dt h ed e v i c ed a t ai sm e m o r i z e da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r de m sd a t as t n w t u r e i ti s b e n e f i c i a lt os h a r ed a t af r o me m sd i r e c t l y ，a n dt h e nm a k e sa d v a n t a g e sf o rt h ef a r t h e r d e v e l o p m e n to f t h es y s t e m b a s e do nd e s c r i b i n gt h en e t w o r kt o p o l o g ym o d e lw i t hc i m , a c g o r d i n gt ot h er e a s o n st h a t t h ef l o wo f p o w e rs y s t e mh a st h er i g h td i r e c t i o n , t h es t a t eo f t h es w i t c hb a n dd e v i c ec h a n g i n g o n l yi n f l u e n c et h eb u s e sf o r m i n go nt h es a m ev o l t a g el e v e l ，a l lt h ee l e c t r i c a ld e v i c e sh a v et h e i t e mo fv o l t a g el e v e ld e f i n e db a s e do nt h ec i md a t as l r u e t u r e ，a n de t c ，t h en o d em e r g i n g m e t h o di su s e dt oa n a l y z et h et o p o l o g yo v e r a l l ，a n dt h e nr e s e a r c h e sa tt h es a m ev o l t a g el e v e l t o a n a l y z et h el o c a lt o p o l o g yf a s t t h e nf e e db a c kt h er e s u l to ft o p o l o g ya n a l y s i st ot h e g r a p h i cd r a w i n gi n t e r f a c e ，l l s e sd i f f e r e n tc o l o r st od i s t i n g u i s ht h ed e v i c e sp o w e r e do f f o ro n 大连理工大学硕士学位论文 t h i st h e s i sd e s i g n st h ef a u l ts i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e mt o t a l l y ，a n dd e v e l o p s e l e m e n t a r yf u n c t i o n sp a r t l y t h es y s t e mi se x p e c t e dt 0c o n s u m m a t ea n de x p l o r ef a r t h e r ，t o a c h i e v ei t su s e f u lv a l u ea n de f f e c tf o r 缸a h l i n g k e yw o r d s ：g r a p h i c a li n t e r f a c ed e v e l o p m e n t ；o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ；c 蹦： d a t a b a s e ：t o p o l o g ya n a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对g , 1 4 f 究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：显盘日期：边：笸7 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可阻将本学位论文的全部或部分内容编有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 址 新豁盘盈 四年上月卫日 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 1绪论 电力是工业生产的主要能源，电力运行的可靠性及供电质量的优劣直接影响着工 业生产的经济效益和安全性。现代电网规模、容量和覆盖的范围越来越大，在国民经济 和人民生活中占有重要的地位，故障停电将给用户造成重大经济损失。随着电力市场的 逐渐形成和发展，故障停电还将严重影响到供电方的经济利益。因此，保证电力系统安 全、可靠、经济运行，防止事故的发生和扩大，是供用电双方共同的迫切要求。这除了 涉及电力系统的设计、设备的自动化程度和控制技术等物质条件以提高电网调度系统及 集控站、变电站的自动化程度，更为重要的是与各级运行人员的岗位操作技能密切相关。 变电站是电力系统有机整体的重要环节，其运行和操作人员技术水平的高低，直接或间 接地影响了系统运行的可靠性、安全性。所以，提高运行人员技术水平成为电力企业和 培训中心的迫切要求【j j 。 1 1 课题提出的意义 在2 0 0 3 年1 1 月1 9 日“8 1 4 ”美加大停电联合调查小组“中期报告”中，对“8 1 4 ” 大停电的原因有这样一段描述：“8 1 4 ”发生的大停电，是由于缺乏有针对性的演习， 设备问题以及当天下午人为决策失误等原因夹杂在一起造成的【2 】。其中，有两类原因直 接或者间接地与缺乏对培训系统的有效利用有关。此前1 1 月5 日由密歇根州公用事业 委员会( m p s c ) 发布的调查报告 3 1 也提出这样的建议：进一步对紧急事件处理中心 ( s e o c ) 的人员进行培训，掌握各种紧急情况的处理方法。由此可见，在具体运行人 员有能力独立工作之前，培训是非常必要的。 然而由于电力系统在国民经济和人民生活中占有特殊的地位，不可能也不允许在现 实的运行系统中进行操作试验。而且电力系统在绝大部分时间内，都是处于正常的运行 状态，事故很少发生，这些都使得运行人员难以在电力系统的正常操作和事故处理中得 到充分的训练。一旦事故发生，往往会因为运行人员处理不当而导致事故的扩大。电力 系统仿真培训技术是计算机技术与电力系统仿真技术相结合的产物，是进行电力系统知 识教学与培训的一种强有力的手段。经过多年的研究和发展，目前针对电力系统各级运 行人员都有相应的仿真培训系统。 但是就目前的研究而言，针对调度员培训的d t s 发展很快，针对继电保护运行人 员的故障培训系统的开发则相对偏少。作为一套完整的故障仿真培训系统，它要求能够 真实的反映电网的设备配置和网络结构关系，以及模拟系统运行时的工况；同时，对于 受训人员和操作评估人员，需要获得良好的人机界面，能够得到准确的提示信息。进行 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 自我学习、故障演练、事故处理等技术环节。故障仿真培训系统可以帮助运行人员全面 了解网络的设备配置、运行状况，提高他们判断和处理事故的速度和准确性，帮助运行 人员积累经验。另外，相对于d t s 主要用于培训调度人员，故障仿真培训系统则是偏 重于对网络故障、继电保护动作的仿真和处理，更加针对于继电保护的运行人员。 1 2 国内外研究现状的综述 在我国范围内，首先在火电厂和核电厂开展了仿真培训系统的研究和试验，取得了 很好的效果。现在核电厂和火电厂配备仿真培训系统的必要性已经被国内外所公认，我 国电力部门规定核电厂和3 0 万k w 及以上的火电厂机组，都必须要配备仿真培训系统 【4 1 。 电网调度培谢仿真系统，我国几个跨省网调几乎都配备了电网调度培训仿真系统， 省网调度中配备培训仿真的也日益增多。 变电站是电力设备集中点，也是安全问题的突出点，提高变电站安全运行水平是实 现系统安全的重要基础。我国的变电站具有分布广、发展快、数量大、运行人员水平较 低的特点。目前，在很多供电部门和电力技术学校都配有变电站仿真培训系统。 目前，对运行和检修人员的培训方式主要有：课堂培训、仿真机、岗位培训、实验 室或是车间培训、计算机辅助教学、自学、模拟体【5 j 。 1 2 1 培训仿真系统发展现状 ( 1 ) 多媒体c 越课件 随着计算机技术的发展，多媒体技术的应用越来越广泛了，它的一个重要应用领域 计算机辅助教学( c o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o n ，c a d 越来越受到教育界青睐。国 内外许多大学在c 硝课件的开发上取得很多成果。 例如武汉大学的电力系统及其控制多媒体课件嘲：英国b a t hu n i v e r s i t y 和l i v e r p o o l j o h nm o o r e su n i v e r s i t y 联合开发的p o w e rs y s t e md y n a m i c s 课件鸭荷兰d e l f tu n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y 的p o w e rs y s t e ma n a l y s i si 课件【列；美国n e wm e x i c os t a t eu n i v e r s i t y 开发 的i l l u s l r a t i n g p o w e rs y s t e mp r o t e c t i o np r i n c i p l e s 课件1 9 1 等等。这些c a 课件将抽象的原 理通过形象的动画的方式表达出来，调动了学生的学习兴趣，取得了很好的教学效果。 课件属于教学类工具，不具备为工程实践方面提供培训的基础条件，现场感和互动 性不强，所以对运行人员还是存在弊端的。 ( 2 ) 调度员培训仿真系统 调度员仿真培训系统( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ，d t s ) 主要是模拟电力系统的 静态、动态响应及事故恢复过程，使调度员在与实际控制中心完全相同的调度环境中熟 大连理工大学硕士学位论文 悉电力系统的基本操作、事故紧急处理和恢复控制，井且掌握能量管理系统e m s 的各 项功能，从而更好地完成系统在正常和故障情况下的操作任务。d t s 的主要功能为：调 度室工具使用的培训、开关操作步骤及有关安全事项的培训、正常状态下运行的培训以 及事故状态下运行的培训【1 0 1 。从1 9 7 6 年提出d t s 的概念，1 9 7 7 年研制出第一套d t s ， d t s 经过几十年的发展已经基本稳定，从上世纪9 0 年代开始，动态仿真技术和面向对 象技术等相继引入到d t s 中。到目前d t s 的发展方向是d t s 与e m s 的一体化实现。 国内d t s 的研究始于上世纪s o 年代末1 9 9 0 年第一套d t $ 系统投入运行，经过 几十年的发展，已从理论研究走向实际运用【l ”，并逐渐形成产业【1 2 1 。d t s 的应用从东 北、华北和华东三大网调的试点，推广到各个网省调、大中型地调、集控中心和大型变 电站。并拓展到电力培训中心和高等院校的电力专业。d t s 的体系结构从e m s 接口采 用“定制”方式的独立性异构系统到与e m s 采用统一支持平台的一体化系统，直到目 前正在研究的典型的e m s d t s 体化的电力系统应用软件【1 3 】，其基于m c 的6 1 9 7 0 标 准，可以实现一体化接口的“即插即用”功能，为以后d t $ 的开发和拓展提供了新的 发展方向( 。 ( 3 ) 变电站培训仿真 变电站仿真培训系统已经发展了十几年，从早期出现的带盘台模式的仿真系统，典 型的如天津大学和大港油田水电厂共同研制开发的大港油田变电站仿真培训系统【i ”。到 现在只由计算机硬件、仿真软件和网络组成的纯软件模式的仿真培训系统，可以直接安 装在现场，更具现场感，满足更加具体的培训内容的要求。 比较典型的纯软模式的仿真系统【4 】，是由清华大学为浙江某水电站进行开发的，给 出了基于计算杌纯软件模式的水电站运行人员仿真培训系统的组成结构，该系统由工程 师工作站、图形工作站、教练员台、多个训练员台、仿真计算服务器及外围输出设备构 成的局域网。对整个水电站的各个设备都进行了全范围的仿真，并突破传统单机模式仿 真格局，对水电站能够进行高逼真度的仿真随着计算机和自动化技术在电站中的广泛 应用，基于纯软件模式的培训仿真系统将进一步获得广泛的应用。目前该系统已在浙江 某水电站投入运行，它对未来水电厂仿真培训的建立都有一定参考和借鉴意义。 ( 4 ) 保护培训仿真系统 对于继电保护静研究，可以分为研究的仿真和培训仿真两类。在研究仿真方面已经 取得了大量的成果，对于培训仿真来说，它有着自己的一些特点，比如对实时性要求不 是很高，但是对仿真界面和操作方式要求很高的逼真性。目前在培训仿真方面，多采用 多媒体技术、面向对象技术、数据库技术、网络技术等手段来不断改进和完善系统的人 性接口。但是目前特别针对故障仿真的培训系统还是比较少的，多数研究还郁是基于 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 d t s 06 】方面。郑州大学开发的故障仿真培训专家系统【1 7 1 是比较典型的针对故障的培训系 统。它将图形程序开发、电网故障仿真和培训专家系统相结合开发了比较完整的培训系 统。 不同于前文所提到的多媒体形式的课件，目前利用多媒体技术针对具体的保护装置 都开发出了相应的培训软件，例如山东大学与南瑞继电保护公司合作研究的多媒体软件 培训系统嗍，就是针对r c s 9 8 5 发电机变压器组成套保护装置开发的培训软件，美国 g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 开发的虚拟电力系统【i 川，则具体给出了阻抗继电器和变压 器差动继电器在继电保护培训方面的应用，这种对某种具体保护装置的培训系统开发针 对性比较强，非常适合涉及继电保护领域的公司进行产品的宣传和推广，商业价值很大。 应用于各供电公司或者是电厂的仿真培训系统，则需要为培训人员提供通用的培训 平台，如绘图工具、声音生成、文本生成、菜单生成等工具设计，完成适合本部门的教 学培训素材。帮助运行值班人员掌握继电保护及一二次回路的工作原理，提高运行人员 对事故的正确判断及事故处理方面的能力1 2 0 。另外针对实际需要，某些培训系统的研 制重点集中在了继电保护动作逻辑的仿真方面1 2 ”。 培训仿真系统的形式不同、用户对象不同，开发重点和采用手段也不尽相同，但系 统开发的最终目的都是为了提高运行人员的操作水平，保证电力系统能够安全、可靠的 运行。 1 2 2 面向对象的电力系统图形程序开发 面向对象程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 并不是一种程序设计语言， 而是一种新的概念，即关于数据、过程和它们之间关系的一种新的思维方法，是一种试 图摹仿我们建立现实世界模型的程序设计方法，用现实世界描述对象的方法来描述软件 的问题。自上世纪7 0 年代开始兴起面向对象的编程技术以来，其已经被广泛应用于操 作系统、数据库管理、人机界面设计、作战模拟、网络通信等各个领域，9 0 年代o o p 技术趋于成熟，目前已是软件界极为推崇的程序设计方法，受到越来越多编程人员的欢 迎。 随着现代电力系统规模的不断扩大，复杂程度越来越高，采用传统的面向过程的编 程思想开发的软件已经愈发不能满足需求了。因此o o p 技术已经全面应用于电力系统 的各开发研究领域。数值计算、系统仿真、核心数据库组织等，特别是作为人机交互接 口的图形界面更是o o p 技术开发的热点。目前，图形界面的开发也分为不同的类型， 有些独立开发以适应自身其他分析软件接口的图形程序，也有些基于现有电气绘图工具 如a u t o c a d 进行二次开发的，也有如美国p o w e r w o r l d 公司经过多年开发研制的可视化 大连理工大学硕士学位论文 电力系统分析软件p o w e r w o r l ds i m u l a t o r ，几乎囊括了包括可视化系统网络绘制，数据 分析，培训系统等在内的所有电力系统有关的应用，目前其s i m u l a t o r v e r s i o n 已经发布 到1 2 0 版本。 作为支撑电力系统应用的图形平台，图形系统需要完成的功能主要有以下几个部分 】： ( 1 ) 电力系统的结构表达，用图形直观的表示电网的地理分布，厂站的接线形式， 形成电力系统的网络拓扑结构。 ( 2 ) 电力系统元件与信息的静态和动态表示，图形系统用丰富形象的图元表达电 气设备和电网数据，并能静止或动态变化显示各种状态和信息。 ( 3 ) 电力系统状态与各类应用的图形化表示和操作。 ( 4 ) 电力系统设备与信息的图形化数据管理。 面向对象技术相对于传统的面向过程的方法，增加了代码的重用性和可扩充性，极 大地提高了编程效率。 目前比较常用的方法是采用v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等工具结合不同的数据库完成 绘图平台的开发。为s c a d a 系统提供图形显示或以此为基础实现大型企业的电力信息 管理等仁3 捌。 随着i n t e r n e t 技术的发展，为了实现更大范围的信息共享和减轻系统的维护量，网 络级的应用软件计算模式也逐渐向b s 模式进行了转变。新型的基于w e b 的电力系统 图形实现方法，是以x m l 文档描述电力系统图，通过浏览器端对x m l 文档进行解析， 将电力系统图呈现在浏览器端。这样可以利用现有的电力系统图形编辑软件，而无须重 新开发，节省了人力物力。例如文献2 5 就实现了基于b s 模式的电力系统的图形操作 界面。其核心是构造由浏览器端下载、安装，并运行于客户端的封装商业规则的a c t i v e x 控件，将该控件嵌入a s p 网页中。直接利用v i s i 0 2 0 0 2 的基本绘图功能建立自己的绘图 模版，通过面向对象语言编写应用程序将v i s i 0 2 0 0 2 绘制的v s d 文件转换为系统需要的 x m l 文档，再以二进制形式保存于数据库中。当客户首次访闯a s p 网页时，a c t i v e x 控件自动下载并安装，运行于客户端的控件即可显示图形操作界面。 面向对象的编程技术方法很多，对电力系统图形工具的实现上形式也比较多样，在 具体开发上可以选择适合开发对象特点的方法来进行开发工作。 1 2 3 电力系统网络拓扑分析 拓扑学，英文为t o p o l o g y ，直译是地志学，也就是与研究地形、地貌相类似的有关 学科。是近代发展起来的研究连续性现象的数学分支，最早起源于对地貌的数学研究， 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 如哥尼斯堡七桥问题、四色问题、多面体欧拉定理等。现在，拓扑学已经拓展为许多分 支，人们常利用拓扑学的数学意义，数学方法来解决许多理论上或者是工程上甚至是人 文学科上的问题。 从1 8 4 7 年基尔霍夫应用图论的方法来分析电网络开始，就奠定了现代网络理论的 基础。电力系统中的网络拓扑分析( n e t w o r kt o p o l o g y ) ，又称为网络接线分析，它主 要是对网络的连接结构进行描述，抽象出实际网络的连接关系，并且对网络中开关状态 的变化进行处理，形成新的网络接线时，得到相应的拓扑数据，供给其他分析程序应用。 网络拓扑分析是电力系统中各种分析计算功能的基础，追踪电网拓扑，一方面为运行人 员提供电网的运行状况；另一方面是为了得到实时系统网络拓扑的等值表示，利用此等 值表示，得到对电力系统进行各种数值模拟分析有关的原始数据，实现电网拓扑表达模 型和常规数值计算方法的接1 2 。 目前，对电力系统进行网络拓扑分析采用很多方法。早期的拓扑程序都是基于特定 的数据结构来描述的【2 “，这种做法的最大缺点是缺乏通用性和可扩充性，特别是当一些 新型元器件( 如f a c t s 设备) 弓i 入时，必须修改原来的拓扑程序和数据结构，从软件 的复用性角度来看是一个致命的弱点【2 酊。 在拓扑模型的建立方面，数据表的方法【2 9 】，矢量图坐标法【2 8 】，关联矩阵法【3 0 】等， 都是在拓扑分析的建立模型方面比较常用的方法。 在实时拓扑分析方面，目前多采用深度优先遍历口”，跟踪技术【3 2 , 3 3 以及节点融合及 编号【2 8 】等方法。作为拓扑分析，他最初是应用于地理方面的，因此基于地理信息系统 ( g i s ) 的电力网络拓扑算法1 3 4 】也算是归于拓扑的原始应用。利用g i s 的连通性功能， 在基于g i s 开发的图形编辑平台上，对网络元件的属性表和拓扑进行处理，是基于g i s 拓扑分析的高级应用。 从拓扑分析的实现手法上来看，多采用面向对象技术【2 日和数据库技术【2 研相结合来实 现网络拓扑分析。主要是为了能够对网络拓扑结构变化进行跟踪，并实现网络动态着色 功能。 另外，目前由于作为i e c 推出的i e c 6 1 9 7 0 标准中公共信息模型c i m ，已经日渐被 各国接受为电力系统模型的工业标准，基于c i m 模型进行拓扑分析1 3 5 】支持的研究越来 越被人们关注。特别是网络拓扑分析是作为其他应用程序的基础，属于数据支持部分， 就需要考虑与其他部分的接口。而c i m 作为标准模型，如果程序设计阶段都建立符合 c i m 模型标准，则在数据连接上( 如e m s 中一次设备数据与拓扑分析建立连接) 会实 现数据接口的无缝耦合。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 本文从系统整体构架开始入手，主要完整设计并部分实现了一个图、库、模一体化 的电力系统故障仿真培训系统。包括系统各功能部分的划分和设计、图形绘制平台的开 发、数据库管理系统的设计、支持功能中的网络拓扑分析以及培训评判系统的设计。论 文的核心工作内容如下： ( 1 ) 分析和借鉴国内外仿真培训系统的发展状况，对故障仿真培训系统进行总体 的设计工作，划分出各功能模块，分析各模块的结构关系，并选择出合适的方法开发模 块功能。 ( 2 ) 介绍图库一体化平台的设计和实现技术，并采用面向对象技术进行仿真培训 系统图形绘制平台的开发，以及对数据库管理系统进行结构设计。 ( 3 ) 对支持功能部分的网络拓扑进行分析。介绍c i m 模型，利用其建立拓扑分析 模型，采用节点融合法和同电压等级局部搜索法从全局和局部两个方面具体完成网络拓 扑分析，反馈至图形绘制平台实现动态着色功能。 ( 4 ) 设计培训评判系统，分析和比较不同的评分方案并选择利用，针对不同的题 目类型设计不同的处理方法，实现评判功能。 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 2 系统整体构架设计 电力系统的仿真培训技术是计算机技术与电力系统仿真技术相结合的产物，是教学 与培训的一种强有力的手段，目前针对电力系统各级运行人员都有相应的仿真培训系 统。作为一个仿真培训系统，它的仿真程度主要取决于两个因素：第一，是对运行过程 动态特性的仿真，第二，是对操作界面的仿真。前者主要是通过它使得学员对整个保护 运行的过程有正确的了解；后者主要是尽可能真实地再现实际的设备配置，网络连接以 及完成相应的功能，现场感比较强，以增加培训效果。目前对故障仿真培训系统的开发 主要集中在以上的两个方面。 2 1 系统总体功能设计 系统是以前台的图形界面和后台数据库管理为核心，所有功能均通过图形界面的触 发来实现。所有程序流程都通过数据库来存储及读取数据。从而保证了系统数据的共享 性、安全性及准确性。系统总体可分为如下几个功能模块： ( 1 ) 图形界面模块，包括图形绘制平台，教练员学员操控平台以及学员情况查询 等，该模块是系统与操作用户的唯一接口，是整个仿真培训系统得以实现的 基础和操作平台。 ( 2 ) 数据库管理模块，存储着系统所需的所有数据，既包括用于仿真功能的电网 络绘制的配置信息、运行仿真的参数信息等数据，又包含对培训学员的信息 管理等数据。通过图形界面接口可以方便的完成信息的删改和存取。 ( 3 ) 网络拓扑分析模块，对所绘制的电网络连接图进行逻辑层面的拓扑分析，为 潮流计算和短路计算模块提供模型基础。同时拓扑分析结果如电气设备带电 信息通过图形界面反映出来。 ( 4 ) 潮流计算模块，负责提供电网络潮流变化的数据，为保护的仿真提供正常情 况下的运行数据。 ( 5 ) 短路计算模块，通过在图形界面模块设置各种可能的故障点及故障类型，计 算在某种运行方式下的短路电流值及各点电压值，为保护动作仿真提供参 数。 ( 6 ) 保护动作仿真模块，根据潮流计算结果和短路计算结果，并依据保护装置的 工作原理模拟出具体故障情况下的保护动作情况，并通过图形界面中元件颜 色的变化反映出断路器设备的开断情况。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 成绩评判模块，记录学员培训情况，自动评分给出成绩评价，根据阶段学习 成绩指导下面培训安排等。 其中，图形界面和成绩评判模块为培训仿真部分，属于具体应用部分；网络拓扑分 析、潮流计算、短路计算、保护动作仿真为运行仿真部分，在整个软件中是透明的，属 于数据支撑部分；所有模块连接起来的核心部分就是数据库管理模块，各模块采用 o d b c 接口与数据库相连，通过其实现模块问的数据传递功能。 存入相应的数据表中 网络莲接囤上显示数据 图2 1图形界面模块与数据库的关联 f i g 2 1 t h ea s s o c i a t i o no f g r a p h i c a li n t a f f a c cm o d u l ea n dd a t a b a s e 存入相应数据表 剪l g - f q 一 h 数据库中取出相应拓扑 随气信息 参数， 蓁 _ ：二_ - 、_ 库 网络连接囝上显示数据 图2 2 图形界面模块、潮流计算模块与数据库数据信息传递 f i g 2 2 t h ed a t at r a n s f e rb e t w e e ng r a p h i c a li n t e r f a c em o d u l e , f l o wc a l c u l a t i o nm o d u l ea n dd a t a b a s e 图2 1 表示了单独的功能模块与数据库之间的联系，也可以理解为简单的数据存取， 仅以图形界面模块为例，其他各功能模块的实现与之类似图2 2 中表现了功能模块通 过数据库相互传递数据的过程。以数据库为核心，所有数据均通过数据库来传递。 一9 一 溯弹尊梗块 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 2 2 运行仿真功能设计+ 在本系统中，运行仿真部分包括网络拓扑分析、潮流计算、短路计算以及保护动作 仿真等模块，其中潮流计算和短路计算部分已经形成了通用模块，只需通过通用接口的 连接即可调用相应模块功能。网络拓扑分析是比较重要的数据支撑部分，也是本文工作 的重点之一，将在第四章中详细介绍。 在事故条件下，继电保护和安全自动装置如何动作、何时动作直接影响到电力系统 的稳定及运行状态。因此继电保护动作的仿真，对培训系统能否逼真的模拟真实电力系 统的实际运行情况有着重要的意义。 目前继电保护动作仿真有两种实现方法：逻辑判别法和定值判别法。 ( 1 ) 逻辑判别法 逻辑判别法是通过设定从故障点向外围的开关逻辑和继电保护装置动作时延的配 合来反映选择性，易于满足速动性的要求，但不能反映保护装置的灵敏性要求，必须依 靠教练员设置保护的拒动和误动来弥补灵敏度的不足，某些运行条件下结果与实际情况 差别较大1 1 6 】。逻辑判别法不涉及保护定值的计算和比较。设备发生故障时不计算短路电 流，而只是根据已知的保护配置通过网络拓手 和逻辑判断来触发相应的保护动作。鉴于 本系统需进行保护定值计算及所采用的网络拓扑方法，不适用逻辑判别法来进行保护动 作的仿真。 ( 2 ) 定值判别法 对于定值判别法，主要是基于保护对象本身的动作规则1 3 6 】，根据测量量与定值比较 来输出动作信息，不依赖外部的具体故障类型和故障点，自主性和封装性都比较强，适 用于面向对象的编程思想，适合于本系统整体的面向对象编程技术总体编程思路。在具 体编程实现上，可以先设计一个保护基类，其包括保护的共性数据和一致的接口，而派 生类则包括各自保护模型的特殊属性和判断原理。虽然定值判别法实时性差一些，但其 依靠自身的模型可以反映动作的灵敏性要求，对于培训系统这种实时性要求不是很高的 工作来说，定值判别法相对来说是比较适合的。图1 3 描述了继电保护动作的基本流程， 具体仿真程序的编码工作按照此主线进行。 注：继电保护动作仿真的软件开发工作由合作者完成，本文不作论述 大连理工大学硕士学位论文 罂2 3 继电保护动作基本流程图 f i g 2 3 t h eb a s i cf l o wg h a r to f r e l a yp r o t e c t i o na c t i o n 断路 2 3 培训仿真功能设计 前文提到培训仿真部分包括图形界面和成绩评判模块。但从培训软件的客户端即用 户使用角度来看，功能上主要分为信息管理部分和培训功能部分。其中信息管理部分是 对学员和教练员相关信息的可视化管理模式，以便教练员及时了解学员的学习情况提出 相应参考意见，同时也使学员对自身学习状况有一个了解从而更明确下一步的培训目 标。培训功能部分就是培训系统的主要外部应用部分，包括教练员设置、学员自我培训 以及学员考试等功能。后文章节中将要描述的图形绘制平台和成绩评判的功能都是为上 述使用功能提供服务支持的。 2 3 1 信息管理部分 实现信息的可视化管理，不同登陆身份拥有不同的使用权限。教练员主要可修改培 训内容，进行图形绘制，故障设置，查询学员信息等：学员只可选择培训内容，查询修 改个人情况等，其他功能对其屏蔽。 ( 1 ) 系统登陆界面及功能示例，图2 4 。 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 图2 4 系统登陆界面及功能示例 f i g 2 4 t h es y s t e ml o g i ni n t e r f a c ea n df u n c t i o ne x a m p l e ( 2 ) 教练员界面及学员情况查询功能示例，图2 5 。 图2 5 教练员界面及学员情况查询功能示例 f i g 2 5t h ec o a c hi n t e r f a c ea n ds t u d e n tq u e r yf u n c t i o ne x a m p l e ( 3 ) 学员界面及个人信息查询功能示例，图2 6 。 一1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 6 学员界面及个人情况查询功能示例 f i g 2 6 t h es t u d e n ti n t e r f a c ea n di n d i v i d u a lq u e r yf u n c t i o ne x a m p l e ( 4 ) 师生交流功能示例，图2 7 。 图2 7 师生交流功能示例 f i g 2 7 t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ne x a m p l eb e t 、e c o a c ha n ds t u d e n t 一1 3 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 仅以上述几个主要界面及典型功能为例介绍系统中信息管理部分的内容。其余功能 部分将在后文中相应的章节具体进行介绍。 2 3 2 培训功能部分 ( i ) 教练员功能，教练员通过功能菜单的选择，可以进行电网络接线图的绘制， 在接线图上任意点设置不同类型的故障，同时为使故障表现更加复杂，可以对保护元件 的属性设置为据动。通过程序接口调用保护动作仿真模块，将故障结果信息反映到电网 接线图上，形成故障表现图，通过声音、颜色或者是警报窗口来标识。此时存储的图形 文件为两个，一个是稳定状态下的电网络接线图，另一个是发生故障后的接线图。 ( 2 ) 学员功能，学员通过功能菜单选择所培训的项目，察看正常运行方式下的电 网络接线图，再根据故障表现图及警报表示选择故障点以及故障类型，并且需要选择该 故障的处理方式，确定后进行提交并保存历史纪录。最后由评判系统根据学员的选择纪 录进行评分，并给出相应评价。对于学员的自我培训方式来说，将评判环节改为给出学 员正确答案，以便学生进行参考。 培训功能流程如图2 8 和图2 9 所示 图2 8 教练员功能流程图 f i g 2 8 t h ef l o wc h a r to f c o a c hf u n c t i o n 大连理工大学硕士学位论文 学员功能八口 察看图形文件 根据提示选择故障信息故 障点及故障类型 给出故障处理意见 提交并保存记录 调用成绩评判模块 结束 图z9 学员功能流程图 f i g 2 9 t h ef l o wc h a r to f s t u d e n tf u n c t i o n 2 4 本章小结 本章主要描述了系统总体框架的设计思路，属于整个系统的工程基础。该框架比较 完整地包含了系统的所有功能设计，其中包括系统功能模块的划分，运行功能的仿真和 培训功能的仿真。 电力系统故障仿真培训系统的设计与开发 3电力系统图形绘制平台开发及数据库设计 对于故障仿真培训，或者其他如调度员培训仿真器d t s 等设备中，电气设备的接 线图是非常重要的入机界面。首先，它是受训人员和教练员进行模拟操作的主要界面； 同时它也反映了电网的设备配置和网络结构关系等信息，并能够反映真实或者模拟系统 的运行情况。因此，图形支持平台包括图形绘制和数据库关联，在现代仿真系统中占有 非常重要的地位。 本文中从电力系统图形绘制平台开始，对故障仿真培训系统进行一个完整的设计。 在图形绘制平台的开发上，我们采用v i s u a lb a s i c n e t 程序设计语言，在数据库管理方 面，选择m i c r o s o f ta c c e s s 数据库进行数据存储管理。 3 1 面向对象程序设计方法介绍 面向对象程序设计( o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ，o o p ) 是一种计算机编程的构架， 是一种试图摹仿我们建立现实世界模型的程序设计方法，是一种新的概念，即关于数据、 过程和他们之间关系的一种新的思维方法，它用现实世界描述对象的方法