（电力系统及其自动化专业论文）地区电网继保定值在线校验分析系统的深入研究与实现.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文地区电网继保定值在线校验 分析系统的深入研究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：远：萄建 日 期：趔库2 2 目刁日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：銎猛壁导师签名：2 妇：多= 7 日 期：趁鲤笨2 竭回日 日 期：z ! 兰：! 。 iq f， 华北屯力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 继电保护定值是继电保护装置准确、可靠、合理地切除故障的重要保证，然而 保护装置的定值由于考虑的因素很多整定起来非常困难。随着电网规模的不断扩 大，电网结构也日趋复杂，不仅造成继电保护整定计算的工作量越来越大，而且使 继电保护整定值的配合越来越困难。 由于电网的运行方式多种多样，目前只能采用电网最大、最小、检修等几种运 行方式来简单概括所有运行方式的方法计算保护定值。但是，在系统实际运行中， 其运行方式是不断变化的，当系统处于某些特殊的运行状态时，系统中部分保护的 定值可能不能满足灵敏度和选择性的要求，存在保护误动或拒动的事故隐患，如果 不能及时发现并进行调整，有可能使整个电网保护定值的配合出现偏差，造成保护 定值之间的不配合而使发生故障时保护误动或者拒动，造成大范围的停电事故。同 时，整定计算出的定值无法通过实际故障来验证其选择性和灵敏度。目前的整定计 算程序只能通过模拟有限的故障类型来校验保护定值的远、近后备的灵敏度。但当 保护范围伸得较远时，与其它线路或电气保护的配合关系则无法验证。 综上所述，目前采用的定值校验方法，实际上是一种开环工作方法，对计算出 的定值在系统故障时的动作情况如何，继电保护工作者无法在系统发生故障前掌 握。因此，校验各继电保护的定值是否合理，能否保证继电保护装置的选择性、灵 敏性，对于地区电网的安全可靠供电就显得尤其重要。针对这种情况，开发了这套 “地区电网继保定值在线校验分析系统”。 对于地区电网，因为要求1 1 0 k v 必须开环运行，其运行方式的变化更加频繁， 另外由于负荷和地理原因电网结构也不尽台理，这些原因都给继电保护定值整定带 来新的问题，这些问题就成为地区电网保护定值在线校验工作的现实意义。在研究 继电保护定值在线校验分析系统中，重点在于其在e m s 环境下运行时应能及时的 根据s c a d a 系统提供的开关状态完成网络的拓扑分析，并在此基础上校验系统当 前运行方式下的定值是否存在死区、有无不合理的保护定值，尽可能的给出不合理 定值的修改方案或建议。 1 2 相关课题在国内外的研究现状 从2 0 世纪7 0 年代开始，保护定值的整定计算开始向利用计算机的方向发展，其 华北电力大学硕士学位论文 基本方法是将过去整定计算中有关各种故障的分析计算改由计算机完成，这种方式 使保护定值计算的速度、精度以及相应的定值校验工作都发生了质的变化。但总的 来说，在软件的体系结构和设计方法等方面还存在一些问题： ( 1 ) 可重用性差。拓扑分析、潮流、故障计算等许多电力系统的软件产品所 必备的基本内容重复开发。 ( 2 ) 可维护、可扩展性差。封闭的应用程序体系结构缺乏必要的灵活性，难 以变更适应设备配置、电网结构及保护整定原则的差异；面向代码的设计框架缺乏 开放性，难以满足日益广泛的分布式网络应用的需求。 ( 3 ) 混合编程效果不佳。软件严重依赖于编程语言，用不同语言开发的应用 软件难以交互，在同一应用软件中难以发挥各种编程语言提供的优良性能【2 1 。 目前，国内外的主要研究都集中在定值的计算和自适应保护上，而往往忽视了 对保护定值的校验。二十世纪九十年代中期以来，这种重整定而轻校验的情况有所 改善，一些高等院校和科研单位对保护定值的灵敏度校验进行了研究，并编制了应 用于校验1 1 0 k v 线路距离、零序保护和3 5 k v 及以下配电网三段式电流保护定值的 软件。由于校验的范围只限于满足灵敏度的要求，而未对选择性进行校验，因此， 对于定值正确性的评价并不完整。 同时，现有的保护校验研究与应用仍然存在不少问题，有待于进一步的完善与 改进。例如：大部分的研究需要离线计算短路电流；与其他系统联系较弱，缺乏统 一的系统分析和系统规划；地方电网存在大量的短线路，短线路的定值配合问题对 于多数技术人员来说是一个棘手的问题；大部分电网都是分开整定、校验各种保护， 不利于各种保护的配合。 t 3 课题的研究思路和校验系统的实现方案 继电保护装置定值校验的功能是根据己知信息，确定电力系统当前的运行方 式，实现保护的各项性能指标的校验。在地区电网继保定值在线校验分析系统中主 要包括以下几个模块：知识表示模块、网络分析模块、短路电流及分支系数计算模 块和定值校验模块。各模块主要围绕定值校验模块工作，为定值校验作好准备工作： 定值校验模块指在给定的校验标准下，实现系统11 0 k v 线路保护定值的校验以及 2 2 0 k v 主变压器后备保护定值的校验。 当开关状态或者网络参数发生变化后，系统继续运行已经没有任何意义，此时 系统应能及时的做出反应。因此，在本课题的研究中，a g e n t 作为系统的一个模块， 主要负责对系统及其运行环境进行监控，根据具体情况由a g e n t 做出最佳的响 应一是自动重新校验还是等待用户的干预。 华北电力大学硕士学位论文 在继承原有工作的基础上，课题期间主要完成了如下几项工作： 1 3 12 2 0 k v 主变后备保护的校验 电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系 统的正常运行带来严重的影响，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，保 护的作用十分重要。因此，保护装置定值的合理与否就成为继电保护装置能否正确、 快速动作的关键。 根据变压器的故障类型和不正常运行状态，一般都采用瓦斯保护和纵差动保护 作为主保护，而采用过流保护和零序过流保护作为后备保护。根据实际运行的需要， 只对地区电网2 2 0 k v 主变压器的后备保护进行校验，这部分保护的工作在于：首先 通过网络分析找到投入运行的保护装置之间的配合关系，并且求出分支系数，计算 短路电流；然后根据保护的类型调用相应的规则来进行校验，校验的主要目标在于 定值的选择性、灵敏性。 1 3 2 人机接口界面及校验结果处理 编制本单位适用的程序是最重要的，操作方便也很必要。若需要进一步推广还 要有良好的人机交互界面。可视化、智能化的软件才能跟上如今时代发展的步伐。 整个系统在b o r l a n dc + + b u i l d e r 上编写，比传统的电力系统应用软件具有较好 的可扩展性，且易于维护。用户可以通过各种w i n d o w s 风格的菜单、工具栏和窗口 等自如地操作整个软件，同时能够很好地完成人机交互功能。 校验结果可阻由查询界面输出，也可以通过生成校验参考书、保存到文本文件 供用户分析、参考。校验参考书包括开关动作情况、此方式下的校验结果、参考意 见等等，并可以以报表的形式打印出来。 1 3 3 编程实现基于b d i 模型的a g e n t 信念一愿望一意图( b e l i e f - d e s i r e i n t e n t i o n ，b d i ) 模型是提出较早的a g e n t 模 型，也是现阶段a g e n t 研究中应用最多、最为成功的一种模型。这种模型更接近于 人的思维活动一一意图是衡量承诺的一个尺度，它将引导和控制a g e n t 未来的活动， 意图在实际推理过程中起着重要的作用：而愿望指a g e n t 希望达到的目标，但可能 有机会实现，也可能永远不去实现该目标。 在电力系统中应用时，a g e n t 可视为独立或分布合作的解决问题的智能节点， 它可以是一个独立任务执行单元，也可以是一个检测单元。a g e n t 具备执行任务必 需的知识、与环境或其它a g e n t 进行交互的接口以及手段，能独立地完成一系列的 任务，或通过网络与其它a g e n t 的协作来解决问题。在地区电网继保定值在线校验 华北电力大学硕士学位论文 分析系统中引入a g e n t ，主要用于系统运行的监测。当程序运行时a g e n t 监测到网 络开关状态、网络参数发生变化或者其他影响校验程序继续运行的情况，a g e n t 应 能及时发现并响应，并做出相应的处理。 1 3 ，4 关于a g e n t 的进一步研究 通常人们研究的都是多a g e n t 系统( m a s ) 意义下的a g e n t 。a g e n t 将推理和知识 表示结合起来，在创建智能系统、模拟智能行为中起到了很重要的作用。单个a g e n t 主要用于模拟人的智能行为，而多a g e n t 系统则是以模拟人类社会系统为最终目标， 它通过多个a g e n t 之间的通信和协调或协作形成了一个多a g e n t 系统【3 j 。因此，研 究a g e n t 的真丁e 意义在于它们能构成多a g e n t 系统。在多a g e n t 系统中，每个a g e n t 都具有相对独立的功能和较简单的外部接口，因而其开发、维护、使用都比较简单。 对地区电网继保定值在线校验分析系统，主要研究以多a g e n t 技术实现应如何设计， 各a g e n t 之间如何交互和通信，尽量减少认为干预的因素，提高a g e n t 的智能水平。 1 3 5 系统综合调试运行 各种原因的存在使得在实验室不可能得到像现场那样的运行环境，而且实验室 罩的工作主要针对各种具体情况，很多随机因素考虑不到，程序不可避免的要有这 样或者那样的问题。由于本课题依托沧州电网，所以在开发完成后可以在先进行现 场的试运行，及时发现问题、解决问题，听取现场工作人员的意见和建议，逐步完 善程序。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电网设备的知识表示及其拓扑分析 专家系统的特征之一是知识性，而造就它的关键技术在于知识的表示、知识的 获取和知识的应用。知识的表示方式是至关重要的，它不仅决定了知识应用的形式， 而且也决定了知识处理的效率和实现的域空间规模的大小，其成功与否直接关系到 智能系统的水平。 面向对象的程序设计方法是当今程序设计的主流语言，其突出的优点是具有信 息隐蔽、数据抽象、动态约束、继承和封装性等，在知识表示方面具有很大的潜力， 再加上c + + 面向对象语言的强大编程能力，非常适宜于建造基于知识的系统 “。 在地区电网继电保护装置定值校验系统中，主要涉及电网设备数据库及数据库 管理系统、电网的知识表示、网络的拓扑分析三个部分，三个部分相互配合，共同 构成了对地区电网的完整表述。 2 1 电网设备数据库及数据库管理系统 对于地区电网，数据类型多、规模大，依靠单纯的文件系统数据管理方法己无 从适应开发应用系统的需要。为了解决数据的独立性问题，实现电网数据的统一管 理，达到数据共享的目的，我们开发了电网设备数据库及数据库管理系统。根据电 网实体模型，创建了一个关系型数据库，共设厂站表、开关表、母线表、线路表、 互感线路表、综合阻抗表、发电机表和变压器表共八张。 2 1 1 数据库的构造 关系型数据库是现代流行的数据库系统中应用得最为普遍的一种，也是最有效 率的数据组织方式之一。它以集合论为其坚实的基础，是集合论在数据组织领域最 好的应用实例。在地区电网继电保护定值在线校验系统中采用的是b o r l a n d 公司的 c + + 开发工具b o r i a n dc + + b u i l d e r 自带的关系型数据库p a r a d o x 。 在关系型数据库中，表是一个非常重要的概念，如果用属于来说的话，表就是 “关系”。下面就是在沧州地区电网数据库中厂站表和母线表的实例。 表2 1 厂站表( s t a t i o n d b ) subnameb us nu i l lbeov0 1 tage 陈屯站1220 干庄站322 1 3 泊头站3l10 华北电力人学硕士学位论文 表2 - 2 母线表( b u s d b ) s u b n a m eg o lr a g eb u s n a m e c o n n e c t t y p e8 u s t y p e 陈屯站2 2 0 l1 0 02 于庄站 2 2 032 0 l2 泊头站 1 l o31 1 02 一张表由行和列组成，表中，每一列为一个字段，每一行为一个记录。假如称 表为一个实体( 对象) 的话，表中的列就是实体的属性，它描述出了这个表的全部 信息；两行就是实体的元素，每一条行数据都包含着此元素的所有信息。 但多个表要构成一个关系型数据库模型，还必须满足两个条件：表之间要有共 同的列，这些共同的列就是关联若干张表的关键字：要能通过关键字来建立两个或 多个表之间的联系。例如，表2 1 中的s u b n a m e 、v o l t a g e 和表2 - 2 中的s u b n a m e 、 v o l t a g e 满足此条件，这两个表就构成了一个简单的关系型数据库。 2 1 2 备数据表之间的联系 根据电网结构和数据库字段的设定，各数据表设置关键字，使各数据库表之间 关联起来，关键字的设置和各表之间的关联如图2 1 所示( 其中p k 表示关键字) 。 图2 - 1 各数据表之间的关系 华北电力大学硕士学位论文 描述电网连接情况的属性与设备的固有属性一起构成数据表中的所有字段。例 如： 开关表的字段：厂站名称，电压等级，开关名称，开关类型，所属母线。 线路表的字段：线路名称，起始厂站，终点厂站，起始开关，终点开关，电压 等级，线路长度，线路参数。 由于开关是各厂站内部设备与设备之间的连接纽带，因此要想描述各设备之间 的连接关系，就必须在各设备的属性中增加描述其所连开关的字段。再加上开关表 中与母线相关的字段，整个厂站内部的拓扑关系就被完整得表达出来了。 2 1 3 数据库管理子系统 数据库中存储的是电网设备及实现校验功能所需要的电力系统相关参数。数据 分为三个部分：系统基本参数、系统状态参数以及预设置参数。系统的基本参数指 电力系统中基本不变的数据，如发电、变电、输电及其控制与量测设备的配置及参 数，系统的设备信息与参数由人工输入与维护；系统的状态参数包括反映开关开合 或设备使用情况的量；预设置参数指用户预先设定的用于程序判断参数，如保护定 值的上下限等。 当系统投入运行后，用户需要根据电网参数的变化增加或修改数据，数据库管 理子系统为用户提供了一个直观、简便、易于操作的入机交互环境。数据库管理系 统主要负责：电网数据信息的增删与修改；数据库与各调用模块之间数据信息传递： 数据信息存储及历史奄询等。数据库管理子系统的总体结构如图2 2 所示： 1 人机交互界面f 厂站、电气接线 变压器参数发电枧综合阻抗 线路、互感线刮 变压器保护定值 【- - - - - 、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 显示数据库 查询数据库 更新数据库 图2 - 2 数据库管理子系统结构图 在数据库管理子系统的设计当中，充分考虑了现场应用的方便，如同一变电站 华北电力大学硕士学位论文 不同数据输入页面切换时的变电站名称驻留、数据修改时的原数据显示、多种型号 导线组合线路的参数输入时采用下拉菜单在候选项中直接选择等，使其具有友好的 人机界面，便于用户进行电网参数和保护定值的录入。 2 1 4 用c 十+ b u ii d e r 提供的组件实现数据的调用 c + + b u i l d e r 使用可视组件库v c l ( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ，从而提供了一 种快速应用程序开发方法。c + + b u i l d e r 将数据库功能封装进了v c l ，提供了知识 检查功能，以保证数据库满足有效性、完备性和一致性，使得数据库应用程序开发 简明而高效。c + + b u i l d e r 所利用的是b d e ( b o r l a n dd a l a b a s ee n g i n e ，b o r l a n d 数据 库引擎) 。本文所使用的数据库是随同c + + b u i l d e r 所一起发售的数据库p a r a d o x 。 c + + b u i l d e r 主要使用的数据集组件有t t a b l e 和t q u e r y 组件。应用t t a b l e 组 件的相关方法来增加、改变和删除数据库表中的记录。设定表格的索引通过 i n d e x d e f s 和i n d e x n a m e 属性来实现。t q u e r y 组件是s q l 功能实现的重要组件。 c + + b u i l d e r 主要使用的数据感知组件有t d b e d i t 、t d b c o m b o b o x 、 t d b l i s t b o x 、t d b m e m o 、t d b g r i d 和t d b n a v i g a t o r 组件等。 通过在窗体上放置相应的组件并设置其属性，就使数据库和程序中各模块之间 建立起联系。这样，在程序中利用s q l 语句就可以方便的对数据库中的数据进行增 删和修改了。s q l 是最重要的数据库操作语言，c + + b u i l d e r 的b d e 是通过s q l 访问本地和远程数据库。t q u e r y 与s q l 的关系为：t q u e r y 组件是执行s q l 功能的 工具，而s q l 是t q u e r y 组件的需要实现的主要功能。s q l 语言的核心是数据库查 询语句s e l e c t 。 如：s e l e c t + f r o mt r a n sw h e r e t r a n s h v o l t a g e = 2 2 0 查询条件为：查询t r a n s d b 中h v o l t a g e 字段等于2 2 0 的所有记录。 t q u e r y 组件使用q u e r y l - s q l 一 a d d 语句增加s q l 指令。例如用下列程序段实 现s q l 查询。 q u e r y i 一 c l o s e ( ) ；先关闭q u e r y l q u e r y l s q l - c l e a r ( ) ；清除s q l 语法集的内容 q u e r y l 一 s q l 一 a d d ( ”s e l e c t 4 f r o mt r a n s p r ow h e r et r a n s p r o s t a t i o n n a m e = ：s u b n a - m ea n d t r a n s p r o t r a n s n a m e = ：t r a n s n i m e ”) ；为s q l 语法集增加内容，括号内为查询 语句 q u e r y l 一 p a r a m b y n a m e ( ”s u b n a m e ”) - a s s t r i n g = s t r o f d b g r i d s t a t i o m 定义查询 条件s u b n a m e q u e r y l - p a r a m b y n a m e ( ”t r a n s n a m e “) 一 a s s t r i n g = s t r o f d b g r i d t r a n s ：定义查询 条件t r a n s n a m e 华北电力大学硕士学位论文 q u e r y i 一 a c t i v e = t r u e ：显示s q l 指令的查询结果 同样，利用相应的s q l 指令就可以对数据库中各表进行增加、删除和修改，使 数据库的操作非常便利。 2 2 地区电网的知识表示 专家系统中的知识表示就是研究存储知识的各种数据结构及其设计方法，以便 在这些数据结构中存储领域知识，并为灵活操作这些数据结构的推理过程提供依 据。一般来说，知识如何表示最合适，是与所要解决的问题的性质以及解决问题的 方法密切相关的，它直接影响到知识的有效存储和知识的运用效率。合适的表示方 法使问题明确，并对推理提供方便，从而使求解变得容易。 e r i c h 认为：知识表示必须具有表达充分、推理充分、推理有效和理解透明 四个条件1 5 1 。 ( 1 ) 表达充分性：具备确切表达有关领域中各种知识的能力； ( 2 ) 推理充分性：能够与高效的推理机制密切结合，支持系统的控制策略； ( 3 ) 推理有效性：便于模块化和检测出矛盾的知识及冗余知识，便于知识更新及 知识的维护； ( 4 ) 理解透明性：知识表示便于人类理解。易读易懂，便于知识的获取。 2 2 1 面向对象知识表示法 面向对象表示法不但支持封装、继承、关联，而且支持消息发送、多态等高级 特性。面向对象技术在知识表达上显示了很大的优越性，它提供了描述客观物质世 界中对象的概念，程序设计者可以按照问题空间中对象的丰富特征，自由地定义解 空间的对象。从软件方法学方面来讲，面向对象知识表示本质是强调从客观世界中 固有的事物出发来构造系统；强调系统中的对象以及对象之间的关系能够如实反映 客观世界中固有事物及其关系。因此，用面向对象方法构造知识库能自然地反映人 们思考问题的方式，从而降低系统开发周期和复杂程度，也将越来越受到软件开发 人员的重视。 电力系统具有层次结构的特点，即电力系统由厂站( 发电厂和变电站) 、输电线 路组成；厂站由开关、各种电气设备( 出线、母线、发电机、变压器等) 组成。厂站 之间由输电线路构成的连接关系构成了网络层拓扑关系，厂站内电气设各之间的连 接关系构成厂站层拓扑关系。 知识表示模块通过类、对象构成的分解层次结构和分类层次结构，自动对问题 求解空间进行分割和裁剪，实现领域知识的分类分层存储，有利于知识库的维护和 减少知识表达的冗余。由于不同的对象拥有各自特有的知识和知识处理方法，使面 华北电力大学硕士学位论文 向对象的知识处理系统具有丰富的问题求解机制。如消息传递推理、继承推理和链 接推理等，加之每一知识单元所包括的知识规模有限，问题求解搜索空间小，因而 能有效地组织和控制问题的求解过程，大大提高了问题的求解效率l 。 面向对象技术的一个十分重要方面就是封装，封装的目的是为了实现数据隐藏 和数据保护；通过封装为对象提供一个对外操作的接口，使其它对象通过函数来访 问，而不允许直接操纵对象的属性。封装可以将一系列有关联的数据结构和基于这 些数据的算法结合起来，通过提供对外操作的接口来更好地实现软件的复用性。 利用面向对象思想可以按照电网设备固有的关系建立类库，不仅可以减少代码 的冗余度，而且在添加对新设备的表示时可以合理的从已有的类中继承得到。图2 3 显示了对地区电网各种设备进行知识表示的类库。设备基类作为所有设备的基类是 一个虚类，从设备基类继承了三个子类：连接性设备类、一次设备类和二次设备类。 母线类 连接性设备 设备名称、类型 所属厂站 开关类 所属母线 设备基类一次设备类 综合阻抗类 综合阻抗参数 发电机类 发电机参数 变压器类 空 功率基值s b变压器参数 线路类 线路参数 互感线路类 互感线路参数 线路保护类 二次设备类f | l 线路保护定值 所属厂站 变压器保护类 变压器保护参数 图2 - 3 电网设备类库 发电机、变压器支路等值电抗在电力运行部门称综合阻抗计算，它是为方便 华北电力大学硕士学位论文 1 l o k v 电网计算时进行2 2 0 k v 系统等值而使用的，在此也将其单独归为一类。 这个类库针对的是电网单个设备的知识表示，从中可以明确地看出各种设备的 相互抽象继承关系。 面向对象的知识推理的特点为：( 1 ) 在面向对象的方法中，子类除了具有自己的 属性和方法外，还具有父类的属性和方法。因此在匹配过程中，若父类匹配不成功， 则子类也一定匹配不成功，从而没有必要再匹配其子类，即对推理空间进行了划分 和剪枝，可以大大缩小搜索范围，加快整个推理过程的速度。( 2 ) 不同的对象可用于 各自的领域的特有知识和推理机制，从而使面向对象的知识处理系统具有丰富多样 的推理机制。 2 2 2 数据在内存中的存储形式 地区电网继保定值在线校验分析系统涉及电网中众多设备及其拓扑连接关系、 开关和刀闸的状态以及各种保护的定值等。尽管面向对象技术可使大量数据实现了 结构化存储，但是一个电网拥有众多的结构化对象，所以欲对它们在内存中进行有 效、合理地存储和管理，必须找出一种巧妙而实用的方法。 传统做法是利用数组或顺序方式来组织数据结构，其优点是存储单元利用率 高，存取速度快。但是，数组的元素个数不能自由扩充，否则就会导致系统停工。 另外，在表中插入或删除元素时，为保持其它元素的相对次序不变，平均需移动一 半元素，效率很低。在本系统中，采用了c + + 语言提供的标准模板库s t l ( s t a n d a r d t e m p l a t el i b r a r y ) 中的容器( c o n t a i n e r ) 来实现各类数据在内存中的统一存储。容 器适用于插入或删除频繁、存储空间需求不定的情况。而且，容器不但可以表示线 性聚集，还可表示非线性聚集，如树、图、网络等。当电网投或切定的机组或者 在电网的将来发展中增加或停运一定的机组时，元件的数目就会发生变化，而且各 元件属性之间的相互联系已成网络状联系，因此使用容器为最佳选择。 c + + 语言的标准模板库s t l ( s t a n d a r d t e m p l a t e l i b r a r y ) 中的容器( c o n t a i n e r ) 包括向量( s t d ：v e c t o r ) 、双端队列( s t d ：d e q u e ) 和链表( s t d ：l i s t ) 。向量和双 端队列都是支持随机访问的数组类型，提供了对数组元素快速、随机的访问，都可 以在需要的时候修改自身的大小。不同的是向量只能在序列末端进行快速的插入和 删除操作，而双端队列可以实现在序列两端快速的插入和删除操作。链表则是一种 不支持随机访问的数组类型，实现了双向链表的数据结构，访问链表中的元素需要 从某个端点开始，插入和删除个元素需要的时间与元素所在的位置无关。 这些数据管理模式是计算机数据管理和存储的经典技术，数据全部写成容器的 形式，以全局变量的形式在程序中被使用，这就保证了数据源的唯性，数据的可 取性，而且做到了动态分配内存，节约了系统资源，且使用方便。 华北电力大学硕士学位论文 自从1 9 9 8 年9 月c + + 标准规格把标准模板库s t l 纳入c + + 的标准程序库以来， 几乎所有的c + + 库都以模板( t e m p l a t e ) 的形式来实现。s t l 的代码从广义上讲分 为三类：a l g o r i t h m ( 算法) 、c o n t a i n e r ( 容器) 和i t e r a t o r ( 迭代器) ，这相比于传 统的由函数和类组成的库来说提供了更好的代码重用性。例如，采用范型程序设计 实现链表 t e m p l a t e c l a s sn o d e 节点类 p u b l i c ： t v a l u e ； n o d e 4n e x t ；肘旨向下一个元素的指针 ) ； t e m p l a t e c l a s sl i s t 链表类 p u n i c ： n o d e + f i r s t ：首节点 n o d e + e n d ；末节点 n o d e + n o w ；当前节点 i n tc o u n t ：节点数目 l i s t ( ) ； - l i s t ( ) ； v o i da d d o n e ( tv a i u e ) ：增加节点 以厂站信息存储为例，其信息在内存中采用如图2 4 所示的链表方式。厂站信 息以链表形式存储地区电网所属的各个电厂、变电站的信息。厂站信息结构定义为 一个嵌套式的类，它除了具有厂站名及其它属性外，还由组成厂站的母线组链表构 成。母线组链表存储该厂站的母线组信息。母线组类除了具有电压等级、接线方式 等属性外，还有一个开关链表存储该母线组的开关信息。通过对各个链表的嵌套调 用，整个地区电网厂站的信息可以被有层次地、清晰地表示出来。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 网络的拓扑分析 图2 - 4厂站数据在内存中链式结构图 电网拓扑分析的功能是及时地根据e m s s c a d a 系统提供的开关状态分析判 断出电网的结构，也就是根据开关状态把由各种设备实体构成的电网抽象为能用于 保护定值校验的节点一一支路模型，并且识别相互独立的子系统( 电气岛) 。电网 拓扑分析要求有很高的实时性和可靠性，电网拓扑表达的好坏，直接关系到实时软 件系统实现的难易程度、可扩充性、可维护性及推理过程的效率等方面。好的电网 拓扑表达应使电网拓扑信息能够完整地存储，被灵活地访问。它是整个程序执行效 率和准确性的关键。 地区电网拓扑分析实质：根据开关状态迅速准确地进行大量的逻辑运算，形成 计算用的节点一一支路模型；当开关状态发生变化时，能迅速地形成新的节点一一 支路模型。因此，相应的电网结构拓扑分析可以分为两个部分：是站内拓扑分析， 依据断路器和隔离开关来判断厂站内的母线应分为多少个节点，并根据编号公式为 每个节点编号；二是网络的搜索，分析各种设备相互连接的情况，确定存在电源和 负荷的电气岛为要计算的子系统。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 基于矩阵模型的站内拓扑分析 地区电网中的各种设备除输电线路外都集中于厂站，厂站设备和各种输电线路 的相互连接构成了地区电网的拓扑结构。因此，电网拓扑分析的基础是站内拓扑分 析。当对电网进行正常操作或发生各种故障时，厂站中的开关设备开合状态发生变 化，引起厂站拓扑结构发生变化，继而引起电网拓扑结构的变化。 厂站母线的接线方式很多，运行也比较灵活，因此针对不同的接线方式要有不 同的分析特点。由于变电站内所有的设备都是通过开关、刀闸连接到母线上的，所 以一组连通的母线就是一个节点。厂站内部拓扑分析就是根据电压等级的个数及每 个电压等级下母线组所带的开关、刀闸的丌合状态来确定变电站内节点个数的。 基于矩阵模型的站内拓扑分析方法描述如下。首先对厂站电气接线方式进行分 析归类；常用的单母、双母接线归为一类，用两个2 x 2 阶矩阵表示，一个用于存放 各段母线的母线名称( 母线号) ，一个用于存放它们之间连接关系，其中单母线接 线的矩阵填写也按对应的双母处理，只是在母线号处填0 ，在联络开关处填1 。3 2 接线和4 3 接线等特殊接线归为一类，用n 1 1 的高阶矩阵表示，其中1 3 表示支路之 阃的实际联结点数，如具有2 串开关的标准3 2 接线的n 为6 。表2 3 详细地展示了 基于矩阵的厂站母线接线表示方法。 表2 3 不同接线方式的矩阵表示模型 接线方式母线表示方式母线关联表示方式 双母分段 ia 母线1 b 母绸 f 分段母联1 分段母联丢 也a 母线2 b 母铡盼段母联a 分段母联h 双母接线 r 1 母线0 1 r 1 0 1 l 2 母线0 jl 双母母联ao j 单母分段 i 母线2 母线阶段母联10 7 l0 0 jl i u 单母接线 n 母线o 习l0o j f 1 联络l 司 特殊接线结点1 结点nf i l 嶙络n 1 1 尽管用n ( n 的矩阵表示厂站接线更具通用性，但是它对于双母线各类接线的表 示效率较低，如双母双分段接线( 表2 3 中的第一种) 需要分派两个4 x 4 矩阵来表 示。因此，对于单母线和双母线接线采用2 2 矩阵表示，既实现了两种接线表示和 处理方法的统一，也兼顾了存储节约的问题。 在推理过程中，完成一个厂站中一种电压等级下的站内节点分析后，就立即对 该厂站该电压等级下的电气节点进行统一的编号，这个编号是由“厂站编号x1 0 0 华北电力大学硕士学位论文 + 电压等级编号1 0 + 站内该电压等级下节点编号”组成的。剥于一个具体的电网， 网内各个厂站编号和电压等级编号是确定的，因此，通过这个公式得出的编号是全 网唯一的。 2 32 网络问的连通。胜分析 网络拓扑分析是在站内拓扑分析的基础上，对电力系统设备进季亍搜索、编号， 辩识电网分为多少个子系统，按照程序计算、推理、分析的需要建立相应的数学模 型。由于网络拓扑分析是为定值校验模块服务的，所以在形成数学模型时还应添加 本电网和相邻电网的保护信息、上一级电网和相邻电网的综合阻抗等。 一般情况下，网络拓扑采用深度优先搜索法或者广度优先搜索法。本文利用前 面得到的站内拓扑分析的物理模型，按照广度优先对线路和变压器进行搜索，以递 增顺序进行网络节点和支路自动编号。最终网络分析得到的数学模型包括：节点序 列及其类型、支路序列及其编号以及保护序列及其参数。如果拓扑分析的要求发生 改变，那么只需要添加或修改网络拓扑分析中的一些模块就可以实现，使程序具有 很好的可扩充性。通过广度优先搜索法不但可以判别节点之间是否关联。还可以找 到相联系的所有支路。 广度优先搜索法进行网络拓扑分析的思路是：以一个发电机或者综合阻抗为起 始搜索点展开，当搜索完一个独立的子系统后，顺序遍历其它发电机或综合阻抗， 若被遍历到的发电机或综合阻抗没有被搜索过，就以该综合发电机或综合阻抗为新 的起点，搜索新的子系统，依照这个循环，直到完成某次子系统的搜索后发现所有 的发电机和综合阻抗都已经被搜索到为止。 2 3 3 网络拓扑分析的快速算法 在拓扑分析中经常有这种情况：实时数据中仅有少量开关( 或刀闸，下同) 状态 发生变化，或调度员人为改变某些开关状态，此时的网络结构相对于前一次状态并 非完全改变，而是局部改变。文献 7 在对某地区电网较长的一个时间段内开关动作 的次数统计后指出：( 1 ) 电力系统中处于经常变化状态的开关只是极少数，( 2 ) 某开关 状态的变化只影响本电压等级内节点的形成。从网络拓扑分析的两部分所用的时间 来看，站内拓扑分析占用了网络拓扑分析的大部分时间( 约8 0 ) 。因此，尽可能地 减小每次站内拓扑分析的搜索范围，是提高拓扑分析效率的关键。 因此，可以采取适当方法，结合电力系统自身的特点，对网络进行局部拓扑处 理，缩小拓扑扫描的范围，避免重新形成全网拓扑关系，从而达到快速准确反映网 络接线状态的目的。 网络中开关状态变化后，不是每个厂站内的节点模型都发生变化，对每个厂站 华北电力大学硕士学位论文 都进行节点分析显然是不必要的。这样，就可以先把局部拓扑搜索范围限制在有开 关状态发生变化的那些厂站。每个厂站内般都划分成一个或几个电压等级，例如 2 2 0 k v 变电站有2 2 0 k v 、1 1 0 k v 、3 5 k v 三个电压等级。各厂站内的电压等级按厂站 顺序排列成一个电压等级序列，不同电压等级的母线之间不可能通过开关连接。某 个电压等级下开关状态变化造成的物理网络结构的变化，只能影响到本电压等级下 节点数目的变化，而不能产生跨电压等级的影响。也就是说，在某一电压等级内开 关状态不变时，该电压等级内节点个数不变。因此，拓扑搜索范围可由厂站缩小至 有开关状态发生变化的电压等级内。 在系统第一次运行时，对全网进行一次拓扑分析，并将拓扑分析的结果保留。 以后不管电网内开关如何变化，拓扑分析时都只搜索有开关状态变化厂站的电压等 级。按照前面对站内拓扑分析时的编号公式，各节点的编号是确定的。当开关状态 发生变化后，只要对该电压等级内的节点重新编号并确定这些节点与相应节点的连 接关系即可。 一般情况下，网络内开关操作对节点数目造成的影响有以下几种： ( 1 ) 网络内开关操作后，未造成节点数目的变化； ( 2 ) 开关开断后分裂出一个或多个节点； ( 3 ) 开关闭合后删除一个或多个节点； ( 4 ) 以上情况的综合。 以上几种情况，可以归结为下列三类处理： ( 1 ) 新增节点。按节点编号规则增加相应节点编号，确定各节点与相应节点连接 关系： ( 2 ) 删除节点。删除多余的节点编号，确定保留节点与相应节点连接关系； ( 3 ) 节点无变化，节点编号不变。 开关状态的变化对拓扑分析结果所造成的任何影响，都可以在初始拓扑分析结 果的基础上归结为上述三种操作，简单明了，易于实现。 如图2 5 所示，某一变电站内包含两个电压等级。做如下假设：厂站编号为5 ， 1 1 0 k v 电压等级编号为1 ，2 2 0 k v 电压等级编号为2 ，节点编号为1 ，2 ，3 。当母 联开关1 0 1 闭合时，网络拓扑分析出有两个节点，按照节点编号= 厂站编号l o o + 电压等级编号x1 0 + 站内该电压等级下节点编号，给两个节点分别编号为5 1 2 、 5 2 3 ；当母联开关1 0 1 断开时，节点5 1 2 分裂为两个节点，那么其中一个节点仍使 用原编号5 1 2 ，而给另一个节点编号为5 l l 。系统在每次执行局部网络拓扑时，可以 只扫描开关变化所在的电压等级，若该电压等级内形成的节点个数比初始节点个数 多，则其中一个采用初始节点编号，其余编号依次按编号公式编号。由于系统内处 华北电力大学硕士学位论文 于经常变化状态的开关只是很少一部分，且搜索范围只限于同一电压等级，因此拓 扑处理的速度得到明显提高。 2 2 0 k v 1 0 l 闭合 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 1 0 1 断开 + 5 l 图2 - 5 变电站开关状态变化示意图 对于电压等级越多的系统，这种改进的效果就越明显。因此，该方法特别适用 于开关频繁操作造成的网络局部变化，不受接线方式和初始条件限制，可用于实时 网络分析、调度员潮流等。 j，一厂_j一上 2 f 3 l 2 3 华北电力犬学硕士学位论文 第三章定值校验及结果处理 在电力系统实际运行中，系统的运行方式是不断变化的。为了保证继电保护装 置在不同运行方式下能够正确动作，在进行继电保护定值整定时，必须考虑运行方 式变化的因素，即在各种可能的运行方式下，对继电保护装置的定值进行整定，保 证其满足灵敏性、选择性、快速性和可靠性的要求，然后从中选取灵敏度最低、动 作时间最长的定值作为保护的最终定值。 地区电网继电保护定值的在线校验就是根据获取电力系统实时数据，对当前系 统中各种继电保护定值的性能进行在线校验的过程。在线校验根据e m s s c a d a 系统采集的电力系统实时数据( 包括系统拓扑结构、系统运行方式、保护配置定值 等) ，实时判别系统所有保护的性能，包括保护范围和选择性；对存在误动隐患的所 有保护给出报警信息，给调度人员提供保护的实时状态，为其实现正确的系统电能 调度和系统运行方式制定提供知识支持。 校验的重点是l i o k v 线路的主保护和后备保护定值的校验，其次是2 2 0 k v 主 变压器后备保护定值的校验。由于线路保护与相邻保护间存在配合关系，因此其校 验比较复杂。 地区电网保护定值校验的主要内容是：首先通过网络拓扑分析找到投入运行的 继电保护装置之间的配合关系，计算短路电流，并且求出分支系数：然后根据保护 的类型调用相应的规则来进行校验，主要校验的目标在于保护的选择性和灵敏度。 3 1 短路电流的计算及阻抗矩阵的形成 短路电流计算既可以借助导纳矩阵，也可以使用阻抗矩阵，但是由于保护定值 校验涉及电网中大量不同位置的故障电流计算，因此选用了后者，且采用支路追加 法来形成网络的节点阻抗矩阵。因为保护定值在线校验是一个随时间延伸的循环过 程，电网阻抗矩阵旦形成后，再发生开关变位时只需在原矩阵的基础上进行修改。 3 1 1 支路追加法形成节点阻抗矩阵 支路追加法在文献 8 中有详细的介绍，在此不作过多讨论。我们主要考虑下 在地区电网中存在环状网和存在互感支路时的处理方法。 从网络结构上分析，地区电网一般可分为放射状单一型网、环状和放射状网构 成的混合型网，以及舍有小电源的网络系统，但后两种情况的比重较小。其网络模 型如图3 - 1 所示。环状网络与放射状网络f l a 节a i 、j 、k 联系在一起，每个放射状 华北电力大学硕士学位论文 网作为一棵“树”，i 、j 、k 为环网上的节点，同时分别是每棵“树”的“根”。 在建立网络数学模型形成节点阻抗矩阵时，对于放射状网和环网可做如下处理。 图3 1 地区电网模型 l 环状网络节点阻抗矩阵的形成 对于所给定的网络，根据拓扑理论方法查出所有位于环状网络上的节点和支 路，然后对所给的网络节点和支路进行重新排序( 环上的节点排一起) ，形成该部分 的节点阻抗矩阵。在存贮时，根据电力系统节点阻抗矩阵的特点，只存上三角( 或 下三角) 元素和对角元素。 2 辐射状网络节点阻抗矩阵的形成 在地区电网中，以环状网上节点为根的放射状网，一般是单侧电源的放射状网， 对于其节点阻抗矩阵，可采用自然界中倒置“树”的方法来处理，即以作为电源的 环状网上的节点为“树根”，放射状网的支路为“树支”。将网络的放射状网部分 形成若干棵“树”，根据其节点阻抗矩陴中自阻抗和互阻抗的关系，只计算各节点 的自阻抗值。 在用支路追加法形成节点阻抗矩阵的过程中，若网络中存在互感支路，直接采 用支路追加