（电力系统及其自动化专业论文）发电厂继电保护整定计算与管理智能系统的研究.pdf

兰j ! 皇垄奎堂堡主堂垡迨壅 l y 删删, t7 9 6 2 6 0 摘要 为了改变目前国内各发电厂继电保护整定计算工作效率低、整定计算量大、过 程繁琐耗时，而且大量的厂用设备信息管理不方便的现状，本文以使用者介入工作 量最小及整定计算全过程人工可干预、修正为基本要求，有针对性地开发了“发电 厂继电保护整定计算与管理智能系统。系统的设计依据“数据一公式一模板一实例 化 的设计思想，采用分层分级的知识表示结构，突出强调了通用性、实用性和智 能性的特点，实现了半自动化的继电保护整定计算，具有良好的工程实际应用价值。 关键词：继电保护，整定计算，人工智能，短路电流 a b s t r a c t i no r d e rt oc h a n g ep r e s e n tc i t u a f i o no fl o ww o r k i n ge f f i c i e n c y , b i gw o r k i n gl o a d ， t e d i o u st i m ec o n s u m i n gi nr e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gc a l c u l a t i o na n de l e c t r i c a le q u i p m e n t i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti n c o n v e n i e n c ei np o w e rp l a n t ，t h i sp a p e rd e v e l o p e d “r e l a y p r o t e c t i o ns e t t i n gc a u c u l a t i o na n dm a n a g e m e n ti n t e l l i g e n ts y s t e mi np o w e rp l a n t ”，b a s e d o nt h er e q u i r e m e n to fm i n i m u mu s e ri n t e r v e n t i o nw o r k l o a da n dc o n v e n i e n c ef o rm a n u a l i n t e r v e n t i o na n da m e n d m e n to ft h ew h o l ep r o c e s so fs e t t i n gc a l c u l a t i o n t h i ss y s t e mi s d e s i g n e d b a s e do n c o n c e p to f “d a t a - f o r m a t i o n t e m p l a t e i n s t a n t i a t i o n ”，u s e i n g c l a s s i f i c a t i o na n d l a y e r i n gk n o w l e d g ee x p r e s s i n gf r a m e , e m p a h s i z i n gv e r s a t i l i t y , u s a b i l i t ya n di n t e l l i g e n c ec h a r a c t e r i s t i cp r o m i n e n t l y i tc a nr e a l i z es e m i a u t o m a t i cr e l a y p r o t e c t i o ns e t t i n gc a l c u l a t i o nw o r k ，a n dh a sg o o dp r o j e c tp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e w uj i a n ( e l e c t r i cp o w e r d i r e c t e d s y s t e ma n da u t o m a t i o n ) b yp r o f z h a od o n g m e i k e yw o r d s ：r e l y p r o t e c t i o n , s e t t i n gc a l c u l a t i o n , i n t e l l i g e n c e ，s h o r tc u r r e n t 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论。l 1 1 问题的提出j 1 1 2 发电厂继电保护整定计算的特点2 1 3 国内外研究现状3 1 4 本论文的主要工作5 第二章系统总体设计6 2 1 通用性、实用性以及智能性的研究6 2 1 1 通用性研究：7 2 1 2 实用性研究7 2 1 3 智能性研究8 2 2 系统总体结构9 第三章数据库及数据交互：1 1 3 1 数据库基本理论1 1 3 2 数据库的基本要求1 1 3 3 数据库结构的设计1 2 3 4 系统的数据交互1 4 3 5 数据库访问1 6 第四章图形建模模块17 4 1 电气接线图的计算机描述l 7 4 2 图元的设计原理1 7 4 3 图形建模的实现一1 7 4 3 1 图元类的定义l7 4 3 2 电气图元工具箱1 8 4 3 3 图元的编辑操作1 8 4 3 4 设备原始参数的编辑1 9 4 3 5 图元颜色的设置2 0 第五章故障计算模块2 2 5 1 概述2 2 5 2 短路计算详细设计一2 2 5 2 1 短路计算流程2 2 5 2 2 短路计算程序的特点2 4 华北电力大学硕士学位论文 5 2 3 短路计算算例2 5 第六章整定计算及定值管理模块2 8 6 1 设计思想2 8 6 2 整定计算对象的知识表示2 9 6 3 整定计算平台的风格和特点。3 1 6 4 整定计算的数学模型。3 1 6 5 定值整定计算流程3 2 6 6 保护装置模板自定义功能3 5 6 6 1 概述3 5 6 6 2 设计思想及工作流程3 5 6 6 3 公式编辑器。3 9 6 7 整定计算过程及定值单的管理。4 0 6 7 1 整定计算的过程4 0 6 7 2 定值单的管理4 2 第七章结论和后续工作4 4 参考文献4 5 致谢4 8 在学校期间发表论文和参加科研情况4 9 华北屯力人学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 发电厂继电保护装置在电力系统安全保障体系中起到了非常重要的作用。随着 电力系统的发展，电网结构越来越复杂，大容量机组不断在系统中得到应用，这些 都对电力系统和电力设备的安全稳定运行提出了更高的要求。当系统由于各种原 因，致使发电厂的某处发生故障或不正常运行状态，继电保护装置能够迅速将故障 部分切除，保证电力系统的稳定运行，并最大限度地保证非故障部分继续可靠运行。 无数的国内外实例说明，继电保护装置可以保证电力系统安全运行，它们在电力系 统的安全稳定运行中发挥着非常重要的作用。 电力系统继电保护工作的一个重要组成部分就是保护定值的整定计算。定值整 定的可靠与否决定了保护装置能否正确地发挥作用，从而决定了能否限制事故的进 一步扩大。文献1 1 - 4 】表明主设备( 尤其发电机、变压器) 保护的正确动作率不够高，原 因之一就是定值整定有误。无论保护装置采用多么先进的原理，算法多么精确，硬 件整合多么严密可靠，如果定值的整定结果是不可靠的，则保护装置就无法正常工 作。所以正确的继电保护定值整定工作是保护装置发挥作用的一个重要条件。精确 的整定计算对提高保护运行的可靠性具有重要作用，继电保护的灵敏性、选择性和 速动性要求也要靠整定计算的合理定值保证。因此，做好继电保护整定计算工作对 于满足电力系统对继电保护装置提出的四性要求，保证电力系统的安全运行具有重 要意义。 长期以来，有大量继电保护工作者不断地探索和总结，现有的电网主设备保护 整定计算有了规程【5 】可依。但是随着微机保护的应用，不断有新的保护原理被提出， 各种新的保护装置不断的被投入生产，不仅整定计算原则有了一定的变化，而且原 有的整定计算的依据也需要不断的补充、完善【6 l 。传统的继电保护整定计算多是人 工手算，开发基于微机保护和网络等技术的整定系统意义重大。而大多数目前开发 出来的继电保护整定计算软件【7 & 9 l 没能从根本上解决影响整定计算效率和整定结 果准确性的一些关键问题，它们在应用于实际系统时计算效率低、结果准确性差； 而且这些软件仅仅是实现了计算机对人工整定的简单模拟，即只是将人工整定的相 关步骤转化为计算机实现，在系统的通用性、实用性、智能性等方面存在一定的不 足。在这样的背景下，在计算机软硬件技术特别是w i n d o w s 操作系统、v i s u a lc + + 、 v i s u a lb a s i c 等可视化应用软件开发工具以及面向对象技术、组件技术快速发展的 影响下，有关单位又陆续开展了新的继电保护整定计算软件的研究工作。目前，已 出现基于w i n d o w s 操作系统和图形操作界面的继电保护整定计算软件应用于实际。 埔 华北电力火学硕十学位论文 这些软件在程序结构、数据建模、人机交互方式等方面有了较大提高，如系统结构 采用了面向对象的设计思想，易于升级维护；以实际物理对象为单位建立电厂的数 学模型，无需用户手动编号和形成计算网络，简化数据建模的工作；提供了图形、 对话框等多种人机交互方式，人机交互方便，用户可以方便地查看整定结果、控制 整定流程等。但是，这些软件也仅仅是从计算机技术的角度对原有的整定计算软件 进行了部分发展，如将运行环境从d o s 转移到了w i n d o w s 、采用面向对象的设计思想、 提供可视化人机交互手段等，这些都是面向保护原理的整定计算，而在面向保护装 置整定和形成定值单方面并没有太多改善。而且，这些软件多数在系统功能( 如： 保护配置、图纸管理、短路电流计算等) 、一体化程度( 即形成定值计算书输出、定 值单等整定过程的一体化) 方面还存在较多的欠缺，只实现了某一种或几种保护原 理的整定计算工作，需要工作人员进行大量的辅助工作才能完成，如整定保护装置 的启动量和控制字的设置、形成定值通知单等。最后，发电机的单机容量不断增大， 对继电保护装置的性能要求越来越高，新的原理、装置的不断出现，客观上需要不 断升级现有的整定计算软件，这将投入很大的人力物力，不能方便对现有软件进行 简单升级。因此，深入研究和开发新型继电保护整定计算工具已成为当前继电保护 整定计算工作人员和研究人员亟待解决的重要课题之一。鉴于此，本文选择发电厂 继电保护整定计算与管理智能系统的设计与开发作为研究内容。 1 2 发电厂继电保护整定计算的特点 继电保护整定计算是电力工程设计和电力生产运行中一项必不可少的工作。正 确的继电保护定值是防止事故发生和扩大的基础。但是由于系统运行方式的变化、 网络拓扑结构的变化、各种设备保护的种类及其整定计算导则繁多，定值计算和管 理显得很复杂。发电厂继电保护整定计算的特点如下【l o 】 i h ： ( 1 ) 定值计算方法的多变性。电厂系统的结构比较复杂，一般有多台机组和不 同电压等级2 2 0 k v 、6 k v 、3 8 0 v 的厂用电系统。保护配置多样化，有最先进的微机保 护，有晶体管和集成电路保护，有传统的电磁式g l 、d l 和b c h 型保护，由于保护形 式的多样化，造成保护定值整定原则的复杂性和多样性。 ( 2 ) 整定计算工作量巨大、人员素质要求比较高，一般电厂没有继电保护整定 计算的专门人员。按照要求，设备保护定值需每年计算一次，以确保其准确性。按 照传统手工计算的方法，计算工作量大，需要的时间长，同时由于计算人员主观因 素对保护定值整定计算的影响，有可能造成保护定值计算的方法不合理、定值结果 不准确，进而影响保护的正确动作。 ( 3 ) 运行方式变化大，对定值的配合要求更高。近年来电厂调峰任务进一步加 2 华北电力人学硕士学位论文 剧，造成机组和厂用系统开、停次数增多。特别是在运行方式变化后，保护定值计 算中灵敏度校核就显得尤为重要。另外，每年系统归算到电厂的等值阻抗都在变化， 对电厂系统短路电流的影响较大，因而每年必须对站内设备进行短路容量校核，以 确保开关等重要设备能满足短路容量的要求。 ( 4 ) 继电保护定值的正确性直接影响电厂设备的安全。多年来电厂继电保护装 置正确动作率比较高，但也发生过由于定值整定的不正确造成保护误动作的现象。 如区外故障造成变压器零序保护误动，失磁保护由于计算的不准确而误动，厂用零 序保护、过流保护以及起备变差动保护等误动作，严重影响了机组负荷。 ( 5 ) 保护更新对定值整定的要求更高。电厂每年都有不同工程的改造，保护设 备改造和换型，由于保护原理不同，继电保护定值就必须重新整定。 1 3 国内外研究现状 7 0 年代以前，整定计算工作主要依靠人工辅助专门的整定计算工具完成，如计 算尺、直流计算台等。这一阶段整定计算工作的特点是计算量大，计算时间长；。一笋i 。嘞 此后为了从根本上把保护整定计算人员从繁杂的计算中解放出来，进一步提高，q 整定计算的精度和效率，有关部门陆续开展了应用计算机进行电网继电保护整定计江 ， 算的研究。a l b r e c h t 和b e g i a n 首次提出了继电保护整定计算软件的研制构想【1 2 】 【l 引。 f e r r o 、t h r o n 、和m u i s m a 等也提出了相应的整定计算软件方案。然而，上述构想都 j 只是实现了继电保护整定计算的离线批处理。随后，交互式方法在软件设计中逐渐 被采用，这样，保护整定计算人员就可以指导和控制整个整定计算的流程。同时， d w a r a k a n a t h 和n o w i t z 等引入了图论理论以实现全系统范围内保护的整定计算 1 4 1 。 8 0 年代中期，我国各网省局，如湖南省局、河南省局、东北省局等，也自主开 发或者与高校共同研制了一系列的整定计算软件。迄今为止，这些软件已在电力设 计和生产工作中广泛使用，并取得了巨大的经济效益。实践证明，用计算机进行整 定计算可以大幅度地提高计算速度，确保定值准确可靠，充分发挥保护装置的效能， 防止人为因素的误整定，为电力系统安全运行提供了可靠保证。 。 目前，国内在线路保护整定计算软件的研究开发方面做了许多工作，并取得了 可喜成绩。但是有关发电厂的整定计算与管理软件较少，保护的整定计算工作大都 还采用人工进行手算。这显然与大力提高发电机变压器保护运行管理水平的要求不 相适应。之所以存在这种情况，主要原因有： 过去普遍比较重视电网的保护整定。无论从硬件还是软件上看，电网保护的发 展已相对成熟，而发电机变压器保护在原理、配置等方面还有许多不成熟的地方， 整定所需的短路故障计算还不如电网的精确、完备，这种情况在一定程度上制约了 华北电力入学硕士学位论文 发电机变压器保护整定软件的开发。 从发电机变压器保护本身来看，一方面保护配置多样性与软件通用性之间存在 着矛盾。发电机保护配置非常复杂，不同电厂的配置差异较大。如果依据某个电厂 对其所配置的保护进行整定，很难实现软件的通用性，并使得软件的开发成本提高； 另一方而，整定原则一般性与用户经验特殊性之间存在着矛盾。现在发电机变压器 保护整定一般遵守大型发电机变压器继电保护整定计算导则，但是主设备保护 原理种类繁多，不同厂家生产的同一原理的保护在整定计算中也存在着差别，其整 定过程存在着较大差异，因此在整定中必需结合用户的实践经验和知识以及对一些 特殊情况分析的独特见解。这是开发人员很难用程序在计算机中体现出来的，这在 一定程度上阻碍了软件的开发。 因此，迫切需要对发电机变压器保护原理做更深入的研究，并在此基础上设计 开发出具有良好扩充性和通用性的发电机变压器保护整定软件才能满足实际工程 的需求。 目前，已开发的发电机变压器整定相关软件有清华大学编制的发电机内部故障 仿真计算软件、浙江大学开发的基于w e b 技术的发电厂继电保护定值整定和信息管 理系统等。 清华大学电机系相关科研组编制的发电机内部故障仿真计算软件将交流电机 的多回路分析法应用于发电机内部故障分析计算。软件考虑了气隙谐波磁场、绕组 的各种连结方式、线圈空间位置的影响，可以用来分析交流电机各种形式的内部和 外部故障，计算电机所有电压和电流等电气量，定子任意支路电流的组合用于各种 保护方案的分析，适合于大中型发电机主保护设计整定计算，是发电机内部故障分 析方法的创新【1 5 】。但是该软件仅针对发电机内部故障进行分析计算，不能对发电机 配置的保护给出具体整定值。 浙江大学电气学院相关学者开发了基于w e b 技术的发电厂继电保护定值整定和 信息管理系统。该系统实现了发电厂继电保护工作所需的大多数功能，包括电厂继 电保护配置信息、建立图形拓扑结构、保护整定、定值单处理、工作信息管理、网 络浏览和查询功能【嘲。但是该系统目前仅在嘉兴电厂得到应用，未能很好改善现阶 段大部分发电机变压器保护整定计算工作人工手算的局面。 我们即将开发完成的发电厂保护整定计算软件可极大地减轻继电保护整定工 作人员的劳动强度，提高整定计算的质量。它应用计算机技术使原本枯燥的保护整 定计算工作变得形象具体。该软件应能够很好地解决用户具体需求和软件开发通用 性之自j 的矛盾；整定原则依据 大型发电机变压器继电保护整定计算导则，通过 提供可视化的界而，让用户参与计算。这样既考虑了一般性的原则，又可结合用户 的整定经验，增加了计算结果的正确性和适应性。 4 华北电力人学硕十学位论文 1 4 本论文的主要工作 本文在研究了电力系统继电保护整定计算系统的发展和存在的问题与局限性， 并结合发电厂继电保护整定计算的实际情况和特点，利用v c + + 6 o 编程工具和 a c c e s s 数据库，采用面向对象技术，开发了一套适用于发电厂的继电保护整定计算 与管理工作的智能系统。主要完成的工作有： ( 1 ) 根据发电厂继电保护整定计算工作的特点，以发电厂继电保护整定计算工 作的全过程自动计算和简单、直观、方便、快捷的操作使用方法为目标，设计制定 了发电厂继电保护整定计算智能系统的结构框架。 ( 2 ) 研究了发电厂继电保护配置与整定过程中用到的各种数据的特点，设计了 一系列适合发电厂整定计算工作的数据结构和数据组织、交互方式，并建立相应的 数据库。 ( 3 ) 系统嵌入图形建模工具【2 0 1 ，以图元建模方式构建整定计算模型，并可以根 据断路器开合状态的设置进行不同运行方式下的自动网络拓扑。 ( 4 ) 根据发电厂短路电流计算的特点，编制了适用于发电厂继电保护整定计算， 工作的短路电流计算程序，设计和实现了短路电流计算模块，可以计算任意运行方 式下、任何一种短路类型的，电厂任意端点短路的短路电流以及电流、电压在网络 蔬产 中的分布。 + 一j ( 5 ) 以使用者介入工作量最小及整定计算全过程人工可干预、修正为基本要求， 采用“数据一公式一模板一实例化 的知识分层结构，设计开发了既具有一定的智能 化水平又具备足够灵活性的发电厂继电保护整定计算模块。 ( 6 ) 以定值单及其运行情况的规范化管理为目标，设计了定值单管理功能，定 值单以w o r d 形式保存，用户可以使用多种方式检索定值单及其内容。 华北电力人学硕士学位论文 第二章系统总体设计 考虑到目前国内发电厂保护配置复杂繁多，各个厂家生产的保护装置整定计算 的过程也不尽相同，在系统整体设计时应充分考虑系统的通用性和实用性，这样才 能使系统不仅仅局限于某一特定的电力网络，而可以应用于任意的电厂。另外，系 统在设计时突出强调了模块化和可视化的特点。模块化设计使系统灵活高效，具有 良好的可扩展性，当保护装置或整定方法改变时，用户可通过人机交互平台灵活地 扩展软件功能，无需编制新的程序来满足要求；可视化操作界面可使整定人员直观、 方便的参与整个整定过程，无需花费较多时间培训即可快速掌握整定软件的使用。 系统从功能上可划分为五个主要模块：数据库管理模块、图形建模模块、故障 分析模块、整定计算模块及系统管理模块。它们分别完成特定的任务，各模块又由 各自不同功能的子模块构成，这些模块之间相互联系、相互依赖，组成一个有机整 体。本章将详细介绍各主要模块的功能及它们之间的联系。 2 1 通用性、实用性以及智能性的研究 近年来，继电保护整定计算软件的研究和应用发展很快，并且取得了很大进展， 但继电保护整定软件的推广应用却一直受到制约，尤其是面向发电厂的保护整定计 算软件，目前开发的一些同类软件大多是针对具体的功能、具体的系统开发的，一 般只在某个( 或某些) 地区、某个时期、特定的运行和保护配置条件下适用。分析 其原因，主要有【2 l 】： ( 1 ) 不同发电厂电气主接线形式多样，系统运行方式多样化，所包含的电气设 备种类繁多，并且每种设备对继电保护的要求和配置方案不尽一样，依据的各种保 护测量量也存在差异，再加上各主流保护装置生产厂家自成体系，保护装置行业缺 少统一标准。 ( 2 ) 目前的故障分析水平还只局限于设备引出端，所以整定过程除了依据颁布 的 ：中华人民共和国电力行业标准大型发电机变压器继电保护整定计算导则 行业准则，必然需要整定人员的经验，而每一个整定人员的经验是有区别的，执行 整定有关规程规定掌握尺度也不一样。即使各种背景条件完全相同，其结果也不是 唯一的。目前的继电保护整定软件还没有一个使用户能够普遍接受的解决方法。 ( 3 ) 一个实用的继电保护整定计算软件应包括系统及设备参数的管理、故障分 析计算、相关保护的配合计算、保护定值的计算、保护定值的管理等功能，实现各 功能块之间的有机结合和无缝连接，可靠保障数据的安全性、一致性和继承性，提 供方便、直观的操作界面。目前的继电保护整定软件一般没有综合考虑这些因素， 6 华北电力人学硕士学位论文 仅仅局限于某一功能或某一方面，即只有深度，没有足够的宽度。 ( 4 ) 没能充分运用计算机可以同时处理大量信息的优势，没有解决不同厂家生 产的保护装置其整定过程的差异性以及整定过程中需要用户的经验等问题。在数据 库或知识库中没有丰富的经验性知识和主流保护装置本身的特点信息，依靠行业规 则设计的整定系统只能完成“计算器 的功能，智能化程度较低。 鉴于以上这几方面的原因，继电保护整定系统需要解决的问题是不确定的，并 且存在大量的模糊知识，为继电保护整定系统的开发和推广带来了很大的困难。因 此，必须开发出具有良好通用性和实用性的智能化系统才能彻底解决问题【2 2 1 。 2 1 1 通用性研究 通用性就是要使整定系统适用于不同接线方式、不同保护装置、不同运行方式 等条件下各种设备的保护整定和管理，实现面对各个不同电厂时，程序只需要做很 小改动，甚至不需要改动，就可以完成对其整定计算的任务。 这就要求整定系统满足如下要求： ( 1 )整定计算原则应该是一种动态的，方便升级和维护的形式，而不能是静止 的、固化在程序中。也就是系统对设备的整定计算方法应该是视具体厂家、 具体保护装置以及具体设备的不同，可以根据整定人员的要求修改和完善_ 的。这是此类软件通用性要求的最突出体现。 。 ( 2 )由于各个厂家生产的保护装置的需要整定计算的内容各不相同，要实现软 件的通用性要求，还要实现整定计算的内容、对象、保护配置等，也是可 以自由定制的。 ( 3 )发电厂接线系统运行方式允许用户设置。 ( 4 )在系统自动工作过程中允许用户对系统运行各阶段进行干预和调整，充分 体现用户思想和现场实际情况。 2 1 2 实用性研究 实用性是指系统满足某个特定对象在特定环境下适用程度的能力，必须考虑不 同对象在不同环境下的个性特点，要求具有很强的针对性。需要考虑以下几个方面 的问题： ( 1 ) 具有能够处理继电保护整定计算整个过程中全部工作的能力。继电保护整 定计算工作需要经过一系列流程包含多个环节，是一个复杂的过程。一般有一次系 统的数据收集和管理、一次系统数据的再处理、故障计算分析、保护类型和保护装 置配置、保护整定计算、定值单管理和整定计算书管理等。如果只有或缺少某一环 节，将使整个程序的实用性大打折扣。 华北电力人学硕士学位论文 ( 2 ) 保证数据的统一性、继承性和安全性。继电保护整定涉及到多种类型的数 据，如一次系统数据、保护配置数据、c t 、p t 、保护定值数据等，各类数据之间既 有联系又各不相同。这些数据并不是完全静态的，大部分是动态变化的。这些数据 的安全性、各类数据之间的一致性、前后数据的继承性等问题，都是实用性要考虑 的重点。 一 ( 3 ) 要有一个方便、直观、协调一致的用户操作环境。继电保护整定计算程序 一般由多个模块组成，因此要考虑各模块之间的协调运行及无缝连接，尽量减少用 户操作，在主界面上应可以调用其他功能模块，尽可能采用内嵌模块的方式，保持 所有界面的显示和操作风格一致，使其具有较强的整体感。在适当的地方采用图形 界面，使用户界面更直观、更清晰。这些问题，也是实用性要考虑的重要方面。 ( 4 ) 使系统能够不依赖于其它平台工具而独立运行。以往很多保护整定模块都是 在某多功能集成平台中作为插件存在，数据收集和处理方面很大程度上依靠于平 台，只能进行一些简单的整定计算，智能化程度低，可干预性差，无法满足实际需 要。 实用性和通用性其实是系统“点”和“面 的关系，它们之间是对立与统一的。 只有将通用性和实用性两者有机的统一起来，本课题才具有研究的现实意义。 2 1 3 智能性研究 智能性研究的是如何使系统的运行过程中，尽可能减少的人工干预。使系统能 够自动完成一些原来需要人的专家经验才可以进行的工作。需要考虑以下几个方面 的问题： ( 1 ) 实现自动整定计算的功能。继电保护整定计算需要许多专家经验，以往很 多同类软件的整定计算过程需要大量人工干预才能进行，智能性的研究在于减少人 工干预，实现程序的自动整定并输出结果，最终实现一键整定的效果。这是智能性 研究最重要的方面。 ( 2 ) 尽量减少整定方法、整定原则的建立过程中的人工参与。发电厂保护原理 繁多，不同电厂的整定方法、整定原则差异很大，以整定计算专家知识为对象，研 究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用，研究减少保护装置模板建立过程中 人的参与度是智能性研究的一个重要方面。 ( 3 ) 研究合适的方法，减少原始参数录入、图形绘制等建模工作中人员的工作 量。发电厂的电气设备数量巨大，电气图纸繁多，建模工作非常繁琐，减少这一环 节的工作量也是智能性提高的重要方面。一 8 华北电力人学硕十学位论文 2 2 系统总体结构 发电厂设备的保护配置非常复杂，不同电厂的配置差异很大，而且不同厂家生 产的保护装置其整定过程也存在差异，整定过程中需要用户的经验。如果依据某个 典型电厂对其所配置的保护进行整定，很难实现软件的通用性。并使得软件的更新 维护成本提高。所以需要设计一种具有良好可扩展和通用性的电厂保护整定软件。 为了使系统具有良好的可扩展性和通用性，并能让用户表达自己的整定经验， 在设计系统时，特别强调了系统的模板化特点和可视化特点。模板化特点使得系统 的内容容易扩充，系统提供尽可能多的保护整定模板、也根据需要自定义合适的整 定计算模板，以满足大多数电厂用户的需要；可视化的特点，就是将抽象的原理以 图形、文字等直观易懂的方式表达出来，方便用户理解保护的整定原理，同时整定 过程是在用户的参与下完成的，使得整定结果可靠性高。 考虑到电厂继电保护整定计算工作的复杂性和多样性的特点，一套实用的整定 计算系统必须涵盖现有的各厂家的保护产品，且必须可以不断将新开发产品的整定 计算内容纳入到整定计算系统，即必须使整定计算系统对新开发的保护产品具有充 分的兼容性。因此，系统应该采用开放式的结构设计和模板化层级化的设计理念， 系统的总体设计思想是“数据一公式一模板一实例化。其中数据指整定原则中的各种 抽象数据，没有具体数值；模板代表依据具体保护装置、使用基础数据定义的整定 计算集合体，它也是抽象的，无实际数值的模型；而实例化过程就是将模板中定义 的整定计算原则与电力系统具体设备参数结合，形成整定计算实例对象的过程。 系统主要由图形建模、故障分析、整定计算、系统管理、数据管理系统等模块 组成，各模块又分别由其各自的子功能模块组成，其总体结构划分如图2 一l 所示。 7 、 爿数据管理v l 图形建模模块ll 故障 原 始 参 数 录 图 形 绘 制 拓 朴 分 析 l 运! i 行l l 方 j 式l 设i 用 障， 偌 流 ；电 目 处： 短 路 电i l 流： 倒 图2 - 1 系统结构框图 数据管理模块是各模块之间联系的纽带，它与其他各模块都有数据和信息的双 9 “一 华北电力人学硕士学位论文 向交互过程。图形建模模块为系统的运行提供操作平台，是其他模块运行的基础， 主要起到系统图的绘制、参数录入、拓扑分析等功能，是一次系统建模的工具。故 障电流计算模块和整定计算模块是本系统的两个核心部分，故障计算为整定计算提 供短路电流计算结果，是整定计算的支撑模块。系统管理模块的主要功能有定值单、 计算书、设备原始参数、工程属性以及用户权限等系统信息的查询、删除、修改等。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第三章数据库设计及数据交互 3 1 数据库基本理论 、 数据库是有机地组织、存储、管理和操作存储在一起的相关数据的技术。它是 六十年代后期发展起来的新兴的计算机技术，其后，这项技术有了惊人的发展，对 计算机信息处理有巨大的推动作用。它可以实现数据的集成、数据的独立、数据的 共享和数据的集中管理；无有害的或不必要的冗余，并为多种应用服务，保证数据 的一致性：数据的存储独立于使用它的程序，对数据库插入新数据，修改和检索原 有数据均能按一种公用的和可控制的方式进行，实现系统的标准化，为应用程序提 供强大的后台支持。数据库管理系统是数据库系统的重要部分，其主要目标是使数 据成为方便用户开发和使用的资源，实现多用户共享，增进数据的安全性、完整性 和可用性。数据库技术有以下明显特征： 1 实现数据的共享； 2 减少数据冗余度； 3 保持数据一致性； 4 数据具有独立性； 5 具有安全保密性； 6 能并发控制； 7 具有故障恢复能力； 数据库开发应该遵循以下两个原则【3 8 】： 1 ) 数据一致性数据一致性即是指数据的唯一性。数据信息一般存放在分布式数 据库中，对于离线数据来讲，其数据由各系统、各应用程序调用。所以，只要 离线数据设计合理，数据必定满足一致性的要求。 2 ) 数据共享性数据共享性是指数据不依赖于各子系统，由各子系统共用，数据 与程序严格分离，数据的增删、更改不需要更改程序。 3 2 数据库的基本要求 电力工程计算机辅助设计技术规定对电力工程中数据库的设计明确提出了 具体的基本要求f 3 9 】： ( 1 ) 符合设计规范的要求，数据应正确，表达方式应准确，并随设计规范的变 更而更新。 ( 2 ) 定义数据库结构字段时，对字段的描述应保证一定的精度。 华北电力人学硕+ 学位论文 ( 3 ) 用户在使用各种查询工具访问数据库时，不能因查询速度慢而影响工作进 度。 ( 4 ) 用户只能从一个入口输入数据到数据库，当需要时，应用系统命令或程序 将数据转移或拷贝到数据库的其他部分，以保证数据库的一致性。 ( 5 ) 数据库中的数据是一直变化的，如新设备的出现、新标准的诞生，都需要 在数据库中马上反映出来，所以数据库系统必须能提供统一的、快速方便的维护手 段。 ( 6 ) 数据库安全性的含义有二：一是当系统硬件或软件崩溃时，原有的数据库 自动得到保护；二是应根据电力工程设计的特点，针对不同的用户，如总工程设计 师、数据库管理员、主设计人、设计人，设定不同的对数据库操作的权限。 3 3 数据库结构的设计 整定计算系统的各个模块都与数据库有着密切的联系，因此，建立一个科学、 高效的数据库结构是系统设计成功与否的关键点之一。本系统的数据库所包含的信 息大致可分为以下六大类：图模信息、短路信息、设备参数信息、保护装置模板信 息、定值整定信息及其他信息，大体内容如图3 - 1 所示。 匿曼塑圃 田l 圈ii 图拓|图 一据i t 一 图3 1 各部分内容详细介绍： 1 图模信息：记录着与电气接线图的绘制有关的信息，包括图元信息、图纸目录 和网络拓朴的信息。图元信息指图纸中的各种图元的大小、位置、颜色等绘图 华北电力大学硕十学位论文 信息，是数字化图纸的保存方式，图纸的重绘以这层数据信息为基础。图纸目 录保存着每张图纸的名称，方便图纸的查询、检索。拓扑信息记录着网络的拓 朴结果，主要包括网络中所有元件的设备名称、端点名、端点的基准电压、拓 扑类型等。 2 短路信息：记录着与短路电流计算相关的信息，包括短路电流计算结果和运行 方式的内容。短路电流计算结果记录着各种运行方式下系统各个端点发生各种 类型短路情况下短路电流的大小。运行方式记录了系统最大、最小及自定义运 行方式下，各个开关、刀闸的开合状态以及发电机、变压器等的接地状态。 3 设备参数信息：记录着系统内各种设备的原始铭牌参数，包括发电机、变压器、 电动机、开关、馈线、母线及外部系统等。 4 保护装置模板信息：这部分记录了各种常用保护装置以及用户自定义的保护装置整 定计算模板。包括的内容有保护装置型号、保护名称、定值项、变量项、c i i 和p t 、 控制字等。这个部分内部数据彼此之间有一定的联系，有层级性、依符性，各链表 之间以关键词为索引，结构清晰，可以提供多种检索方式。模板是面向具体厂 家的保护装置的、集成化的保护整定计算系列，与保护装置对应，一套整定计。 一 算模板包含了一种保护装置的全部定值整定计算内容和详细的整定原则。按照 “数据一模板一实例化 的设计思路，模板是整定计算的中间环节，也是最重要泽 环节。 5 定值整定信息：这部分记录着整定计算的最终整定结果，它是保护模板与具体 设备参数结合，实例化后的结果。内容包括保护配置信息、定值整定结果、变 量取值、c t 与p t 实际值、控制字取值等。各链表之间有一定的关联性，是通过 类似整定模板信息库的关键词索引办法来实现的。整定模板信息与定值整定信 息之间有一定的联系：前者为存放在数据库的原始保护整定计算信息，是整 定计算的基础，需要不断完善和维护；而后者是在前者提供的信息基础上用户 配置的保护信息，即保护配置后的实例化保护信息，所以前者是后者的基础。 前者提供了保护装置的整定计算内容；而后者存放着整定计算的结果，前者 比后者多了变量、c t 、p t 、控制字等的默认值字段，而后者又比前者多出一项 定值整定结果字段，他们的结构如图3 2 所示。 华北电力人学硕十学位论文 圉国圈图阴卧 变保 量符数护 名 号值名 称称 图3 2 6 其它信息：主要记录着一些与管理模块有关的信息，包括工程信息、用户信息 矗盘 守0 3 4 系统的数据交互 继电保护整定计算系统数据的交互和传递非常频繁，每个模块在运行过程中需 要用到的数据各不相同，数据之间有交叉和重叠现象。系统的总体工作流程和数据 交互如图3 3 所示。故障计算模块和整定计算模块是系统的两个核心模块，其它模 块都是为这两个模块服务的。管理模块主要与数据库关联，完成对数据库大量数据 的分类管理功能。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图形建! 模模块l 故障计 算模块 图模信 息库 短路信 息库 保护配 置 整定计 算模块 设备参 数库 模板自 定义 保护模 板库 网 i 息库i i一 图3 - 3 系统总体的数据流动 图3 - 4 为整定计算“模板一实例化 过程的图示。整定计算对象的实例化过程， 其实就是由抽象的保护装置整定计算模板和实际电厂具体数据相结合，形成具体的 整定计算对象体的过程。这个过程中主要用到了四种数据信息，即保护装置模板信 息、设备原始参数信息、网络拓扑信息、短路电流计算信息。程序以保护装置模板：整 中定义的抽象数据为基础，根据其数据类型与具体数据结合，把这些信息组织起来， 就形成了实例化的整定计算对象。 隧南 华北电力人学硕七学位论文 3 5 数据库访问 在整定计算程序中，数据访问设计是必不可少的。从电厂图形存储到图形中元 件的各个参数，从故障分析计算结果到整定定值，都需要用到相应数据库的数据访 问技术。 v i s u a lc + + 6 0 支持五种不同的数据库访问技术：o d b c ( o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ) 、m f co d b c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e so d b c ) 、d a o ( d a t aa c c e s s o b j e c t s ) 、o l ed b ( o b j e c tl i n ka n de m b e d d i n gd a t a b a s e ) 和a d o ( a c t i v e xd a t a o b j e c t s ) 。我们采用a d o 技术作为数据访问接口，a d o 是微软最新的对象层次上的数 据操作技术，它为操作o l e d b 数据源提供了一套高层次自动化接口。a d o 具有以下优 点 4 0 1 ： ( 1 ) 易于使用。用a d o 访问数据源的时候已经没有必要去关心对象的构造层次和 构造顺序了。 ( 2 ) 可以访问多种数据源。 ( 3 ) 访问数据源效率高。 ( 4 ) 方便的w e b 应用。 ( 5 ) 技术编程接口丰富。a d o 支持v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lj + + 以及 v b s c r i p t 和j a v a s c r i p t 等脚本语言。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第四章图形建模模块 4 1 电气接线图的计算机描述 电力系统分析计算中，我们要面对的是一个复杂的电力网络，要涉及到各种电 气设备。这些设备因其结构、电气参数不同，都具有各自不同的特点和属性，因此 在计算机中的表示方法和存储结构也不相同。在计算机图形化表示中，把这些电气 设备称为图元，一种设备对应一种图元【4 1 1 。 在图形化计算软件中，需要对设备图元进行各种操作( 如添加、编辑、平移、 缩放、复制、剪切、删除等) ，而计算机操作系统中处理图形对象的接口函数基本 上是对区域的操作( 包括矩形区域和不规则区域) ，例如，直线和矩形的表示和实现 方法是不同的。在电力系统中，不同种类的设备的外形不同，例如：发电机、变压 器是大小可以变化的矩形元件，母线可以看作是一种长短可以变化的元件，而导线 则是由不定数量的长短可以变化的线段构成。不同种类的设备的连接关系也是不同 的，例如：发电机、接地支路只有一个连接，双绕组变压器、馈线有两个连接，三 绕组变压器有三个连接，母线、p c 、m c c 等可以有任意多个连接等。经过分析可以 知道，元件的外形和连接关系是显示元件需要表达的最重要的两点。因此，可以根 据设备图元的形状属性来分类。 4 2 设计原理 电力系统是由发电机、线路、变压器等各种设备依据一定的拓扑关系连接而成 的，各种元件属性相对独立，但拓扑上都是相互关联的。如果将它们定义成对象， 并将其内在的属性封装在对象内，就可以实现面向对象的图形管理。当数据的定义 和对象的封装一致时，就可以使对象和数据库的记录之间产生一一对应的关系，从 而实现图形和数据库一体化。 在计算机编程中，电厂的电气接线图可以看成是多