（电力系统及其自动化专业论文）面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发.pdf

e x p l o i t a t i o no ft h e0 b j e c t 0 r i e n t e d o fr e l a yc o o r d i n a t i o ns o f t 、v a r e o nh i g h v o i a g ep o w e rs y s t e m a b s t r a c t v i s u a la n da u t o m a t i c a lr e l a yc o o r d i n a t i o ns o f t w a r ef o rs e t t i n gp r o t e c t i o ni na n h u i t r a n s m i s s i o nn e t w o r kc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o o r d i n a t i o nw o r kg r e a t l y ，i ti se a s y t om a i n t a i nt h i ss o f t w a r ew h e nw eu s et h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d o l o g i e s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a l m e t h o d o l o g i e s ，t h e s o f t w a r ed om o r eo n r e s p o n s i b i l i t y , m a i n t e n a n c e ， c o r r e c t i o n ，r e u s i n g ，f i t n e s sa n du n d e r s t a n d a b l e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei d e a s ，s t r u c t u r e o ft h es o f t w a r e ，a n di n t r o d u c e st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c em o d u l e ，g r a p h i cu n i t m o d u l e ，t h es e t t i n gc a l c u l a t i o nm o d u l e ，t h eo f f s e tc o e f f i c i e n tm o d u l e ，d a t a b a s em o d u l e a n ds oo n a n df u n c t i o nd i v i s i o no fe v e r ym o d u l e t h i sp a p e rg i v e sab r i e fd e s c r i p t i o no f t h ec h a r a c t e r sa n db e n e f i t so ft h es o f t w a r e 。i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fc o m p e n s a t i o n w a su s e di nt h em o d u l eo ft h eo f f s e tc o e f f i c i e n tt om o d i f yt h em a t r i xo fr e s i s t o r i t e n h a n c e st h es p e e do fc a l c u l a t i o n a n d t h ec ”l a n g u a g ew a su s e di nt h et r a d i t i o n a l s e t t i n gp r o g r a m m i n g i t d e c r e a s e st h ew o r ki n t e n s i o n l y k e y w o r d ：p o w e rs y s t e m ；r e l a yp 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 ；p h a s ed i s t a n t ；g r o u n d i n g d i s t a n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金魍王些太堂 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谢意。 学位论文作者签名：罩永格 签字日期：一声，月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盒胆王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：单自，南藐 签字日期：硼肄，月占e t 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名列、喝 签字日期：枷弓年j , e l e t 电话 邮编 致谢 本文完成之际，首先感谢导师孙呜老师，本人在从事课题研究及 撰写论文的整个过程中，导师都给予了的精心指导。三年来，导师f i 仅在学业上给予我指导、生活上给予我们帮助，而且还教会了我许多 做人的道理。使我从他严谨的治学态度、高尚的人格、对各位研究生 的关怀中受益匪浅。 在项目合作的过程中，得到了安徽省继远电网公司、安徽省电力 局中调所保护科、合肥供电局、芜湖供电局等单位的大力协助。在此 向他们表示诚挚的谢意。另外，感谢本课题组梁俊涛、徐慧明、王磊、 孔健、江海峰等同学的支持和帮助，对他们，我表示衷心的感谢。 最后，问候远在家乡的父母，谢谢你们二十余年来对我的关心和 爱护。 面向对象的高压电网继电保护缒定计算软件的开发 第一章概述 1 。1 课题来源及目的 此次所选课题的来源为安徽继远电网公司与合肥工业大学电气工程学院继 电保护课题组合作的项目。项目的名称为面向对象的1 1 0 k v 电网继电保护整定 计算程序，w i n d o w s 桌面应用系统，v c + + 6 0 语言开发。项目的目的就是用面向 对象的方法开发出一个可视化的1 1 0 k v 继电保护整定计算软件，使之能对各种 电网建立原始序网图，并可进行全网的分支系数计算、短路电流计算、整定计算 等操作。 1 2 课题的意义 继电保护装置是电力系统最重要的二次设备之一，它对电力系统的安全稳定 运行起着极为重要的作用。因此，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。人工计算继电保护定值虽然可信度较高，但计算i 作是十分繁杂的。而且，人工整定时。很多时候都是由整定计算人员根据经验束 进行整定。这难免会出现考虑不全面，且故障时不易查错等问题，存下了安全隐 患。同时，从电网继电保护整定计算的角度出发，需要考虑的因素是很多的，其 中电网的接线方式和运行方式对定值计算的影响最大。随着电网的发展，电网规 模愈来愈大，接线方式和运行方式日趋复杂。其中大环、小环相互重叠，长线、 短线交错连接的状况已经比较普遍。这些都给保护定值的整定计算工作带来了困 难。为了合理协调保护的灵敏性、选择性、速动性和可靠性这四者的关系，以使 各保护达到最佳的配合状态，就必须对电网的各种运行方式及多种故障情况进行 反复而周密的计算m 。 本软件的开发成功将会把继电保护整定工作者从繁重的工作中解放出柬，n 整定时待整定支路会和相邻的上下级各支路全面配合，确保找得最优值。提高了 整定的精度和速度。可视化的图形界面使整个计算过程及待计算支路及周边情况 一目了然。 程序的目的就是将整定计算工作者从繁重的日常工作中解脱出来，使电力系 统继电保护工作人员可以通过图形化的电网故障分析及保护整定软件整定继电 保护定值，同时通过灵活的电力系统故障仿真对全网继电保护定值仿真校验，并 能方便地对保护装置及保护定值进行管理。 1 3 课题在国内外的概况 如今。计算机的使用已经渗透到人们工作、生活的各个领域，可视化和智能 化是如今计算机软件发展的主流方向，而在电力系统二次部分中的继电保护领 域，像整定计算这种对定值的精度要求很高的领域，使用计算机软件来进行整定 计算是进入2 1 世纪继电保护整定的主流。在这方面，国外在八十年代末、九十 年代初就已有研究。他们的研究方向主要为利用面向对象的方法来进行整定计 亘囱型墨笪壹堡皇旦堡垒堡塑墼塞盐蔓墼壁盟茎垄 算，以及利用专家系统的方法来进行整定计算。从他们的研究看出使整定工作智 能化翮提高整定运算速度为这方面的主要工作和发展方向。如文 2 报道了一个 输电线路保护整定专家系统。该专家系统仅限于整定t o s h i b a 和g e 公司的保 护产品，其执调继电器配合舶能力并非在全范围内有效，一些功能还不完善。进 一步的工作是将故障计算软件包与专家系统连接起来，以实现自动的数据输入。 文 3 】在文 2 的基础上就规则表示方式、规则库的编写与管理、冲突协调原则等 方面作了改进，使系统的运行速度大大提高。但由于他们的电网框架结构比较好， 故障时优先考虑速动性，次之才是选择性，因此保护配置比较简单，对于各种复 杂的故障情况处理比较简单。 在国内，继电保护整定工作的自动化进展较缓慢。以往，由于保护定值的计 算主要依靠人工并辅以专用计算工具的方式进行，其计算量太大、计算时间太长， 而且运行方式的选择傲了简化，无法满足生产的需要。 从7 0 年代开始，保护定值的整定计算开始向利用数字计算机的方向发展 但是人工利用通用短路计算程序的定值计算方法，仍然需要计算者用人工方式调 整计算内容、查找计算结果、并用人工方法算出保护的定值。 7 0 年代中期，我国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 算的研究工作，并推出了一批相应的软件。比如湖南省中润丌发的短路程序和彳： 北电力学院丌发的整定程序为使用f o r t r a n 语言编制，d o s 环境f 运行的软件。 但是，这些软件在使用中存在较大的缺陷“： 电网故障分析数据创建输入较繁，一般采用数据文件的形式输入数据，j c 寸 使用人员要求较高。 继电保护定值整定采用传统的方法，由计算机通过循环分别计算出并段 定值，此时电网运行方式设置较死板，工程技术人员对所计算出的定值不 信任。 定值校验方法只有灵敏度校验，无法校验后备保护定值配合情况。 不具备完善的继电保护管理数据库。 而面向对象的计算机开发方法应用于电力系统只在近两年才开始研究。目前， 只有四川、广西、湖北等省有研究。虽然，我国在这方面对研究较国外落后，但 各省的研究都有一定的突破性。在国内，对于此课题比较有影响的是华中科技大 学以尹项根、段献忠老师领头所进行的研究与开发。文f 5 】对继电保护软件应有 的功能作了个总体的概述，并提出了将人工智能技术的最新进展与继电保护整 定计算完美结合是整定计算软件的进一步饷发展方向。另外，在i n t e r n e t 技 术日益发展的推动下，继电保护整定软停向网络化、实时化发展是必然的方向。 在这方面虽然国内的研究还有局限性，然而，就如一切新生事物一样采用计算 机来自动进行整定计算是一个不可阻挡的趋势。f 6 坦1 面向对象的高压电网继电保护整定计算软p l ：的开发 1 4 本次研究工作简介 比较1 l o k v 及以下电压等级电网与2 2 0 k v 电网，我们会发现1 1 0 k v 电网的 整定计算的工作比2 2 0 k v 电网麻烦的多。一个突出的特点就是t 节点多，而t 节点一直以来就是整定计算工作的难点。本次研究工作的重点为整定软件中的核 心部分一一整定计算程序和整定计算中分支系数的计算，另外，还开发了故障计 算中的零序电流的计算程序，在整定计算程序部分利用把t 接线从t 节点部分 等效成三条普通线路，并且在整定计算中有单独的一套t 接线整定计算程序。在 整定计算程序中，对于11 0 k v 线路的整定，按照专家的意见，由于安徽省i i o k v 电网中大部分采用相间距离保护，另一小部分采用接地距离保护，而不是像 2 2 0 k v 电网中相间距离可被接地距离保护所代替旧，所以1 l o k v 电网中线路保 护需三种保护。对于分支系数和零序电流的计算程序，由于系统中的支路、节点 众多，当运行方式经常改变时，计算出新的阻抗矩阵需要相当长的时问，这一点 是整定计算中所不能忍受的，所以。我们采用了一种好的算法补偿法来优化 此计算，使得浮点运算减少了2 1 3 。另外，相对于以往d o s 状态下的整定计算软 件，本软件的一大特点即优点是可视化的软件。使用人员不必精通d o s 状态下的 计算机操作，只需在整定界面中选中待整定的内容，是线路还是各种电压等级的 变压器进行整定即可。而整定的线路或变压器的各项参数也可选择，而不用人手 工输入各种命令。本软件采用了1 0 位的整形字来囊括了待整定支路的各项信息。 整定时，通过更改图形界面中的支路开关中的整定索引来具体选择此1 0 位整形 字。为方便整定人员，每种线路、变压器都备有几套整定方案，均为安徽省的 1 l o k v 电网整定计算专家根据安徽省1 l o k v 电网的特点而确定，并且，他们根她 最常见的情况确定了一套默认整形字，即第一次使用时系统默认的整形字，如果 在整定设置中对整形字不加选择，则系统就会按此最常见情况进行整定，从而省 却了整定工作者的麻烦，防止出错。当然，在此软件中，整定人员还可以自由选 择故障类型、投切的支路、要整定的开关，从而使整定过程更透明。整定人员唯 一需要费神的事情就是做出各局的地方电网即可，而“自动连线”、“捕捉端点”、 “上对齐”、“下对齐”等工具使画图简单易行。对于软件中的界面部分，人机接 口部分以及数据库等其他部分因不是本课题的研究内容，因此，论文中只作了简 略的说明，主要针对两个主界面一- - n e t b u i l d e r 界面和f a u l t a n a l y s i s 界面上各 项的功能来一描述。 陋向对象的高压电网继电 5 护整定计算软件的开发 第二章面向对象开发方法的简介 2 1 面向对象的开发方法和传统的开发方法的比较 计算机技术领域中的一支奇葩就是人工智能技术，如果把人工智能的最高技 术和传统的整定计算相结合，必能大大的减轻人的体力和脑力劳动。人工智能的 个方面，就是软件开发方法由传统走向了o o ( 面向对象) 的设计方式。 在整定计算中，我们采用了面向对象的开发方法。它和传统的丌发方法有何 区别哪? 传统的开发方法也叫面向过程的开发方法，它着眼于系统要实现的功 能。从系统的输入和输出出发，分析系统要做那些事情，进而考虑如何做这些事 情，用自顶向下、逐步进行功能分解的方式建立系统的功能结构和相应的程序模 块结构。但是，程序因各种各样的原因需要经常修改，这种修改常常涉及到许多 模块。有时因功能改变导致全部模块都要变更，这样修改工作量极大，很容易产 生新的错误，使得程序退化。 面向对象的方法弥补了传统算法的不足。它着眼于应用问题所涉及的对象， 识别为解决问题所需的各种对象、对象的属性、必须的操作，以及各个对象的实 例之问的关系，从而建立各个对象的结构和为解决问题需要执行的事件序列，据 此建立类的继承层次结构，通过各个类的实例之间的消息连接，实现所需的功能。 面向对象的开发方法中有一个突出的特点就是类的应用。类的定义充分体现了抽 象数据类型的思想，基予类的体系结构可以把程序的修改局部化。特别是一旦系 统功能需要改变，主要修改类中间的某些服务，类所代表的对象基本不变，整个 系统保持稳定，确保系统不致因修改而退化。因此，用面向对象的开发方法建立 起来的软件易于修改，与传统的方法相比，程序具有更好的可靠性、可修改性、 可维护性、可复用性、可适用性和可理解性。 4 a s j 2 2 混合的开发生存期概念 h e n d e r s o n s e l l e r s 提出，把o o 技术引入商业环境的一个关键问题是把o o 技术贯穿到整个生存期，还是与传统的机构化技术掺合或搭配起来使用呢? 把这 个问题引入继电保护整定计算中来。掺合传统的结构化技术和o o 技术可以创造 出某种混合的开发生存期，这是考虑到当前在传统的结构化技术上大量投资的现 状。因为相当多的软件是采用传统的方法开发出来的，而且这种技术的经验很多。 此外，许多机构已投入了大量的资金用于开发支持传统技术的c a s e 工具。 从问题到问题解，我们可以选择不同的路线。图2 一i 描述了开发的路线。 问题 图2 1 从问题到问题解 问题解 面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发 传统技术和0 0 技术的掺合或搭配的可能组合见表2 一i 。 表2 1o o 与传统技术的可能组合 分析技术实现 ( 1 )ooo ( 2 ) oot ( 3 ) ot0 ( 4 ) too ( 5 ) tto ( 6 ) to t ( 7 ) ott ( 8 ) ttt 表中o 表示采用o o 的方法，t 表示采用传统的方法。 在此次研究工作中，我们采用了第四种方法，保留传统的分析方法，采用o o 的 设计和实现( t o o ) 。这样，它就只需一次翻译过程。 2 3 传统的分析，0 0 的设计 o o 基本原理最先是通过几种编程语言得出的。这些编程语言是面向对象最 成熟的领域。在引入o o 编程语言之后，开发人员需要能够反映这些新语言软件 设计的方法。设计阶段是o o 第二个最成熟的领域。今天，0 0 分析仍处在它的 幼年期，是三个领域中最不成熟的。常见的专家系统，就是采用了o o 的分析方 式，这是一个好的尝试，但成功率不高，技术不完善。对于一个要开发成产品的 工程来说，只会考虑采纳那些应用最成熟的领域。因此，我们采用了t - - o - - o 的结构路线。 2 4 面向对象的方法定义 面向对象韵方法的基本要点可概括为以下四点i j 纠： f 1 )数据的抽象，即类与子类的概念及相互关系。 ( 2 )数据以及对它的操作的一体化，即封装的概念与方法a ( 3 )属性与操作由父类向子类传递，即继承的概念与方法。 ( 4 】客观事物之间的相互关系用统的、消息传递的方法来描述。 2 5 面向对象方法在本软件中的应用 面向对象的开发方法在本软件中的应用主要体现在以下几点： ( 1 ) 封装的应用。软件主要分成几个模块，每个模块完成一个独立的功能，模 耍塑翌墨盟堕堡垒婴攀电保护整定计算软件的开发 块与模块之间没有什么必要的联系，一个模块的成功与失败与别的模块是 没有关系的，这样，建造程序与修改程序就变得容易了。 ( 2 ) 数据的抽象与继承的概念。即每个模块都包含了类和子类的概念，开发新 类时可以只说明它与另一个己存在的类的不同，新类继承存在的类。这种 方法的最主要的优点是已存在的类可以很大程度上被重用。新类即子类， 而已存在的类为基类。举例说明，线路类有画图的函数，变压器类也有厕 图的函数，他们两个的画图函数是相同的，然而，他们又都有与众不矧的 函数，显然，这两个类不可能合成个类，这时，就可以作一个公共的基 类，他包含了此画图的函数，线路类和变压器类为从他派生出的子类，他 们自然继承了基类的函数，而不必重写一遍了。这主要体现在各模块中程 序的编制上。 ( 3 ) 多态性的应用。这也是v c + + 语言的一大特点。 2 6 数据库的选取 对于所有的c + + 应用程序，数据存储是最基本的问题，此外，还需要高效地 检索数据。因此为v i s u a lc + + 应用程序选择恰当的数据库技术就尤为重要。在本 软件中，我们采用了v c 中包含的编写m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下c + + 数掘库 应用程序所需的组件之，即独立的面向用户的数据库访问系统一一 o d b c ( o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放数据库连接性1 。 m i c r o s o f to d b c 标准不仅定义了s q l ( 结构化查询语言) 语法的规则，而 且定义了c 语言同s q l 数据库之间的程序设计接口。现在。经过编译的c 或c + + 程序就有可能对任何带有o d b c 驱动程序的d b m s 进行访问。本软件使用的 m i c r o s o f ta c c e s s 数据库就包含在o d b c 的s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，软 件开发工具包) 中。使用o d b c 让应用程序的开发人员避免了与数据源交互的 复杂性。 2 7 动态链接库的使用 所谓动态链接库，就是一些函数、数据和类集合成的可执行模块，程序员，u 以将动态链接库动态地集成到自己的程序中以使用库中的函数、数据和类。动态 链接库使用d l l 为扩展名，他能被操作系统自动加载。动态链接库以种自然 的方式将一个大的应用程序划分为几个小的模块，有利于小组内部成员的分工与 合作，而且各个模块可以独立升级。如果小组中的一个成员开发了一组实用例程， 他就可以把这些例程放在一个动态链接库中，让小组的其他成员使用。1 本软件就是使用这种动态链接库技术，软件共分个部分，他们写成d l l 的 形式加载到执行程序中，他们是f l t c a l d l l ( 短路计算) ，f z c a l d l l ( 分支系 数计算) ，b h z d d l l ( 1 i o k v 电网继电保护整定) 等。他们被加载入s c 界面执 行程序中，通过界面菜单的调用，进行各动态链接库程序的运算。 耍塑型叁塑塑堡生型堂皇堡塑墼塞生蔓墼堡塑墅垄 第三章软件的总体结构及简介 3 。1 软件的总体结构 继也保护软件主要由人机对话主界面模块、图元模块、整定汁算模块、分支 系数计算模块、故障计算模块等部分组成。其整体结构如图3 一l 所示。 图3 1 整体结构框图 3 2 各模块简介 3 2 。l 图元模块 图元模块提供给用户一个专用的绘图工具箱，工具箱里包括开关、_ 双绕组变 压器、三绕组变压器、母线、普通线路、发电机、互感线路组等元件，如图3 2 所示。用户可根据各自电网的特点，画出网络拓扑图，其中，每一个图形都代 表着具体的设备，设备的参数则作为元件的属性填入。元件间的关联关系在绘图 中由计算机自动识别。 图3 2 图元绘制工具 图元模块的工具箱中包含了l l o k v 系统的各种元件，在母线、线路、变压器、 发电机等的属性表( 双击各图元后出现的表) 中由用户填入各元件的属性参数值， 而开关的属性表中则需填入整定定值( 以往整定的定值) ，其中，若整定索引( 设 置的计算机能辨识的图元的短整数，详见第五章) 为负数，则默认为是变压器支 路上的开关，其相应的整定值为过流和零序，若为正数，则计算机默认为是线路 上的开关，其相应的整定值为距离和零序。各开关的属性表中的定值由程序填入 原给定的系统整定老值，变压器的各侧开关属性表中还包括系统f 序的大小方式 面向对象的高压电刚继电保护控定计算软件的开发 阻抗，以及零序的大小方式阻抗。 添加元件时，用户可以从菜单或工具栏中选择绘图工具，在视图中商出元件， 系统会自动弹出对话框，用户输入参数后即可，如果取消对话框，则系统自动删 除已绘元件。 用户在绘图时系统自动进行视图之间的同步。系统保证在任一时刻，左侧树 型列表中所显示的元件集合与网络图形中的设备一对应。 3 2 2 整定计算模块 整定计算模块实现电力系统线路相间、接地距离i 、i i 、i i i 段保护，零序电 流i 、i i 、i i i 、段保护以及2 2 0 k v 变压器的后备保护，1 1 0 k v 和3 5 k v 变压器 的主保护等的整定计算。其中线路主要是距离保护和零序电流保护，各段定值自 动配合整定计算，无需指定需配合线路或变压器支路，程序中将处理整定支路和 上下级的各条支路轮切配合，综合各计算值，得一个最恶劣值，提高了整定值的 可靠性和精确性，而变压器主要是带方向与不带方向的负荷闭锁过流保护和零序 电流保护各段等值的自动配合整定计算。各保护公式参考安徽省各下属供电局以 及电厂的整定专家的经验。 3 2 3 数据管理模块 3 2 3 1 设备参数数据库 本软件的数据库采用的是m i c r o s o f ta c c e s s 数据库系统。设备参数数掘库中 的系统参数( 母线表、发电机表、线路表、双卷变表、三卷变表、互感线路组表、 发变组表) 等数据的信息存储在a c c e s s 数据库的表中，它们与各种网络元件一 一对应。各元件表的信息全部写成链表的形式，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一性，保证了数据的可靠性，而且做到了动态分配内 存，节约了系统资源1 1 9 。 3 2 3 2 保护定值和整定计算书数据库 保护定值数据库中存放原整定的定值，定值为全局变量，也以链表的形式被 使用，程序结束后，整定的新定值被写入整定新值链表中，在图形界面的“设置” 一栏，用户可以从整定的开关中选出要更新定值的开关，按“确定”按钮，指定 开关的定值被更新，存放于老值数据库中。程序可以选取所有的开关进行整定， 也可选取几个开关进行整定。整定结果以h t m l 的形式表达，以开关为目录可 以查看具体信息。结果可打印。 3 2 3 3 分支系数计算模块 分支系数计算模块根据运行方式( 大方式，小方式，特殊方式1 ，特殊方式 2 ：特殊方式为由人工自定义切哪几条线的方式) 分别计算，每种运行方式人为 面向对象的高压电两继电僳护整定计算软件的开发 指定，不由机器指定。分支系数考虑相邻线路的末端短路，在双回线路上考虑相 继动作。考虑线路首末端母线上的n l 方式和n - - 2 方式【1 8 】，并可以考虑任意 多种运行方式取最优值( 亦可人为的改变所选取的定值) 。计算流程可通过改变 界面上的控制字( 个1 0 位的带符号整数，控制着整定计算的全过程，详见第 五章) 来进行控制，适用于2 2 0 k v 、1 l o k v 等多种电压等级电网的相间距离、接 地距离、零序电流保护整定。分支系数结果以二进制文本文件存储，进行整定计 算时，整定计算模块通过与数据管理模块的交互，来调用分支系数值，这个过程 外界是看不到的，之所以采用二进制文件是因为计算机读二进制文件比较快。当 然，用户也可双击线路查看具体线路的分支系数。计算分支系数时的方式设置也 通过数据管理模块与人机对话界面的交互来完成。 3 2 3 4 故障计算模块 故障计算模块提供强大的故障计算功能，能针对各种网络，计算各种故障， 包括单相短路，两相短路，两相接地短路，三相短路，单相断线，两相断线，三 相断线等。计算1 0 嘶和i o m 。时，考虑了能计算线路首末端母线上轮切一个元件 与否的检修方式( 计算i o 和三相短路时还可选择计算线路首末端母线上轮切 个元件的同时，另线路相继切除的方式) ，适用于2 2 0 k v 、1 1 0 k v 等多种电压 等级电网的零序电流保护整定和校验使用。故障计算的结果也是存储在一二进制文 本文件中，处理过程同分支系数计算模块。 3 2 4 人机对话界面 该软件拥有十分友好的用户界面，用户通过界面选择整定信息并进行计算。 用户主界面有两个，一个为f a u l t a n a l y s i s ( 故障分析计算) 界面，作用是整定计 算，另一个是n e t b u i l d e r ( 网络建立设置) 界面，作用是修正数据库和进行整定 设置。n e t b u i l d e r 进行整定设置如下图3 3 所示，在“整定设置”中，用户根 据要整定的元件选择整定原则和整定公式信息，则图3 4 中的方案整型字也随 着改变，存盘，则修改后的整型字就存入文本文档中，调用时，修改网络拓扑图 中的元件整定索引值，就可以了。整个过程简单，快捷，而且加入了人的经验， 十分可靠。 在f a u l t a n a l y s i s 程序运行主界面上，用户可以对工作区和算例进行新建、 保存、添加、删除等操作，还可以进行方式管理、序网管理、计算管理，在这些 管理中可进行故障设置、方式设置、结果设鼍等操作。f a u r a n a | y s i s 为计算界 面，用户可以在此界面上指定程序进行全网的分支系数计算、最大最小短路电流、 零序电流计算以及对指定的开关进行整定计算等操作。 另外，两个用户界面间可以互相链接，相互切换。在建库界面中，可以链接 到计算界面，反之也可。 面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发 3 2 5 辅助功能模块 ( 1 ) 详细方便的帮助文档。帮助文档采h t m l 格式，详尽清晰。用户只需用 鼠标点击所要查看的项目标题，就可链接到相应位置。充分发挥了网络的特点。 ( 2 ) 网络功能。软件系统可以和e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，能源管 理系统) 联网，终端已有了原始序网图，由e m s 联网提供设备状态开关量，在 各供电局的计算机上即可进行计算。 图3 3 整定设置示意图 图3 4 控制字示意图 3 3 软件的功能和特点 1 根据相间距离保护整定计算原则，软件可自动完成相间距离保护i 、i i 、h i 段的动作阻抗j 动作时间及灵敏度的配合计算。 2 根据由专家制定的变压器保护整定计算原则，软件可自动完成变压器保护过 面向对象的高难电网继电保护整定计募软件韵开发 流i 、i i 段和零序i 、i i 段的动作电流、动作时间及灵敏度的计算。 3 线路及变压器上任意一套保护的任意一段定值均可预先在界面上指定，这为 人为干预某些保护的定值提供了方便，而且界面十分友好。 4 软件以h t m l ( 超链接文本) 的格式输出结果，结果以开关为目录进行查询。 操作在界面上完成。 5 软件具有一定的普适性，可用于2 2 0 k v 线路、1 1 0 k v 线路的相间距离整定 计算以及2 2 0 k v 变压器、1 1 0 k v 和3 5 k v 变压器的后备保护和主保护整定计算。 6 首创的利用整形字来控制程序的执行，可在整定计算程序中进行线路、1 】0 ( 3 5 ) k v 变压器以及2 2 0 k v 变压器之间的整定计算的切换。其中变压器的高、 中、低压侧保护也可自行设定。另外，整形字还直接影响、控制着分支系数计算 中的各种运行方式的改变。 面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发 第四章软件核心算法与编程思想 4 1 软件设计思想 整定计算软件在进行故障计算、分支系数计算时，需要处理大量的矩阵运算， 传统的算法，例如支路追加法，是采用并一条负值的支路来模拟断线，这是一种 好的方法，但是它是针对全网进行计算，牵一发而动全身，即每次都要修改整个 矩阵1 2 。这在一个大系统中，每次只需处理一根或两根断线时，就显得十分笨 拙，而且费时、费力，效率低下。在实际中，继电保护整定计算的习惯是针对单 条或两条线路进行整定。这就存在一个问题：为了修改一条支路，就得对整个阻 抗矩阵进行修改，费时、费力。那么，有没有一种算法，是只需局部进行修改就 可以了哪? 有一种简单的算法一一补偿法，它能有针对的对两条支路进行修 改。当开断一条线路时，效果尤其明显。另外，在整定计算中，我们采用了面向 对象的开发方法。面向对象的开发方法中有一个极大的优点就是类的应用。类的 定义充分体现了抽象数据类型的思想，基于类的体系结构可以把程序的修改局部 化。特别是一旦系统功能需要改变，主要修改类中间的某些服务，类所代表的对 象基本不变，整个系统保持稳定，确保系统不致因修改而退化。因此，用面向对 象的开发方法建立起来的软件易于修改，与传统的方法相比，程序具有更好的可 靠性、可修改性、可维护性、可复用性、可适用性和可理解性。另外，软件的优 化整定值功能使整定人员可以方便地建立各种运行方式的计算模型，进行自动计 算。也可以通过控制计算进程，方便地融入整定工程师的宝贵经验，借助整定程 序优化电网各级继电保护装置的整定值，以实现不同电网结构及不同运行方式下 的最优整定方案，最大限度发挥继电保护装置的性能。下面将对各种算法的原理 及实现作详细说明。其中，故障计算中的零序电流及短路电流计算和整定计算中 分支系数的计算的主要算法为补偿法。 4 2 补偿法原理 所谓“补偿法”，是指当网络中出现支路开断的情况时，可以认为该支路末 被开断，而在其两端节点处引入某一待求的电流增量或称之为“补偿电流”，以 此来模拟支路开断的影响。实际上也可以认为相当于在应断开支路两端并联一条 阻抗值为其相反数的虚拟支路怛”。 4 2 1 开断单条支路 以下先以单一支路开断为例来说明补偿法的物理概念，然后导出补偿法的普 遍公式。 如图4 1 所示，当网络节点i 、j 之间发生支路开断，可以等效的认为该支 路并未断开，但在i 、j 节点间并联了一个追加的支路阻抗z 其数值等于被断 丌支路阻抗的负值。这时流入原网络的注入电流将由j 徊变成，。 面向对象的高压电叫继电保护整定计算软件的开发 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 由于】“= 【z 】。【j 】w ，所以只要求出追加支路z ，上通过的电流j ，就可 以求出断线后的节点电压( 7 ，从而求出故障电流。 对于线性网络，可以应用迭加原理把图4 1 分成两个网络即图4 2 、图4 3 ，这时待求的节点电压珍也可以看成两个部分 7 ：d ( o + d ( 1 ( 4 3 ) 式中：d ( o 相当于没有追加支路或追加支路开路情况下的各节点电压，由于此情 况下各节点的注入电流，已知，这个向量可以用原网络阻抗矩阵求出，即 u 1 ( o ) = 【z 】【朋。；d 是向原网络注入电流向量为时求出的，其值为 【7 ( 1 ) ：力【) ( 4 - - 4 ) 一1 = 【0 ，j f ，一j f ，0 ( 4 5 ) 现在的就是说只要求出j ，就可以求出断线后的节点电压。 应用等效发电机原理，如把图4 - - 4 所示电路上的i 、，节点闻的整个系统霜 成是z 。的等效电源，其空载电压就是 庄= d j ”一【7 p ( 4 6 ) 这个电源的等值内阻抗z ，的表示可以令其它节点的注入电流为零，仅在i 、卉 产生的电压差来表示。此时再令注入电流为p ，运用下式求解d “1 【7 ( f ) = z 便可求得从i 、，看进去的输入阻抗z ， z ，= d 一舀 通过图4 4 可知 弘一c 鬻， ，。= 一( j _ _ 上) 厶i o r ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) 面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发 接着就可以方便的求取支路开断后的节点电压向量 数值。 d = 0 。1 + 矽= d 。+ ，。抄” 最后是运用节点电压去求解短路电流 即节点阻抗矩阵经补偿后的 ( 4 1 0 ) j 。= 掣 ( z 拥为支路砌的阻抗) ( 4 一1 1 ) k r n 图4 - - 1 补偿法的原理图 图4 - - 2 原始网络图 u u b i - u 图4 - - 3 补偿电流图 l i _ l 。 0 lu 一口 0 錾 一 一 一 鼢 一 厂i卜一 善 一 | 聋= 一 慝l篷一 匣塑盟塞塑煎垦电网继电保护整定计算软件的开发 图4 4 等效发电机原理图 4 。2 。2 开断多条支路 对于多重支路开断，也可以用类似的处理方法。第二条支路开断时，其补偿 作用必须在第一次开断后的网络基础上进行。设第一次开断的支路是打，第二次 开断支路为j 朋。则在开断支路为k r a ，对阻抗矩阵或节点电压( 注入单位电流) 进行修正时，所用到的阻抗矩阵元素，均是经过第一次修正过后的数值。 从计算量上看，若是在每次断线时，均对整个阻抗矩阵进行修正，二重开断 时的计算量要比单条支路开断时大一倍。但在继电保护整定程序中通常仅需计算 短路点周围的支路的短路电流，故仅需对阻抗矩阵进行局部的修正，此时二重歼 断时的计算量要比单条支路开断时大两到三倍。因而，当开断线路超过两条以上 时，补偿法不再适用了。 4 2 3 补偿法提高计算速度 补偿法的计算量主要集中在开断线路修正阻抗矩阵时，按原始计算公式需进 行大量的浮点数运算，本程序通过以下两条来提高计算速度： 第一，仅修正计算时需要用到阻抗矩阵元素。开断一条线路时，需修i f 的 元素就是进行短路计算所用到的元素。开断两条线路、或是在开断一 条线路的基础上考虑相继动作时，由于必须要在第一次开断后的网络 基础上进行，需修正的阻抗矩阵元素要通过原始计算公式来推知。 第二，引入补偿电流的概念，如式( 4 - - 9 ) 。由于开断某一条线路时，同一 行阻抗矩阵元素的补偿电流相同，又可以减少2 3 左右的浮点数除法。 4 3 面向对象的开发方法在整定计算程序中的应用 面向对象的开发方法贯穿于工程始终，在整定计算中它的运用简化了编程 面向对象的高压电网继f 电 j | 护整定汁算软件的开发 提高了效率。软件用了类的封装、类的继承、多态等特性，模块中的各子功能被 封装在各个类中，以成员函数的形式出现。在整定计算模块中，一个整定公式就 是一个类的成员函数，在线路距离保护i 段中，a ) 按线路全长的8 5 来整定b ) 不伸出下一级变压器其它各侧；c ) 和相邻上一级距离i i 段保护配合；d ) 和相 邻上一级1 1 0 k v 主变过流i 段保护配合；e ) 全线速切1 2 2 , 2 3 。i 段的成员函数主 要有a 、b 、c 、d 、e 和一个定值比较函数，用户需按b 和c 来整定，就可在界面 上选择i 段的b c 原则，程序调用b 和c 的函数和一个定值比较函数：需按b 和d 来整定，就选择i 段的b d 原则。这样，i 段就有( c 5 1 + c s 2 + c s 3 + c 5 4 + c 5 5 ) ：3 1 种组 合，而实际的程序只有6 个。系统组合了几种常用的公式，若有地区有特殊情况， 公式的组合有改变，只需在文本文档中添加进此组合，存盘，在人机界面上就可 反映出来，选择它就可以了。若需用其他公式，则由开发者再编写一个此类的成 员函数，别的不需更改，这就体现出类的封装性和继承性的好处了。在别的类中， 当有改变时，只要它的接口不变，整定公式类就不会受影响。 4 4 程序中数据的处理思想 关于整定计算中的数据处理，主要运用了面向对象的语言中的链表。传统做 法即利用数组或顺序方式来组织数据结构，其优点是存储利用率高，存取速度快。 但是，对于数据元素个数动态增长的情形，由于数组的元素个数不能自由扩充( 除 动态数组外) ，一旦空间用完就不能再肉里加入新的元素，否则就会导致系统停 工。另外，在表中插入新元素或删除无用元素时，为保持其它元素的相对次序刁i 变，平均需移动一半元素，效率很低。对于有n 个长度变化的有序表分配到同 个存储空间的情况，按每个表的最大可能长度分配空间就会造成空问的很大浪 费。为解决这些问题，可以采用链表( l i n k e dl i s t ) 表示。链表就适用于插入或 删除频繁、存储空间需求不定的情况。而且，链表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。由于各电网投或切一定的机组时，各元件 的数目时常变化，电网的将来发展中也需要增加或停运一定的机组，以及各元件 属性之间的相互联系已使成网络状联系如图4 - - 5f l t c a l 的网络模型，因此使 用链表为最佳选择。 面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发 图4 一sf l t c a l 的网络模型 4 5 分支系数及零序电流的有关的科学计算 4 5 1 通过阻抗矩阵( z 阵) 求取短路电流 设短路点为d ，短路前空载，在短路电流计算时，忽略支路的电阻值，则z = j x 故短路点的总电流的标么值为： ，。，：l _ 一 ( 三相短路) 。瓦而 t 棚想刚 。( 。，= 夏忑面历面再1j 而单相接地短路的零序电流) 面向对象的高压电网继电保护整定计算软件的开发 7 “0 1 。i i 面西了云1 乏丽两相接地短路的零序电流 其中，z 。脚脚为正序网故障节点的自阻抗标么值，z 0 硝脚为零序网故障 节点的自阻抗标么值。 4 5 2 求某一支路上的故障电流 在己知短路点总电流的情况下，只要知道待求支路f ，的所谓“分流系数”k 。 即可。在求分支系数时，由于短路点已知，只需求相邻两支路的故障电流之比， 所以只要求两线路的“分流系数”k 。之比即可。 以正序网为例，零序网类似：。：墨丝丝 趔( 4 - 1 0 ) iu = k q 】“ k 。：继型删( 4 1 1 ) z i r a ( i ) jk 。= k h l _ 其中，式( 4 一l o ) 中的z ，硝倒为正序网故障点对i 节点的互阻抗标么值， z i 御0 y 为正序网故障点对j 节点的互阻抗标么值，2 州) 为追加的j 、支路的 正序阻抗标么值。 式( 4 - - 1 1 ) 中的女、孵为待求支路的首末节点。z 。 d 】1 为正序网故障点对 k 节点的互阻抗标么值，z l 【们陋】为正序网故障点对m 节点的互阻抗标么值2 州” 为追加的膏、支路的正序阻抗标么值。 求正序分支系数时常有以下语句： f a u l t _ b r a n z hc u r r e n t = ( ( xl x 2 ) x 3 ) ； t h i s _ b r a n c h _ c u r r e n t = ( ( y l y 2 ) y 3 ) ； c o e