（电力系统及其自动化专业论文）乌海电网继电保护整定计算系统的研究与开发.pdf

华北电力大学i ：程硕十学位论文摘要 摘要 整定计算是保障现代电网安全运行的基础性工作，合理的整定计算对保 护装置的可靠性具有重要作用，保护装置的灵敏性、选择性和速动性要靠整 定计算获得的合理保护定值来保证。本文选择地区电网继电保护整定计算软 件的开发作为主攻方向，论文首先确定整定计算软件的设计思想、功能划分、 系统结构和开发环境；然后研究了基于数据库的图形平台、网络拓扑和运行 方式组合，详细讨论了伴有拓扑结构和阻抗参数变化的复杂电网故障计算方 法；对故障计算中的三个重要概念：母线等值阻抗、分支系数和支路电流最 值进行了详细的分析；以实例形式说明电流电压保护和变压器保护的自动和 手动整定流程：最后设计了整定软件的数据库管理系统。 关键词：继电保护，整定计算，数据库，网络拓扑 a b s t r a c t r e l a ys e t t i n gc o o r d i n a t i o ni st h eb a s i so fs e c u r eo p e r a t i o no fm o d e mp o w e r s y s t e m ，a n di so fg r e a ti m p o r t a n c et ot h er e l i a b l ef u n c t i o no fr e l a y s s e n s i t i v i t y , s e l e c t i v i t ya n ds p e e do ft h ep r o t e c t i o nd e v i c e sc o u l d b eg u a r a n t e e db yt h e a p p r o p r i a t es e t t i n g s i nt h i sp a p e r , c h o o s er e g i o n a lp o w e rg r i dr e l a yc o o r d i n a t i o n s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta st h em a i nd i r e c t i o no fa t t a c k ，t h ef i r s tp a p e rt oi d e n t i f y c o o r d i n a t i o ns o f t w a r ed e s i g n ，f u n c t i o n ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ；a n dt h e ns t u d i e dg r a p h i cd a t a b a s eb a s e do nt h ep l a t f o r m ，a n dt h e n e t w o r kt o p o l o g ym i xo p e r a t i o n ，a c c o m p a n i e db yad e t a i l e dd i s c u s s i o no ft o p o l o g y a n di m p e d a n c ec h a n g e si nt h ep a r a m e t e r so ft h ec o m p l e xc a l c u l a t i o no ff a u l t ；f a u l t o nt h ec a l c u l a t i o no ft h et h r e ei m p o r t a n tc o n c e p t s ：t h ee q u i v a l e n ti m p e d a n c eb u s ， t h eb r a n c ho ft h es l i pc o e f f i c i e n ta n dt h ec u r r e n tv a l u eo fad e t a i l e da n a l y s i s ；t o e x a m p l e sh e l pi nt h ef o r mo fc u r r e n ta n dv o l t a g et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o na n dt h e p r o t e c t i o no ft h ea u t o m a t i ca n dm a n u a lt u n i n gp r o c e s s ；t h ef i n a ld e s i g no ft h ee n t i r e s e to fs o f t w a r ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m p e im i n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y a n gs h u y i n g k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，r e l a ys e t t i n g ，d a t a b a s e ，n e t w o r kt o p o l o g y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文乌海电网继电保护整定计算系 统的研究与开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师杨淑英指导 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：垫丛 日 期： y i 以、，- o 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：速丛导师签名： 日 期：兰! 星：! 兰：，歹 华j 匕电力大学1 i ：程硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章 引言 继电保护系统是电力系统中必不可少的重要子系统，它承担着断开故障元件和 保证电力系统安全稳定运行的任务。电力系统在运行中可能发生各种故障或出现不 正常运行状态，这些故障轻则使设备损坏，重则破坏系统并列运行的稳定性，使整 个系统瓦解i l 】，因此要求继电保护装置能够快速准确地将故障元件切除并隔离。近 几年的大停电事故表明，大型系统事故都与继电保护装置的不正确动作有直接或者 间接的关系【2 j 【3 1 。 从电网安全运行的角度出发，电网对继电保护装置动作提出了严格的要求，要 求动作于跳闸的继电保护装置必须满足可靠性、灵敏性、选择性和速动性。这些要 求相辅楣成、相互制约，需要针对不同的电网方式和保护配置，进行协调处理。 在复杂网络情况下，由于运行方式的多变，实现动作四性颇不容易。保护装置 的正确动作既为运行方式所左右，又受配置的继电保护系统的制约。保护装置的选 择性、灵敏性和可靠性要靠整定计算获得的合理保护定值来保证。因此，做好继电 保护整定计算工作对于满足电网对继电保护装置提出的“四性”要求，充分发挥继 电保护装置的功能和保证电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义【4j ， 继电保护整定计算是一项十分复杂的工作，涉及到电网方方面面的因素1 5j ，如保 护装置的设计、配置和定值之间的配合、电弼结构及运行方式等，电网的运行和接 线方式对整定计算的影响最大。电力系统运行方式随电网扩建、负荷变化、设备检 修及随机故障等因素不断变化，而对常规保护柬蜕。保护定值在运行方式变化过程 中一般保持不变。为使相对稳定的保护定值适应变化的运行方式，必须对各种可能 的运行方式和故障情况进行反复周密的计算【6 j 。因此，精确的整定计算面临巨大计 算量和计算时间的挑战：地区电网一般存在着众多的复杂不规则接线方式，如多重 互感线路、多重t 接线路或t 接变压器等，这些特殊接线增加了网络拓扑识别和整 定配合的难度啾8 l 。函此，整定计算工作需要按照不同的电网接线与保护配置，在 努力满足选择性、灵敏性和可靠性的整定计算中做出必要的权衡，这都使继电保护 整定计算工作成为一项艰巨而复杂的任务。 随着电网基础设施的飞速发展，系统的容量和规模不断扩大，运行方式与接线 形式日益复杂，电网朝着向网络化、数字化、实时化、信息化方向快速发展。现代 电力系统对继电保护整定计算工作在整定结果准确性、计算效率、系统自动化程度 等方面提出了更高的要求。 在这样的时代背景下，在计算机软硬件技术特别是w i n d o w s 技术发展的推动 华北电力大学。1 ：程硕士学位论文 下，充分利用现有计算机的计算能力，实现继电保护整定计算的自动化，为整定计 算人员提供更强大的计算能力和更便捷的数据管理手段，进一步提高整定计算的精 度和效率，从根本上把整定计算人员从繁杂重复的计算中解放出来【9 j 【1 0 1 。 1 2 地区电网整定工作现状 地区电网电压等级多样化，一般同时具有2 2 0 k v 和1lo k v 及以下电压等级。两 种电网在运行方式、网络结构、整定原则、保护配置与配合上存在以下特点： 1 在运行方式上，同时存在环网运行和开环运行，这对求取极端运行方式带来 极大挑战。地区电网2 2 0 k v 的网络规模较小，以环网运行；1 0 k v 及以下网络为辐 射状开环运行网络，需要考虑局部小电源。 2 地区电网存在较多的不规则接线，如多重t 接线路变压器、多重互感线路、 开闭环等，给拓扑识别、保护配合增添了极大的难度，尤其是零序分支系数和零序 支路电流最值的计算。 3 地区电网结构不同，整定原则灵活丰富，整定人员所选用的整定原则多样化， 不仅使地区电网的整定计算更加复杂，也让整定工作具有更大的灵活性，这种复杂 性和灵活性成为限制地区电网整定计算自动化水平提高的重要因素。 4 地区电网线路保护配置多样化。一般有阶段式电流保护、各种电流电压保护、 零序电流保护，接地与相间距离保护，它们之间要相互配合，雨高压电网的保护配 置相对统一、固定。 5 需要考虑定值限制条件。低压电网要服从主电网的稳定要求，可能有较多的 定值限制条件，相应的可能会出现较多的失配情况。 目前乌海市电力局仍利用故障计算程序加人工整定的方式进行整定计算。这种 方式与手工整定相比虽然可以处理更为复杂的问题，使整定计算的速度和精度都有 了质的提高，但仍然需要整定人员手动调整计算内容、查找计算结果、确定保护的 最终定值。整定计算量大，计算时，f 白】长，并且无法对复杂的情况进行精确处理的弊 病仍然存在。例如，不能对电网的各种运行方式和故障情况进行全面考虑，只能选 取一到两种有代表性的运行方式进行整定计算，不进行运行方式组合，即不能考虑 所有可能的运行方式；对复杂的计算，往往要做若干简化或根本不予以考虑( 如双 重故障的计算、非全相运行和非全相振荡的计算等) ；在保护的相互配合上，只能 作粗糙的处理。所有这些都不仅使保护定值的计算精度受到限制，而且很难保证定 值的最优，无法适应电网运行方式的变化。 伴随着国家城网改造计划的实施及地区电网自动化水平的提高，地级电网规模 不断扩大，系统容量不断提高，接线方式同益复杂，各种新原理的微机保护装置也 不断投入运行，这就使地区电网当前的整定计算工作方式显锝难以适应。微机保护 华北电力人警l ：程硕+ 学位论文 装置的应用的确简化了保护装置的安装调试和维护工作，但并没有降低整定计算人 员的工作量，相反还增加了整定计算人员的工作量。 统观国内外保护整定技术的发展，有关继电保护整定计算自动化的研究j 下在逐 步深化，并取得了一定的成果。近两年，国内的上海交大、北京中恒、山东积成、 浙大通策在整定计算软件研制方面l 做了大量的工作，并研制出了面向省级电网和 地区电网或发电厂专用的整定计算软件，但其开发的软件和所做的研究还有诸多问 题或解决方案不甚合理 4 2 j t 3 1 ，如下述所列： 1 部分地区电网环网设计、开环运行，在整定计算极端方式求取时，无法采用 超高压环网整定中适用的环网轮检方法，无效运行方式过多，计算结果冗余大。 2 由于各地区电网结构和保护装置的类型千差万别，导致地区电网继电保护原 则选取灵活多样。对地区电网整定原则的优化的文章还比较少，整定人员经常靠经 验取舍整定原则，软件中一般列举所有的整定原则由用户选择。这使原则纷繁复杂， 整定原则难以优化，整定容易出现失配等情况。 3 整定程序对地区电网中诸如限制值求解、不同类型保护整定配合等特殊问题 欠考虑，降低了程序的实用性。 本文选择地区电网继电保护整定计算软件的开发作为研究方向，对地区电网整 定中的若干关键技术问题进行探讨，构建适应于地级电网的继电保护整定计算系统， 在统一的数据库平台上实现整定计算的全过程自动化与强大用户干预能力的有机 结合。 1 3 地区电网整定软件研制中面临问题 在开发整定软件过程中面临的问题如下： 1 故障参数的准备。文献【1 4 】认为在整定计算前由故障计算模块所有的故障参 数准备是合适的；文献【1 5 】认为整定计算是线性流程，需要一个故障参数就计算一 个。两者各有利弊：前者不仅需要在整定前确定需要哪些故障参数，更要对故障参 数的计算条件有清楚的认识( 运行方式、故障位置、故障类型、计算设备、计算类 型等) 。本文通过对地区电网保护装置、保护功能和整定原则的详细分析和归纳， 在整定计算前计算全部故障参数，存入数据库中，供整定模块调用，用户也可以根 据整定需要进行灵活地局部计算。 2 运行方式的确定，文献【16 】指出整定计算中的所有运行方式由程序自动考虑 完成：文献【l7 】分析了整定计算中运行方式的组合问题，运用阻抗矩阵法改进了传 统运行方式的选择。传统运行方式的选择只考虑整定保护所在母线和对侧母线上直 接连接的电源和线路的运行方式变化，改进的方式能考虑系统中大电厂和环路上运 行方式选择的特殊性问题，能更有效的保证定值的正确性和合理性。整定计算软件 华北电力大学工程硕七学位论文 要满足通用性( 1 8 】，允许用户根据电网的特点自行确定运行方式的变化范围。文献 1 9 】 提出了一种基于耦合度的选择方法，它是利用元件与被保护设备之间的耦合度大小 决定该元件对故障电流的影响，该方法可以有效缩小运行方式的选择范围。比较而 言，由计算机自动考虑运行方式，若采用传统方法将过于简单，得到的运行方式不 全面，定值将不可靠；若考虑全网所有可能运行方式的组合又过于复杂，不仅运行 方式数量巨大，而且有些方式并不合理；采用耦合度或其它新的方式选择方式，编 程难度极大。本文直接将运行方式归纳为厂站方式、电网运行方式和检修方式的组 合，并允许用户对特殊情况进行设置和调整f 2 们。 3 整定计算的执行模式。文献【2 l 】提出了整定计算的全自动化实现方案，文献 【2 2 认为自动整定在实际整定中并不实用，不少文献提出了手动整定与自动整定互 相辅助的模式，允许用户根据电网的特点选择相应的模式【2 3 j 【2 4 1 。本文以手工整定为 基础，自动整定为辅进行整定计算。 4 软件的实现技术。很多文献【2 3 】( 2 4 j 提出运用专家系统来实现整定计算软件， 并认为专家系统是解决计算机实现整定计算的合适途径。也有文献 2 5 】指出专家系 统并没能很好地解决整定计算问题，离实用还有一段距离。更多的文献不强调是否 采用专家系统，认为能实现软件的通用性和实用性才是整定计算的关键。 5 软件的应用范围。现有的整定计算软件都有特定的应用范围，如某些软件是 针对地区供电网的，或只能适用于1 1 0 k v 电网，或针对2 2 0 k v 及以上的高压电网。 此外不少整定软件只针对某一类保护原则开发，如有专门针对零序电流保护的整定 软件，针对距离保护的整定软件。更多的整定软件是面向各种原理保护的整定计算。 本文主要以电流电压保护功能和距离保护功能，未考虑零序保护功能，但是计算模 块中考虑零序电流和零序分支系数。 6 软件的功能。本文的目标是开发整定计算一体化的系统，包括电网图形建模、 设备参数和保护配置的录入与管理、故障计算、整定计算、定值通知单的生成与管 理等功能。以及定值校验功能。 1 4 本文主要工作 本文选择电力图形数据库和地区电网继电保护整定计算软件的丌发作为主攻 方向，研究工作包括以下方面：图形数据平台，网络拓扑，变结构复杂网络的故障 计算，母线等值阻抗，分支系数和支路电流最值，保护功能，整定原则，定值单生 成，综合数据管理，并提出地区电网继电保护整定计算系统的实现方案。论文的主 要工作如下： 1 分析地区电网继电保护整定计算系统的设计思想、功能划分，框架结构。系 统要能够实现从图形建模、保护配置、故障计算、整定计算到定值单生成的整定全 华北电力人学1 i ：狴硕士学位论文 过程的自动化，满足整定人员对软件的适应性和灵活性要求，将整定计算人员从繁 杂的重复计算工作中解放出来。 2 对图形数据库、网络拓扑和复杂电力网络故障的求解以及保护功能、保护装 置和保护定值做详细的定义、分析和研究并针对具体的问题提出简便可行的解决 方案。 3 研究母线等值阻抗、背侧母线等值阻抗、对侧母线等值阻抗、分支系数和电 流最值的计算方法，以及计算它们的流程。它们完成了整定计算所需要的全部故障 数据。 4 ，研究整定计算的手动和自动整定流程，保护功能的设雹与整定。 5 探讨数据库技术在整定软件中的应用，整定计算软件的数据库内容，并构建 完整的继电保护整定软件的数据库视图。 华北电力人学t 程硕士学位论文 第二章地区电网继电保护整定系统的总体设计 整定计算软件作为电力系统的高级应用软件，是现代计算机软件技术、电力系统专 业知识和电网实际运行与整定经验三者相结合的产物。三者当中，电力系统专业知识是 基础，电网实际运行和整定经验是保障，而现代计算机软件技术是手段，三者缺一不可， 只有在这三个方葱都有雄厚的技术积累，才能开发出实用的保护整定计算软件。 2 1 整定计算软件设计思想 整定计算软件以图形数据库为基础，将图形建模、故障分析、整定计算、定值校正、 系统管理( 定值单管理、权限管理、计算书管理、保护设备管理等) 等模块有机集成， 实现继电保护部门的计算和管理的自动化工作。将众多功能集中在一起是个复杂的系统 工程，必须确定软件设计思想，它对软件的开发成败和生命力起着至关重要的作用【2 7 】。 整定软件的基本设计思想是：通用性、实用性和交互性，以及具有良好可扩展性。 一、通用性好 整定软件要能适用于不同电压等级的电网。不同电压等级的电网在电网结构、运行 方式、保护配置等方面有较大不同，各电压等级电网所对应的继电保护部门在工作内容、 方式上也有较大的区别。为保障通用性，整定软件采用插件式的软件结构，通过功能插 件的版本选择来满足不同用户的需求，而同类用户的不同需求则通过软件个性化的配置 来实现。 二、实用性好 软件能完成的任务越多，其实用性就越好。对地区电网继电保护部门的各项计算与 管理工作进行详细的需求分析是实用性的前提。与已丌发的整定软件相比，在实用性方 面有以下增强： 1 进行各种形式的母线等值阻抗计算。地级继电保护部门每年都要向县区级继电 保护部门下发母线等值阻抗参数，该项工作是必须和重要的。母线等值阻抗计算从电力 专业知识来说不是难事，已开发的其它整定软件一般有这项功能，但没把它当作一项重 要任务柬完成，比如只能由用户设置一种运行方式计算某个等值阻抗，但用户需要的是 全网络各母线的最大和最小等值阻抗，能以报表形式直接下发的计算结果。 2 ，进行各类保护的整定计算，并提供详细的整定计算书。整定计算是个智能工作， 自动整定计算结果的正确性常遭用户置疑。因此本软件根据整定计算各项工作的特点决 定自动化程度，如运行方式的确定和计算条件的调整出用户参与和确认，故障计算则自 动进行，整定结果也由用户选取，这样不仅可以提高用户对计算结果的可信度，还使软 件提供的整定方案简洁清晰。整定计算的全部过程将写入计算书，备查询调用。 3 完整的保护定值单的生成和管理功能。本软件提供定值单模板定制功能，同时提 6 华北电力大学警硕士学位论文 供辅助定值定义和应用的功能，可把涉及保护逻辑、功能等的定值定义为辅助定值进行 保存，在生成具体定值单时直接导入。 三、交互性好 软件完成某项任务越容易，其可用性就越好。手动整定计算的交互设计在一定程度 上能增强软件的实用性，更能保障软件的可用性，主要表现在以下几点： 1 提高软件智能。整定软件不是人工手算和管理过程的简单复制，而是对整定过程 进行分析、抽象和重新设计，突出软件智能化的特点，尤其是手动整定和定值校正功能。 如手动整定，尽管用户可以参与，但不应把所有要思考的问题都推给用户，而应根据具 体情况合理缩小用户参与的工作量。甚至在简单的情况下可以不需要用户参与。软件的 智能程度还包括对用户平时工作时要考虑的些问题，能自动地提供问题解决范围，帮 助用户思考和决策。 2 加强软件个性。整定计算与整定人员的经验息息相关，个性化则是可用性必然的 要求。主要包括两方面，一是整定计算中必须解决用户个性整定经验的应用问题；另一 是定值单模板必须实现用户能自定义定值单格式，即最广泛地满足用户高层次的个性化 要求。 3 易学易用。尽量简化软件功能的使用，即用户能在简单的软件操作中学会和掌握 各项计算和管理工作，并保证结果正确，过程流畅；相反，如果每使用一个功能，用户 需进行大量的事先设置或确认，或需在大量界面间来回切换，难以学习亦难以使用。 四、良好的可扩展性。 良好的可扩展性不仅要求软件架构合理，还要求软件在开发过程中进行严格的管 理，使得软件完成时不仅仅只有软件代码，还应有详细的开发文档和数据。这些文档和 数据是软件具有可扩展性的保障，是软件维护的依据。本软件高度重视文档的制作，把 它作为设计思想之一【2 引， 2 2 整定计算软件功能划分 在整定软件设计思想的指引下，吸取国内整定计算软件的精华之处，将定值整 定计算软件划分图形建模、故障分析、整定计算、保护仿真、数据管理血大模块。 五大模块以数据库为数据存储平台，协同完成继电保护的计算和管理自动化工作。 1 数据图形平台 数据图形平台是整定软件的基础，是整定软件人机交互的载体。它实现各种图 形的浏览、切换、打印等功能，并提供多种浏览工具。在有用性方面有如下特点： 1 ) 图形类型丰富。能由一次主接线图自动转换成各种整定计算中需要用的图， 如正序零序网图、保护原理图、定值图和配置图等。 2 ) 多种浏览工具。包括图形区域无级缩放，鹰眼浏览，设备定位，设备查找 华j 匕电力入学【：程硕+ 学侮论文 等。图形背景和各电压等级设备的颜色设置，以及显示或隐藏与系统运行方式不相 关的设备图形功能。 3 ) 设备图元模型。参考i e c 6 1 9 7 0 中的c i m 模型定义的有关内容，并结合整 定软件的实际情况而设计设备图元的电气属性和几何属性。 2 图形建模 图形建模提供绘制系统一次接线图的元件工具箱，支持系统图的绘制和设备参 数的录入与维护，并对连接没有错误的图形生成计算拓扑，为故障分析奠定基础。 交互性好突出体现在以下几点： 1 ) 图形编辑软件通用功能。移动、剪切、复制、粘贴、多级撤销、对齐、旋 转、镜像，自动连接，无闪烁绘图，各项图形操作与w i n d o w s 保持一致。 2 ) 多种形式的电网设备参数输入功能和方便的保护配置功能。 3 ) 自动进行完整性和有效性检查。设备图元连接时可对孤立元件、设备不完 整定义和定义矛盾等情况进行自动检查并给予提示和定位，对连接没有错误的图形 生成原始图上拓扑。 3 故障计算 故障分析模块是软件的核心模块之一，要求计算功能齐全、计算效率高，结果 显示友好。经过对整定原则的详细分析与归纳，故障计算主要完成母线等值阻抗、 背侧母线等值阻抗和分支系数最值、支路电流最值功能，求取自定义分支系数和特 殊方式下的支路电流最值。 4 整定计算 整定计算模块实现线路、变压器、电容器、电动机等电网设备的电流电压保护 功能和距离保护整定功能，并提供详细的整定计算书。整定模块具有如下特点： 1 ) 优化的整定流程。整定流程兼顾自动整定和手动整定，以手动整定为主。 计算书详细实时记录整定过程。 2 ) 整定原则分类细化。从内容上，除包含国家颁匆的整定导则【2 9 】【3 0 j 外。还包 含一些实用化的原则，如定值反配、限额等。 3 ) 整定过程分为原理级整定和装置级整定，解决保护定值的复用和重复计算 问题。 5 定值仿真 定值仿真模块实现电网故障和保护动作仿真功能。用户设置电网运行方式、故 障点及故障类型、拒动开关、仿真时间后，软件自动进行故障计算和逻辑判断。仿 真结果以可打印的仿真报告给出，断路器动作情况也在一次系统图上动态显示。 6 数据管理 整定软件的一个成果表现形式就是完整的继电保护和定值管理数据库。系统管 理包括系统设置、权限管理、工程管理和数据库管理等。工程管理足以工程为单位 r 华北电力大学l ：程硕士学位论文 来组织系统数据的。整定工作需要统一考虑的一片区域就可以作为一个工程来定 义，不同工程的数据相互独立而互不影响的。数据库管理是对整个软件的数据进行 管理，包括定值管理、运行方式管理、保护装置管理等等。 图2 1 基于对象模型的电力系统分析软件的总体结构 依据前面的保护整定功能划分，建立了如图2 1 所示的电力系统分析软件的总 体结构示意图。 一切分析都围绕“电网”进行。应用程序的不同分析功能由不同的分析对象来 完成，如潮流计算对象、故障分析对象、保护整定计算对象等。“电网”对象为各 种分析对象提供应用编程接口( a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 。分析对象 通过这些接口可获得分析所需的电网各种信息。分析对象依据这些信息完成相应的 分析功能，分析结果可以直接输出，亦可再通过a p i 返回给电网。电网对象及各种 分析模块信息和数据集中于s q ls e r v e r 数据库，该数据库包括图元参数库，整定规 则库，整定结果库保护信息库，用户信息库等。 2 3 整定计算软件架构设计 地区级保护部分普遍面临下列问题：利用故障计算程序加人工整定的方式进行 保护整定，电网整定计算结果普遍过于简单，整定人员工作量大，容易出现人为误 整定；日常运行的定值卡、定值通知单、定值更改通知单等文档的生成和管理工作 采用手工方式，存在管理工作繁杂、重复工作量大和容易出错等问题。显然，必须 充分利用计算机的数值计算与文档管理功能，提高继电保护整定计算与定值管理工 作的自动化程度。整定计算软件如果与定值管理软件独立运行的话，也将严重影响 定值数据的一致性，限制继电保护人员的工作效率。因此，研究和丌发基于网络的 9 华北电力大学r 稗硕十学位论文 继电保护整定计算和定值管理自动化系统，实现电网运行方式、继电保护整定计算 与定值管理工作的集成运行。 当前主流的数据库应用系统一般采用客户机服务器c s 架构和浏览器朋艮务器 b s 架构。基于c s 结构与b s 结构的数据库应用程序各有优势，适用于不同的应 用环境。整定计算中所需的分支等效阻抗、短路电流最值、分支系数的计算量在电 网规模变大时是巨大的，需要的计算时间也很漫长，计算所得到的附加数据亦很庞 大t 。大量的数据需要管理，比如线路参数、设备参数、故障计算数据、整定原则及 其保护定值等。因此，整定计算软件应采用c s 与b s 相结合的架构系统的网络拓 扑结构如图2 2 所示。 选 列 ， 站 测 拖 晡 搬l 聂弼r ：溯楚稍 图2 2整定软件的网络拓扑结构 c s 结构部分主要负责整定计算，而b s 结构部分主要负责需要计算量小、数 据浏览量大的定值管理和保护设备管理部分，并将组件技术应用在服务器端和客户 端，开发高效、安全的应用系统。由网络用户的分布情况以及c s 结构与b s 结构 的特点和整定软件的任务划分，本文将软件系统分为两大功能子系统：面向继电保 护整定人员使用的整定计算系统( 包括部分定值管理功能) ，其特点是安全性高， 交互性强，使用范围小，地点固定，同时计算和处理的数据量大，应采用c s 网络 结构以保证以上要求。面向相关部门和下级厂站的定值管理系统，其特点是安全性 低，使用范围广，交互数据少，地点灵活，客户端维护困难，应采用b s 网络结构 以保证以上要求。 继电保护整定计算系统的整定计算系统基于c s 结构，完成整定计算相关的数 据管理与定值计算工作，实现整体工作流程的智能化和全面自动化，降低保护人员 的劳动强度。本文的重点也是整定计算系统的研究，整定软件的内部功能模块组织 如图2 3 所示。 1 0 图2 - 3 整定计算系统各模块组成 2 4 整定计算软件开发环境 对整定计算的需求分析和功能划分可知，整定计算软件需要有统一的w i n d o w s 风格界面、高效地计算效率、可靠的数据库管理以及一定的网络功能。 数据库是整定软件的核心，是软件中数据存储的实体，也是整个系统信息资源 平台。继电保护整定计算数据库是一个中型的数据库系统，无需采用s y b a s e 、o r a c l e 等的大型数据库，同时a c c e s s 等小型桌面数据库也不能满足要求；程序是在w i n d o w s 平台下开发，也不需要m ys q l 等用于u n i x l i n u x 的数据库系统。因此，在数据库 的设计和实现上，采用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为数据库管理系统。 m i c r o s o f t 的s q ls e r v e r2 0 0 0 是一个优秀的关系型数据库管理系统r d b m s ，它 作为w i n d o w s 的底层服务程序运行，提供了用于建立用户连接、提供数据安全性和 查询请求服务的全部功能。它也是是一个真正的采用c s 架构的关系式数据库， 这种架构有利于管理大量不同的计算机，计算机之间通过网络完成数据交互，客户 端为用户提供操作界面，形成用户请求，服务器则处理该请求，并把处理结果返回 给客户端，并按照一定格式显示出来。 a d o ( a c t i v e xd a t a0 b j e c t ，a c t i v e 数据对象) 是m i c r o s o f t 提供的一种面向对 象，与语言无关的数据访问应用编程接1 2 1 。据大部分资料介绍，它有如下主要特点： 1 易于使用。a d o 提供了开放式的、应用程序级的数据访问对象模型，能够 使程序员使用任何语言编写使用o l ed b 数据的数据库应用程序。 2 可以访问多种数据源。a d o 也可以使用任何一种o d b c 数据源，不仅可用 于s q ls e r v e r 、o r a c l e 、a c c e s s 等数据库应用程序，也连接e x c e l 表格、文本文件、 图形文件和无格式的数据文件 3 访问速度快，效率高。 一1 0 j 一 一 一 一 一 一 u 互 一 一 一 一 一 一西 华北电力入学工程硕七学位论文 4 方便w 曲应用。 5 技术编程接口丰富。 6 低内存支出和占用磁盘空间较少。 通过a d o ，程序能够处理比以往更多类型的数据，在编写复杂的c s 程序时节 省大量的时间。由于使用a d o 作为数据库接口，大大增强图形平台的丌放性和可 移植性，使它能适应各种数据库平台，方便地与其它应用程序集成。 v i s u a lc + + 6 0 是w i n d o w s 应用程序最强大的开发工具，其与底层操作系统和 网络通讯、数据库连接操作功能的能力，以及各种算法实现的高效率，都是其它开 发工具无法比拟的，但是软件开发难度也相应加大，需要专业的计算机知识作为后 盾。 2 5 本章总结 本章整定计算软件的设计思想为通用性、实用性、可用性和扩展性，详细分析 了软件所需要实现的功能，将整定子系统划分为图形建模、故障计算、整定计算、 保护仿真、数据管理五大模块，简明扼要地涵盖继电保护部分的主要计算与相关管 理工作，具有良好的实用性和可操作性。 继电保护整定计算系统的整定计算系统基于c s 结构，完成整定计算相关的数 据管理与定值计算工作，实现整体工作流程的智能化和全面自动化，降低保护人员 的劳动强度。 依据整定软件所实现的功能，采用v c + + 6 0 作为软件开发平台，选择s q l s e r v e r 2 0 0 0 为数据库和a d o 为数据库访问技术。 华北屯力大学j r 程硕士学位论文 第三章继电保护整定中的关键问题 3 1 图形数据平台的开发 整定软件图形平台的定位是用来记录电力系统网络拓扑结构，显示分层次、多样式 的拓扑图形，并且接受用户需要显示各类信息，所以平台本身的数据库不是实时的，也 不是面向查询的( 当然也可以满足各种查询要求) ，而是用来保存持久性的网络图形信 息，以满足对图形平台分层管理和多图显示的需求，并且能够通过记录的数据重构网络 的所有图形对象。继电保护的图形系统是一个强交互的电力图形系统。为此，首先是设 备图元的电气属性设计和图形属性设计。 3 1 1 图形系统的设备图元 交互式图形系统的电力参数可分为两类：图形数据和电气数据，电气数据又包括网 络参数、设备参数和运行参数。这些参数的数据量大，代表的信息种类繁多，要使用户 能够方便地对这些参数进行访问，需要在宏观上进行优良的统筹规划与组织管理。模型 是客观物体的抽象，是用户与系统后台数据库的接口，是用户眼中的数据形式，用户在 交互式的图形系统中施加于图形元素的操作，实际就是针对图形元素数据模型的操作。 从交互式的图形系统方面考虑，要把各种电气设备一体现到图形系统中，结合上 述三类参数，可以进一步合并为两种类型的数据：图形参数和电气参数。首先，每一种 电气设备必须得包含描述自身在图形系统中的形状、位置、设备间的耀互连接关系等信 息，这一类数据称为图形参数，其对应的数学模型叫做图形模型：其次，图形系统里的 图形元素是对电力系统中的各种电气设备的概念性抽象，因此它们还具有电气设备的自 然属性和电气属性，这一类数据统称为电气参数，其数学模型是电气模型。 3 1 2 设备图元的图形模型 电力系统只常运行工作涉及到的电气设备种类繁多，图形数目更是惊人，从而导致 映射到图形系统中的图元对象种类和数目众多，而每种图元的属性和服务都有较大差 别，要对它们建立统一的数据模型柬进行管理和组织是非常困难的。但是，如果暂时不 考虑图元的电气信息，只着眼于设备图元的图形特征，把图元的电气参数和图形参数分 开组织，则可以用统一的数据模型柬描述所有的图元。 因此，在满足图形系统结构一致性要求的前提下和继电保护整定对设备图元的要 求。本文对所有的设备图元建立这样一个统一的图形模型。 1 设备i d ：由系统按照统一的编号规则自动生成，与图元类型唯一标志一个设备； 2 图元类型；图元所代表的设备类型，如发电机、变压器、线路、外部系统、保护 华北电力火学_ i ：程硕士学位论文 功能、保护装置和文本标签等。由设备i d 和图元类型可以唯一确定一个设备。 3 设备中心点：图元的中心坐标。当选择绘图模式时，系统在鼠标按下位置处调用 设备图元创建命令，由命令管理器创建该图元。 4 设备边界矩形：图元的边界矩形，系统用于更新、无效、更新绘图操作，避免局 部闪烁，它在设备图元外形发生变化时自动改变。 5 图元缩放因子：设备图元的无极缩放对保护整定的图元来讲，并不实用，通过缩 放因子确定具体图元的具体大小。 6 图元方向：指示图元的水平或竖直方向，以及其它方向。对于除拖拉性质外的图 元( 如变压器、发电机、并联电容器等等) ，由设备中心坐标、图元方向和图元缩放因 子( 边界矩形有上面自然确定) 就给够准确描述图元的具体位置。 7 图元带电状态：图元的显示状态因设备是否带电而有所不同，故必须设备带电标 志，也属于电气属性相关内容。 8 图元图形状态：依据当前图元的运行状态设备，一般可分为j 下常、选择、剪切、 删除等状态。程序依据这些状态，进行相应地显示。 这种设备图元的图形模型结构简单，易于实现，扩展方便，后续的软件开发证明了 该图形模型的有效性。 图元颜色直接与电压等级相联系( 设备图元颜色由国家标准规定) ，因为变压器有2 个或3 个电压等级，所以设备的电压等级属性由设备图元的派生类j 井j 有。设备的电气模 型直接与具体设备紧密联系，故放在派生类中实现。， 3 1 3 命令模式实现图元对象存储 本文利用c + + 语言的模板、继承、授权、多态等面向对象特性，借鉴命令模式，实 现了图元对象在关系数据中的存储，降低应用系统与数据库之间的耦合，提高丌发效率。 目前对象数据库技术发展还不成熟，技术最成熟、使用最广泛的数据库管理系统是 关系型数据库【2 0 1 。要把图形系统中涉及到的大量对象存储到数据库中，面临着一个从面 向对象模型到关系库的映射转换问题1 2 。映射主要由下列四种： 1 实体类( 电力设备和保护装置、保护功能等对象类) 的映射 实体类是图元综合模型的主要组成部分，要在数据库中反映各实体类，最直接的做 法就是建立实体类与数据表的对应关系。对于每一个实体类，都在数据库中建立一张表 与之对应，类的固有属性对应表中的域，而实体类通过继承得到的属性应该包括在其对 应父类的数据表中。这样一来，图元的综合模型中包含多少类，在数据库中就有相应数 量的表。虽然数据库中会增加很多额外的表，但与面向对象的概念一致了，易于对数据 库进行修改和维护。 2 继承关系的映射 继承关系表达了一般和特殊的结构关系，图元的综合模型晕包含有很多这样的结 1 4 华北电力火学f ：程硕士学位论文 构。在关系数据库中表达继承关系，可在子类所对应的表中添加一个字段来指向父类的 名称。 3 简单关联的映射 简单关联是实体类之间的一种概念上的静态联系，包括三种类型：一对一、一对多 和多对多。把一对一的简单关联映射到关系数据库，只需在两张表中建立内键一外键关 联即可，主键列可以设置在两个类对应的任何一个表中，同时在另一个表中添加外键列： 对于一对多的关系，需要把主键列添加在“一”所对应类的表中，外键放在“多 的一 方：而多对多的关联，则需要建立专门的关联关系表加以描述，这样才能更清晰地反映 对象之间的关系。 4 聚集关系的映射 聚集描述了实体类之间的一种整体一部分结构，它是一种特殊的关联。聚集关系有 两种实现方式。第一种方式是用“部分类作为一种广义的数据类型来定义“整体”类 的一个属性，构成一个嵌套类；第二种方式是独立地定义和创建“整体”类和“部分 类，并在“整体”“部分类的关键标识。而在关系型数据库里，一种映射来表达：在 “整体 类对应的表旱添加新的“部分”类对象的关键字作为新的域。 在设计实际图形系统的数据库过程中，出于我们关心的是电力系统中的各种实际电 力设备，因此对于图形系统中由于各种需要而建立的抽象类就不是主要研究对象了。如 果完全按照面向对象模型到关系模型的映射方式构造数据表，则会使电力设备的同一类 型的数据分散开来，不利于用户进行访问。因此，在实际应用的过程中，需要将交互式 图形系统中的各种类以电力系统运行现场中的实际电力设备为中心进行合并，在数据库 中得到的映射是经过“合并”以后的对象模型。当需要读取数据时，再由图形系统分别 把它们装载到相应的对象实例中。 对象存储由三个核心类来协同完成，分别为c d e v i c e s e t ( 实体集) 、c d e v i c e ( 实体 对象) 和c s t o r a g e ( 存储管理) 。c d e v i c e 类是所有实体对象的抽象基类。c s t o r a g e 类调 用数据访问模块( a d o ) ，管理与数据库连接，并向应用系统提供对象存储服务。 c d e v i c e s e t 类是参数模板类，它根据查询条件和对象类型，调用a d o 访问数据库并生 成需要的实体对缘集合，并向应用系统提供对象集合访问服务。 命令抽象类说明所有具体命令( c o n c r e t e c o m m a n d ) 支持的接口，具体命令 ( c o n c r e t e c o m m a n d ) 封装了接收者( r e c e i v e r ) 使用的服务。客户创建具体命令 ( c o n c r e t e c o m m a n d ) ，并将这些具体命令( c o n c r e t e c o m m a n d ) 绑定在指定的接收者 ( r e c e i v e r ) 上，调用者( i n v o k e r ) 实际执行一条命令或取消一条命令的执行。 命令对象和命令算法被分离； 调用者( i n v o k e r ) 从指定的命令中分离出来并得到保护； 具体命令( c o n c r e t e c o m m a n d ) 是对象，它们可以进行创建和存储： 在无须修改代码的前提下，新的具体命令( c o n c r e t e c o m m a n d ) 可以被增加进来。 i5 华北电力人学r 徉硕十学位论文 3 1 4 图形小结 可视化的图形程序设计给用户提供了友好的人机接口及图形界面和功能强大的图 形处理模块。用户只需针对图形化界面执行像点击鼠标这样简单的操作即可执行软件的 所有功能。由于网络结构及参数输入均可以在图形中以对话框方式输入，且对话框对用 户输入的数据有检错功能，因而大大减少了数据录入时的出错率，提高了计算的下确性。 图形数据接口将图中每一个图元与数据库元件参数表中的每条纪录一对应起来，这 样在结合数据库操作，实现了真正的图形化操作，使用户使用更加容易。同时，整定计 算完毕，可以自动完成定值图的绘制，极大提高了整定人员的工作效率。 3 2 面向对象的网络拓扑模型 面向对象的网络拓扑分析是状态分析、最优潮流、故障计算、无功优化、稳态分析 等所有高级