談電力系統(tǒng)繼電保護信息管理的圖形化平臺

電力系統(tǒng)繼電保護信息管理的圖形化平臺摘 要：探討了繼電保護信息管理系統(tǒng)圖形化平臺的實現(xiàn)，分析了繼電保護圖形平臺的一、二次圖紙、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓撲辨識等核心問題。根據(jù)對繼電保護圖形平臺的特點分析提出了基于繼電保護圖元的設計方法以及圖形與數(shù)據(jù)的智能關(guān)聯(lián)思想，并依此對繼電保護圖紙進行模塊分解、定義和存儲。根據(jù)實際系統(tǒng)的功能需求分析，將繼電保護圖紙分解為互相關(guān)聯(lián)的模塊序列。據(jù)此設計圖形化平臺可以實現(xiàn)圖文技術(shù)資料綜合管理、繼電保護動作圖紙仿真和其它相關(guān)的附加功能。開發(fā)的廣東沙角發(fā)電廠C廠和廣州變電管理所繼電保護信息管理系統(tǒng)在實際工作中有效地發(fā)揮了作用，驗證了本文思想和算法的正確性。 關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)；繼電保護；圖形化平臺；網(wǎng)絡拓撲1引言 電力系統(tǒng)繼電保護信息管理是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要基礎(chǔ)工作，包括繼電保護圖紙、定值單、備品備件臺賬、保護定檢記錄、保護動作正確率統(tǒng)計等方面。隨著計算機技術(shù)在電力系統(tǒng)應用的深入和普及，繼電保護信息管理的許多工作都已使用計算機和網(wǎng)絡進行處理，如繼電保護整定計算程序、AutoCAD繪制保護圖紙、保護定值的數(shù)據(jù)庫管理等。然而，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，以上各項工作往往是分散獨立實現(xiàn)的，各功能模塊的數(shù)據(jù)格式和操作平臺互不支持，從而造成了繼電保護信息管理工作的混亂。由于設備更新和接線變更而造成同一個系統(tǒng)的圖紙、文件不一致，給安全生產(chǎn)帶來隱患。 由于繼電保護專業(yè)的復雜性、權(quán)威性和對電力系統(tǒng)安全的特別重要性，有必要對繼電保護信息管理的各方面工作進行統(tǒng)一規(guī)劃，建立基于統(tǒng)一平臺的繼電保護信息管理系統(tǒng)。而其中的重點難點是繼電保護圖紙的管理。為此，本文提出了一種基于繼電保護圖紙的繼電保護信息管理的圖形化平臺，利用圖形化的方法把繼電保護各環(huán)節(jié)的復雜邏輯和大量信息直觀形象地用圖文并茂的形式表達出來。同時，利用繼電保護圖紙作為紐帶，將繼電保護信息管理的其它工作有機地聯(lián)系起來，設計了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和圖紙規(guī)范，實現(xiàn)信息共享。另一方面，這一平臺又要有足夠的通用性和可擴展性，可以方便地掛接各種繼電保護信息管理模塊，可以在MIS系統(tǒng)上運行，可以方便用戶進行維護和自行擴展。 本文對繼電保護信息管理的圖形化設計模式和具體方法進行了回顧和總結(jié)，并分析了繼電保護信息管理圖形化平臺設計的特點，提出了新的思路。2 繼電保護信息管理圖形平臺設計的特點分析 繼電保護緊緊聯(lián)系著電力系統(tǒng)一次和二次系統(tǒng)。由于繼電保護信息管理工作各功能要求的差異性，圖形平臺設計除了遵循一般系統(tǒng)設計的規(guī)律之外，還必須要適應由此而來的一些個性需求。與用于電力系統(tǒng)輔助計算的一次系統(tǒng)的圖形化平臺相比，這種差異性所帶來的設計和實現(xiàn)的難度要大很多。下面就繼電保護圖形平臺設計中要考慮的一些特點進行分析。2.1繼電保護的模塊化配置及其邏輯約束 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的繼電保護種類繁多，但是他們能在一起協(xié)同工作的關(guān)鍵是他們遵循了模塊化的設計。比如同一個電流保護，可能包含速斷、延時速斷、過負荷三段，它們的保護范圍有重疊也有不同，但是依據(jù)保護定值和動作延時就可以使它們各負其責，互相配合補全。不同保護之間也有邏輯上的約束，比如某些保護在某些時候要被自動閉鎖，某些時候又要解鎖。繼電保護系統(tǒng)的這種關(guān)聯(lián)關(guān)系實質(zhì)是其信息管理的核心，也是聯(lián)系各項管理工作模塊的一條主線。因此，圖形平臺設計應充分體現(xiàn)這一特點。2.2電氣聯(lián)系的強關(guān)聯(lián)和圖紙表示的弱關(guān)聯(lián) 繼電保護涉及的二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)之間有著電氣上的關(guān)聯(lián)（且稱之為“強關(guān)聯(lián)”），但是在工程圖紙中，經(jīng)常出現(xiàn)一次圖和二次圖是分開表示的情況（且稱之為“弱關(guān)聯(lián)”）?！耙淮卧O備繼電器二次觸點保護出口斷路器”在電氣上緊密相關(guān)，但是圖紙上卻只有依靠圖紙的標注才可以讓人們辨識它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，需要深厚的專業(yè)知識和對系統(tǒng)的深入了解才能很好地理解這些圖紙。另外，繼電保護二次圖既龐大又復雜，對現(xiàn)場人員的技術(shù)素質(zhì)要求很高。二次圖之間的這種強關(guān)聯(lián)和弱關(guān)聯(lián)也很常見，如交流回路中的啟動繼電器與直流回路中的輔助觸點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。許多現(xiàn)場人員看不懂二次圖，這主要是因為繼電保護動作具有一系列的邏輯閉鎖和連鎖反應。因此，繼電保護圖形平臺應提供聯(lián)系這些一二次圖紙及其各個元件的索引，為現(xiàn)場人員瀏覽和閱讀圖紙?zhí)峁椭?.3繼電保護二次圖紙的不規(guī)范 繼電保護信息管理圖形平臺應提供應用于各工作模塊的基本信息，包括：元件的拓撲關(guān)系、主從隸屬關(guān)系、時序動作邏輯關(guān)系等。與用于電力系統(tǒng)輔助分析的一次主接線系統(tǒng)圖不同，繼電保護圖紙量大面廣，制作的時間跨度可能很大，也涉及很多部門，圖紙格式和存儲介質(zhì)也不盡一致，等等。所有這些給基于繼電保護圖紙的信息提取帶來很大困難，因此圖形平臺設計應充分考慮繼電保護圖紙的以下不規(guī)范性。 1) 繼電保護的圖紙經(jīng)常不是一張嚴格意義的拓撲圖，通常只是原理示意圖。比如拓撲上的同一個節(jié)點，為了布圖和人們理解的方便，卻經(jīng)常分開在不同的圖紙或者在一個圖紙的不同地方表示。因此，不如一次系統(tǒng)圖那樣可方便地獲得拓撲連接關(guān)系。 2) 圖紙與圖紙之間不連續(xù)，原本有直接聯(lián)系的元件因為圖紙空間限制，不得不人為地分開畫在不同的圖紙上，整個圖紙系統(tǒng)關(guān)聯(lián)是依靠各種符號和標記。 3) 圖紙格式不統(tǒng)一，信息不全甚至有錯誤，很多圖紙信息需要在后臺數(shù)據(jù)庫進行手工修正，如何自動辨識錯誤信息以及不遺漏每個元件是圖形平臺設計需應對的難題。 4) 由于歷史原因以及繼電保護管理的特殊性要求，有些圖紙和文件必須以原始形式掃描的方式存儲，以保證其權(quán)威性。圖形平臺應支持這種圖紙的輸入方式，并實施有效的管理。2.4繼電保護圖紙的粒度差異 對于繼電保護信息管理，有的模塊可能只需要基于圖紙的各種管理功能，那么我們稱其分辨粒度是圖紙。而有的模塊卻可能需要分辨粒度是圖元，比如要求實現(xiàn)繼電器的相關(guān)參數(shù)的在圖查詢。這就要求圖形平臺針對不同的情況應用不同的解決方案。如此才能最大限度利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出適用的系統(tǒng)。3 繼電保護信息管理圖形化平臺的圖形和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) 應該明確的是繼電保護信息管理系統(tǒng)應用對象是廣大的繼電保護工作人員，因此客戶端平臺應該主要是流行而易用的Windows系列操作系統(tǒng)。利用Windows環(huán)境，設計開發(fā)一個繼電保護圖形化系統(tǒng)，現(xiàn)在有很多種可選的開發(fā)工具。對于用戶界面設計來說，快速的可視化開發(fā)工具如VB、Delphi，以及同樣可視化但是程序執(zhí)行效率較高的如VC；對于聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的設計，可以選用可視化的通用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如Oracle、SQL Server、Sybase；對于網(wǎng)頁設計，可以選用各種Html語言編輯工具如MS Visual Interdev等等。此外多媒體的設計在圖形化平臺中也很重要，因為這是一個形象生動的表達方法，可以根據(jù)用戶需求靈活地度身定制。3.1繪圖工具及圖元的設計 圖元的設計是圖形化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個很常用的方法是自己設計一個繪圖系統(tǒng)，利用點線的組合繪制各種元件如繼電器和斷路器等等。這樣做的好處是可以自如地設計圖元和圖紙的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能，缺點是需要自己做瑣碎的增加、刪除、編輯甚至縮放和移動等等繪圖功能，而繪圖程序的設計比較繁瑣，有缺陷的設計會給平臺的運行帶來災難性的后果，所以設計時測試階段的時間應該相應長一些以加強系統(tǒng)的健壯性。同時基于靈活性的考慮，應該考慮和主流CAD和CAM系統(tǒng)兼容問題。 另外一種方法，就是利用現(xiàn)在通用的各種CAD和CAM軟件如AutoCAD，或者是基于地圖的信息管理系統(tǒng)如MapInfo，來定制和繪制各種圖元進而形成整個圖紙系統(tǒng)。這樣做的好處是可以利用成熟軟件的強大繪圖功能，其普及性、完善性的優(yōu)勢是非常明顯的。但是需要開發(fā)者掌握它們的二次開發(fā)技術(shù)，因為這些軟件只能作為開發(fā)繼電保護圖形化系統(tǒng)的一個工具，深層次的功能如拓撲尋找和各種數(shù)據(jù)管理不可依靠它們完成。一個直接的做法是在CAD軟件基礎(chǔ)上，定制適用于繼電保護圖形平臺的各種圖元，利用其附加屬性，充分表示元件的拓撲、隸屬、主從等關(guān)系及其參數(shù)，為建立管理數(shù)據(jù)庫提供良好的環(huán)境。3.2圖形和數(shù)據(jù)的智能關(guān)聯(lián) 對于圖形化平臺來說，圖形和數(shù)據(jù)應該采取合適的形式關(guān)聯(lián)進而選擇恰當?shù)拇鎯Ψ椒?。用面向?qū)ο蟮脑O計的觀點來看，我們可以用各種類對象來描述電力系統(tǒng)的各個圖元。利用類之間的繼承關(guān)系描述具體各元件之間的關(guān)聯(lián)。每一個類對象具有自己的屬性（也就是它的數(shù)據(jù)）和方法（也就是它的功能）。比如對于繼電器來說，其圖形信息應該是根據(jù)繼電器的型號決定具體繪制的方法，而其相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)則有其觸點信息、延時信息、整定值信息、關(guān)聯(lián)繼電保護信息、標志是否帶電的狀態(tài)位等等；其功能應該有圖元繪制函數(shù)、判斷是否帶電的函數(shù)、帶電與掉電的動作函數(shù)等等。對于一個觸點來說，其圖形信息應該是根據(jù)觸點型號和觸點當時狀態(tài)決定具體繪制方法，其相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)則有位置狀態(tài)信息、其所屬繼電器信息和所在回路信息等等，其功能則有閉合和斷開的函數(shù)等等。 對于圖形和數(shù)據(jù)，可以按照具體系統(tǒng)的需求分析在模塊劃分完畢之后進行組織。圖1是一個繼電保護整定計算和仿真的數(shù)據(jù)框圖。4 繼電保護信息管理圖形平臺的網(wǎng)絡拓撲辨識4.1網(wǎng)絡拓撲辨識方法及其性能比較 網(wǎng)絡拓撲信息是繼電保護信息管理的基礎(chǔ)，尤其是在進行繼電保護整定計算和仿真等輔助分析功能時更是關(guān)鍵。目前網(wǎng)絡拓撲的算法主要是一次主接線的算法發(fā)展比較多，繼電保護二次圖的拓撲提取由于其圖紙自身的不嚴密性和復雜性研究較少。 從拓撲的提取方式看，一是利用AutoCAD或者MapInfo設計各圖形模塊，完成圖紙繪制的工作，再利用它們豐富的二次開發(fā)功能，提取圖紙中各圖元的連接信息，進一步形成所需拓撲數(shù)據(jù)庫。二是自制的繪圖工具，當然在繪制圖紙時也可以形成所需拓撲。當圖紙是掃描輸入時，由于無法辨識圖元，只能通過手工輸入方式形成拓撲數(shù)據(jù)庫。但這種方法不值得推廣，因為這樣雖然表面上減輕了工作難度，可以填充任意所需拓撲，但是如果沒有嚴整的拓撲表達方式，會給以后的整定計算和仿真帶來災難性的后果。所以手工形成拓撲，只可以作為自動形成拓撲的一種輔助手段。 從拓撲的存儲形式看，目前應用較廣的是用關(guān)聯(lián)矩陣存儲節(jié)點和支路之間的連接關(guān)系。這種算法數(shù)學描述嚴謹，便于程序處理，比較適合于一次接線圖的拓撲描述。對于繼電保護二次系統(tǒng)圖，由于元件數(shù)量龐大，因而會造成速度和性能的嚴重下降，只適合于用于教育培訓的繼電保護典型回路的動作邏輯演示。4.2基于模塊的拓撲存儲及搜索 對于繼電保護來說，由于一二次之間的關(guān)聯(lián)等等原因，繼電保護圖紙總體上網(wǎng)絡的嚴密性比較差，有時會出現(xiàn)邏輯上不嚴格的拓撲出現(xiàn)。因此很難采用和一次主接線系統(tǒng)一樣的方法來規(guī)范二次圖紙的拓撲。本文提出一種基于模塊的表示法來存儲拓撲結(jié)構(gòu)。此處的模塊可以根據(jù)具體系統(tǒng)設計需求靈活定制，比如可以把模塊定義為繼電保護圖紙中的圖元或行，也可以把模塊定義為繼電保護中的某一功能塊。利用模塊之間的邏輯聯(lián)系，按照邏輯對圖紙分模塊進行定義。這樣可以認為所謂圖紙即是一些模塊的組合，而這些模塊之間的某些聯(lián)系就表達了繼電保護的某些功能。這樣可以減少搜索深度，優(yōu)化系統(tǒng)性能。 基于行定義的表示法在國外的圖紙中比較適用，因為SIMENS，ALSTHOM等常用的廠家圖紙都是按照行來閱讀，一次和二次分不同圖紙表示。國內(nèi)的經(jīng)常一二次一起，交直流一起，行的意義不是很明顯，所以可以將繼電保護圖紙中的控制塊按照其功能邏輯進行模塊的定義和分割。根據(jù)需求分析的不同，可以粗略地把某些控制塊定義為模塊，也可以細致地把觸點定義為模塊，模塊之間的組合邏輯即可將圖紙所表達的繼電保護動作邏輯反映出來。 在基于模塊的拓撲存儲和搜索中，我們首先區(qū)分靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。所謂靜態(tài)數(shù)據(jù)就是在圖紙上的狀態(tài)是不變的，如一些電阻和一些連接線。所謂動態(tài)數(shù)據(jù)就是圖紙上的狀態(tài)可變元件，比如具有開關(guān)電路功能的元件（觸點，熔絲等等）和不具有開關(guān)電路功能但是狀態(tài)可變的元件（如繼電器，光字牌等）?；谀K的拓撲存儲只需考慮各模塊中的動態(tài)數(shù)據(jù)，內(nèi)存中可以用廣義表的格式加以存儲，搜索時以模塊為單位進行廣度或深度的優(yōu)先搜索。這樣的拓撲存儲方式直接面對拓撲變化的核心問題，存儲容量很小，搜索速度也大大加快。它可以克服繼電保護圖紙拓撲顯示不規(guī)范的問題，同時也加強拓撲不良數(shù)據(jù)的辨識，程序的健壯性較好。假設已經(jīng)預定義了模塊及其屬性并且已經(jīng)形成了數(shù)據(jù)庫，那么繼電保護的搜索算法可以表示如下： 1) 預定義圖紙上的模塊及其屬性，并將它們形成數(shù)據(jù)庫。 2) 輸入繼電保護初始設置和故障代碼。 3) 根據(jù)初始設置和故障代碼在數(shù)據(jù)庫中進行搜索，得到第一級啟動的模塊列表。 4) 對啟動的每一個模塊在數(shù)據(jù)庫中進行廣度優(yōu)先的遍歷，得到次級啟動的模塊列表。 5) 重復4)，直至有動作結(jié)束標志（如搜索到標志為出口繼電器的模塊）。如此便形成了遍歷的動作邏輯樹。 6) 以樹形邏輯框圖或者其它合適形式輸出給用戶。 此外，引入專家知識庫也不失為一種解決繼電保護二次拓撲的良策。由于篇幅所限，不予探討。5結(jié)論 電力系統(tǒng)繼電保護信息管理的信息量飛速增加，各子系統(tǒng)的復雜程度加深。圖形化平臺是科學計算可視化的拓展，可以加快各專業(yè)的融合速度，便于工作人員對系統(tǒng)有更全局的把握?；诒疚牡膱D形化平臺，可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護的整定計算、參數(shù)管理、圖