基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的GIS暫態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

賈寶康，徐寶華，王增超，王立瑋

(1.山西電網(wǎng)公司 忻州供電公司，山西 忻州 034000;2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003;3.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

氣體絕緣變電站 (Gas Insulated Substation，GIS)憑借其較小的占地面積、可靠性高、受周圍環(huán)境影響小以及便于維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在全國各地得到十分廣泛應(yīng)用，在土地資源緊張的大中城市更是如此[1]。GIS相比敞開式電站具有更大的經(jīng)濟(jì)效益[2]。在GIS的倒閘操作中，由于GIS內(nèi)的隔離開關(guān)動(dòng)作較慢，開關(guān)觸頭的多次重復(fù)擊穿會(huì)產(chǎn)生近百兆Hz的特快速暫態(tài)過電壓 (簡稱，VFTO)。由于VFTO對(duì)電力系統(tǒng)的影響突出，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)VFTO的產(chǎn)生機(jī)理、危害及防護(hù)措施作了大量的研究工作[3～5]。

電力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一種高效準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)的研究方法。目前計(jì)算電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的仿真軟件主要有 EMTP，EMTDC 和 NETOMAC[6]等;此類軟件專業(yè)性較強(qiáng)，要求使用者掌握一定的建模理論和一些電磁場相關(guān)理論。對(duì)于有豐富經(jīng)驗(yàn)但專業(yè)知識(shí)不強(qiáng)的現(xiàn)場工作人員來說，其使用有一定的困難。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，以C#語言編程，以微軟公司的Microsoft Visual Studio 2010軟件為平臺(tái)，研發(fā)了一種可用于計(jì)算GIS內(nèi)暫態(tài)過電壓的計(jì)算系統(tǒng) (GISTCS)。該系統(tǒng)軟件界面符合現(xiàn)場人員使用習(xí)慣，直接采用電氣接線圖建模，界面簡潔易懂，操作方便且計(jì)算精確。GIS-TCS的使用人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可熟練掌握該系統(tǒng)，故其實(shí)用性較高。

1 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

面向?qū)ο蠹夹g(shù) (Object Orient Technology，OOT)與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，如提高了軟件的重用性、靈活性和擴(kuò)展性，同時(shí)程序結(jié)構(gòu)更加清晰并減少了程序維護(hù)的工作量[7]。傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思路是把程序視為一系列函數(shù)的集合并且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相互交叉的，而面向?qū)ο蠹夹g(shù)程序設(shè)計(jì)中的對(duì)象是相互獨(dú)立而又互相調(diào)用的關(guān)系。每一個(gè)對(duì)象都能夠接受、處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳達(dá)給其他對(duì)象，這一系列優(yōu)點(diǎn)使得其在大型項(xiàng)目設(shè)計(jì)中被廣為采用。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本思想是:按問題領(lǐng)域的基本事物實(shí)現(xiàn)自然分割，按人們通常的思維方式建立問題領(lǐng)域的模型，設(shè)計(jì)盡可能直接、自然的表求解問題[8]。該技術(shù)以對(duì)象為基礎(chǔ)，引入類的概念，使程序結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，條理清晰，具有抽象性、封裝性、繼承性及多態(tài)性等特點(diǎn)。

可以將電力系統(tǒng)中的設(shè)備視為一個(gè)個(gè)對(duì)象，將設(shè)備的物理屬性封裝到對(duì)象中，使模型中的對(duì)象和物理設(shè)備有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且將對(duì)象之間的繼承和歸屬關(guān)系反映到實(shí)際中對(duì)應(yīng)設(shè)備之間的關(guān)系。Microsoft Visual Studio 2010是微軟公司推出的一款用于開發(fā).NET應(yīng)用的集成開發(fā)環(huán)境。該環(huán)境集成多種設(shè)計(jì)開發(fā)功能，使開發(fā)人員能夠方便迅速地開發(fā)各種.NET應(yīng)用程序。GIS-TCS就是以此為開發(fā)平臺(tái)，采用C#語言開發(fā)而來。C#語言具有執(zhí)行速度快，面向?qū)ο蟪潭雀叩纫幌盗袃?yōu)點(diǎn)[9]。

2 軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的軟件最大的特點(diǎn)就是圖形化，現(xiàn)場人員只需要通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動(dòng)等簡單操作即可完成軟件的大部分功能的使用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷就是方便現(xiàn)場運(yùn)行人員的使用，所以該軟件相比專業(yè)的電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTP，EMTDC來說，最大的特點(diǎn)在于:GIS-TCS根據(jù)現(xiàn)場人員熟悉的電站一次系統(tǒng)接線圖進(jìn)行圖形元件建模，與他們的使用習(xí)慣相一致。用戶要對(duì)網(wǎng)絡(luò)接線圖進(jìn)行繪制和修改，只需要對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)、復(fù)制、粘貼、旋轉(zhuǎn)、刪除、縮放等快捷的圖形操作手段即可。繪圖完成后，GIS-TCS可以自動(dòng)對(duì)電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，并自動(dòng)根據(jù)編號(hào)生成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，進(jìn)而完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治觥?/p>

2.1 系統(tǒng)界面功能設(shè)計(jì)

軟件主界面功能包括4個(gè)部分:菜單欄，各個(gè)選項(xiàng)主要針對(duì)元件的基本操作功能;快捷工具欄，提供了經(jīng)常使用的操作功能，便于功能的快捷實(shí)現(xiàn);快捷元件庫，包含建立電路圖模型所需的元件模型;狀態(tài)欄，顯示當(dāng)前軟件的狀態(tài)信息。

軟件需要輸入的參數(shù)包括以下幾個(gè)方面:各個(gè)元件的參數(shù)信息、計(jì)算步長、仿真時(shí)間。計(jì)算步長的默認(rèn)值為10-9s，仿真時(shí)間的默認(rèn)值為10-6s。GIS主要元件的參數(shù)信息如表1所示。

表1 GIS主要元件參數(shù)表Tab.1 The Main Components Parameters of GIS

2.2 電氣元件添加設(shè)計(jì)

在圖形化系統(tǒng)中，圖形元件的屬性可以分為兩類:繪圖屬性和物理屬性，前者用來描述圖形信息，后者用來表示現(xiàn)實(shí)中設(shè)備的物理參數(shù)。對(duì)圖形操作的事件同樣分為兩類:繪圖事件和物理事件;前者用以實(shí)現(xiàn)圖形的編輯繪制，后者代表對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的物理操作?；诖?，GIS-TCS采用類似于Visual Studio平臺(tái)自帶的Lable操作，把從Lable繼承來的類MyBtn作為電力設(shè)備類的公共類。這樣電力設(shè)備元件實(shí)現(xiàn)了實(shí)例化，程序更加簡潔明了，提高了可讀性。

添加元件是指向電路文件中添加各種圖形元件以進(jìn)行建模計(jì)算。添加之前應(yīng)首先找到當(dāng)前活動(dòng)的窗口 (如果沒有活動(dòng)的子窗體，則出現(xiàn)錯(cuò)誤，提示用戶新建一個(gè)文件，即窗體)。在當(dāng)前活動(dòng)窗口中添加相應(yīng)的元件，同時(shí)設(shè)置元件的初始位置、名字、背景圖片，以當(dāng)前窗體的元件個(gè)數(shù)為標(biāo)記來給元件命名。

2.3 元件間的連線設(shè)計(jì)

各元件均是一個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象均有左右節(jié)點(diǎn)和左右點(diǎn)擊屬性。設(shè)計(jì)時(shí)，首先是判斷采用節(jié)點(diǎn)元件的哪一端，這不僅要利用像素選擇還要根據(jù)元件的Rotate旋轉(zhuǎn)屬性判斷可點(diǎn)擊連線區(qū)域。MyBtn類中的Rotate屬性可以記錄元件旋轉(zhuǎn)的過程，每旋轉(zhuǎn)90°對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，這樣結(jié)合Rotate的4個(gè)值和元件的端口數(shù)就可以判斷出元件的連線區(qū)域。

下面是一個(gè)判斷下方可點(diǎn)擊連線區(qū)域 (當(dāng)鼠標(biāo)置于該區(qū)域上方時(shí)變?yōu)槭纸徊嫘螤?的代碼:

if(Btn.Rotate = = 0＆＆e.Y ＞ Btn.Height-10＆＆e.X ＜Btn.Width-10＆＆e.X＞10)

{

Btn.DIsBottomDown=true;

Btn.IsRightDown=true;

}

此時(shí)再點(diǎn)擊另一個(gè)新元件的某一端，將兩個(gè)元件的邏輯關(guān)系賦值，將兩個(gè)元件添加到一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象里面，并將該節(jié)點(diǎn)對(duì)象賦值給這兩個(gè)元件相應(yīng)的左右節(jié)點(diǎn)對(duì)象:

if(((MyBtn)newctr).IsLeftDown＆＆ !MyBtn.IsSame(Btn，((MyBtn)newctr)))

{

Node node=new Node();

Node node1=new Node();

if(!((MyBtn)newctr).upNode.IsNull

())

{

node1=((MyBtn)newctr).upNode;

}

((MyBtn)newctr).up=Btn;

if(node1.NodesBtn[0]!= null＆＆node1.NodesBtn[0].Name.Split('.')[0].To-String()!= ＂＂)

{

int i=0;

while(node1.NodesBtn[i]!=null)

{

if(MyBtn.IsSame(node1.NodesBtn[i]，((MyBtn)newctr)))

{

isRepeat=true;

}

i++;

}

}

if(!isRepeat)

node1.NodesBtn[node1.Count+ +]=((MyBtn)newctr);

isRepeat=false;

node1.IsCreated=true;

((MyBtn)newctr).upNode=node1;

((MyBtn)newctr).IsDown=false;

2.4 暫態(tài)計(jì)算實(shí)現(xiàn)

貝杰龍法 (Bergeron)在電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓計(jì)算中十分有效便捷且方便計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn);所以開發(fā)的GIS-TCS計(jì)算核心采用貝杰龍法編寫，其原理為:首先將分布參數(shù)電路、儲(chǔ)能集中參數(shù)元件L，C經(jīng)特定的變換法則，用歷史電流源和電阻進(jìn)行組件替換。這樣就可運(yùn)用求解電阻性網(wǎng)絡(luò)的通用計(jì)算方法來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過程[10]。

在求解網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)過程時(shí)，從計(jì)算開始時(shí)刻t0起，采用等時(shí)步長將時(shí)間離散化，這樣一系列離散的時(shí)間點(diǎn)就能進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解了。每一步計(jì)算時(shí)，均利用t時(shí)刻以前作為歷史記錄存好的歷史狀態(tài)。計(jì)算出這一時(shí)步的電壓和電流狀態(tài)后，記錄該狀態(tài)作為歷史值，為下一時(shí)步計(jì)算做準(zhǔn)備[11]。圖1給出了整個(gè)計(jì)算的流程圖。

圖1 貝杰龍法計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of Bergelon calculation method

3 與EMTP對(duì)比驗(yàn)證

利用所開發(fā)的GIS-TCS軟件和EMTP分別對(duì)某一GIS電站進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)比仿真結(jié)果。該電站一次系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 電站一次系統(tǒng)圖Fig.2 Primary system circuit diagram of GIS

通過支線1線向全站供電，母線1有電，母線2，3無電。倒閘操作，13K2，13K1閉合后，操作斷路器13K對(duì)母線2充電，其中閉合隔離開關(guān)13K1時(shí)會(huì)產(chǎn)生特快速暫態(tài)過電壓，所以仿真閉合13K1時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過程。用GIS-TCS和EMTP分別建模計(jì)算，閉合13K1，測量母線2上的暫態(tài)過電壓，兩種軟件得到的暫態(tài)電壓波形對(duì)比圖如圖3所示。

圖3 GISTCS與EMTP的仿真波形對(duì)比圖 (合閘相)Fig.3 Simulation waveform contrast of between GIS-TCS and EMTP

通過圖3對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所開發(fā)的GIS-TCS的計(jì)算結(jié)果與專業(yè)的電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTP基本相同，驗(yàn)證了該軟件系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文著重闡述了一種基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)思想開發(fā)氣體絕緣變電站暫態(tài)計(jì)算系統(tǒng) (GISTCS)的方法。本軟件以微軟公司推出的一款用于開發(fā).NET應(yīng)用的集成開發(fā)環(huán)境——Visual Studio 2010為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)便捷的人機(jī)交互界面以及強(qiáng)大的圖形功能，便于現(xiàn)場操作人員在沒有建模專業(yè)知識(shí)的情況下操作使用。軟件以用戶熟知的一次電氣接線圖進(jìn)行建模，計(jì)算核心采用主流的貝杰龍法可自動(dòng)完成暫態(tài)計(jì)算?？傊_發(fā)的GIS-TCS擁有直觀實(shí)用的圖形界面功能和準(zhǔn)確的計(jì)算分析能力，一定程度上滿足了現(xiàn)場工作人員的要求，有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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