基于C#的繼電保護(hù)整定系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊胡萍，左士偉，鐘耀星，陳 豪

(1．南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330031;2．國家電網(wǎng) 江西贛西供電公司，江西 新余338025)

0 引言

繼電保護(hù)整定計(jì)算對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著極為重要的作用，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求極高［1］． 近幾年，整定計(jì)算軟件成為研究熱點(diǎn)［2-3］．文獻(xiàn)［4］以人工操作最小為原則，開發(fā)了具有智能性和通用性的發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算系統(tǒng);文獻(xiàn)［5］在分析了一般整定計(jì)算軟件功能的基礎(chǔ)上，對(duì)它的通用性問題進(jìn)行了詳細(xì)探討，指出將整定原則的可選性和自定義相結(jié)合的思路，減少了軟件維護(hù)的工作量，具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性;文獻(xiàn)［6］利用數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)遷移和圖形融合技術(shù)解決了整定計(jì)算參數(shù)交換存在的問題;文獻(xiàn)［7］通過對(duì)Visio、PSCAD 和Word 軟件的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了一種圖形化開放式短路電流計(jì)算及繼電保護(hù)整定一體化平臺(tái)的研制，提高了整定計(jì)算工作的自動(dòng)化程度，具有很強(qiáng)的有效性和實(shí)用性;文獻(xiàn)［8］首次提出以模塊為單位的繼電保護(hù)圖形數(shù)據(jù)一體化的設(shè)計(jì)方法，將繼電保護(hù)圖形與數(shù)據(jù)基于模塊集成并存入數(shù)據(jù)庫．

筆者以Microsoft 公司的VisualStudio2010 為開發(fā)平臺(tái)使用C#語言開發(fā)了可視化電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定系統(tǒng)，并且提出了一種基于泛型類型的超流水低堵塞率的數(shù)據(jù)存取技術(shù)和無重訪的廣度優(yōu)先搜索算法用于生成零序網(wǎng)絡(luò)圖，系統(tǒng)具有良好的通用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性［9］．

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在繼電保護(hù)整定計(jì)算中，因?yàn)橛?jì)算系統(tǒng)運(yùn)行方式的多變性、設(shè)備類型和定值計(jì)算方法的多樣性等原因，使得繼電保護(hù)整定計(jì)算非常繁瑣和復(fù)雜．基于以上特點(diǎn)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的未來需求，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊間既相互獨(dú)立又具有內(nèi)在的緊密聯(lián)系，使得系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性［10］． 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig．1 The whole system structure

(1)圖形建模模塊應(yīng)用C#語言的自定義控件技術(shù)構(gòu)建了電氣元件的圖元庫，每一個(gè)圖元都定義了電氣屬性和非電氣屬性，同時(shí)借助雙緩沖技術(shù)開發(fā)了圖形建模的環(huán)境．

(2)故障計(jì)算模塊利用圖元的非電氣屬性確定電氣元件的連接關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，并且自?dòng)生成正序和零序網(wǎng)絡(luò)圖，可以設(shè)置計(jì)算不同短路點(diǎn)、不同短路形式、不同運(yùn)行方式的短路電流．

(3)整定計(jì)算模塊可以實(shí)現(xiàn)原理級(jí)和裝置級(jí)的整定，并且參考了現(xiàn)場(chǎng)的定值計(jì)算方法，支持整定參數(shù)的調(diào)整、定值計(jì)算、靈敏度校驗(yàn)和定值結(jié)果顯示的功能［11］．

(4)定值單管理模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)表的設(shè)計(jì)、預(yù)覽和打印功能．

整定原則是整定計(jì)算軟件的核心部分，整定原則的制定是否合理，將直接影響整定計(jì)算結(jié)果的正確性和整定計(jì)算軟件的適應(yīng)性． 在整定原則的實(shí)現(xiàn)上，以規(guī)程為基本原則，同時(shí)從實(shí)際情況出發(fā)，系統(tǒng)可以根據(jù)整定計(jì)算人員制定的方式組合、配合策略和整定參數(shù)完成定值計(jì)算［12-13］．整定計(jì)算流程如圖2 所示．

圖2 整定計(jì)算流程圖Fig．2 Setting calculation flowchart

2 超流水低阻塞率數(shù)據(jù)存取技術(shù)

在繼電保護(hù)整定過程中，需要用到電力系統(tǒng)各個(gè)方面的數(shù)據(jù)，如電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和元件特性參數(shù)，二次系統(tǒng)的配置參數(shù)和元件參數(shù)．合理有效的管理和應(yīng)用各種數(shù)據(jù)，直接涉及到整個(gè)軟件系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)． 為了提高數(shù)據(jù)的存取效率和滿足未來需求，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫也采用模塊化設(shè)計(jì)，包括如下子數(shù)據(jù)庫:系統(tǒng)原始參數(shù)庫、系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)庫、基本圖元庫、故障計(jì)算信息庫、整定計(jì)算信息庫和定值計(jì)算信息庫．?dāng)?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3 所示．

圖3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Database structure

為提高系統(tǒng)的響應(yīng)和計(jì)算速度，本系統(tǒng)使用了C#泛型，泛型是2．0 版C#語言和公共語言運(yùn)行庫(CLR)中的一個(gè)新功能，泛型最常見的用途就是創(chuàng)建集合類，使用泛型類型可以最大限度地重用代碼、保護(hù)類型的安全以及提高性能．

借助泛型，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存取機(jī)制上采用一種新的思路，每次對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增加、刪除和更新數(shù)據(jù)時(shí)，首先把這次數(shù)據(jù)操作存入相應(yīng)的泛型內(nèi)，并且組成一個(gè)數(shù)據(jù)集合Dataset，長(zhǎng)度為n;然后把數(shù)據(jù)集合Dataset 分為n 個(gè)數(shù)據(jù)子集合;最后以數(shù)據(jù)子集合為最小單位以一定的時(shí)間間隔存入數(shù)據(jù)庫，這樣，極大地減小了數(shù)據(jù)阻塞的可能性，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度． 筆者把這種存取數(shù)據(jù)的方法稱為超流水低阻塞率數(shù)據(jù)存取技術(shù)． 數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程如圖4 所示．

圖4 數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程圖Fig．4 Data import flowchart

3 無重訪的廣度優(yōu)先搜索算法

本系統(tǒng)采用基于節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的數(shù)學(xué)模型，通過修改導(dǎo)納矩陣來處理各種方式變更和故障類型，并應(yīng)用動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)和稀疏技術(shù)，提出了無重訪的廣度優(yōu)先搜索算法用于生成零序網(wǎng)絡(luò)圖，實(shí)現(xiàn)了可視化的故障計(jì)算．無重訪的廣度優(yōu)先搜索算法計(jì)算步驟和算法流程如圖5 所示．

圖5 算法流程圖Fig．5 Algorithm flowchart

計(jì)算步驟:

step1．以短路點(diǎn)1 為根節(jié)點(diǎn)，向外搜索與短路點(diǎn)1 直接相連的支路(搜索原則:若是輸電線路則記錄其另一端節(jié)點(diǎn)號(hào)和零序阻抗值，若是變壓器支路則根據(jù)變壓器繞組的接線型式(Y，YN，d)判斷短路電流能否流通，若能夠流通則記錄其另一端節(jié)點(diǎn)號(hào)和零序阻抗值，否則丟棄);

step2． 將根節(jié)點(diǎn)和搜索完畢的支路信息丟棄，目的是減少內(nèi)存占用和防止重復(fù)訪問;

step3．以上一輪搜索到的節(jié)點(diǎn)號(hào)為根節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)向下搜索，搜索原則同step1，執(zhí)行step2，重復(fù)step3，直到再?zèng)]有根節(jié)點(diǎn)可以找到支路;

step4．退出循環(huán)，生成零序網(wǎng)絡(luò)圖．

4 算例分析

在5 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)上驗(yàn)證所提無重訪的廣度優(yōu)先搜索算法的有效性． 正序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，正序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1 所示． 發(fā)電機(jī)支路均接地，假定發(fā)電機(jī)電勢(shì)的標(biāo)幺值等于1，變壓器支路均為YN-d 型，靠近發(fā)電機(jī)側(cè)為d 型繞組接法，靠近交流線側(cè)為YN 型繞組接法．

正序網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為5，支路數(shù)為7，設(shè)置短路節(jié)點(diǎn)號(hào)為1，短路類型為兩相短路接地．

圖6 正序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig．6 Positive sequence network structure

表1 正序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab．1 Positive sequence network parameters

短路節(jié)點(diǎn)號(hào)為1，應(yīng)用所提算法進(jìn)行第一次循環(huán)，搜索到節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3，第二次循環(huán)以節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 為根節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向下搜索，根據(jù)變壓器繞組接線型式，得知零序電流無法穿越變壓器，而是經(jīng)接地電抗流向大地，循環(huán)終止．零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，零序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表2．

圖7 零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Zero sequence network structure

零序網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，支路數(shù)為6，對(duì)應(yīng)短路節(jié)點(diǎn)號(hào)為1．

表2 零序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab．2 Zero sequence network parameters

假定正序網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣為Z1，零序網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣為Z0，短路點(diǎn)1 兩相短路接地的正序電流I1、零序電流I0和零序電壓V0可以使用如下公式進(jìn)行計(jì)算．

式中:P 為中間變量;D 為正序網(wǎng)絡(luò)短路節(jié)點(diǎn);W為對(duì)應(yīng)零序網(wǎng)絡(luò)短路節(jié)點(diǎn)．

將表1 和表2 所示的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)據(jù)帶入公式(1)～(4)中，計(jì)算得到短路點(diǎn)1 兩相短路接地的零序電流標(biāo)幺值為3．908 9，零序電壓標(biāo)幺值為0．174 7．

5 結(jié)論

(1)討論了基于C#的繼電保護(hù)整定系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)采用了模塊化的體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫，在擴(kuò)展性和可維護(hù)性方面得到了改善，制定了更具有通用性的整定計(jì)算流程．

(2)提出了一種超流水低阻塞率數(shù)據(jù)存取技術(shù)，以C#的泛型類型為紐帶，通過將數(shù)據(jù)集合Dataset 細(xì)化，使得程序分批分時(shí)將數(shù)據(jù)操作完成，用時(shí)間換取更多的空間，很大程度降低了數(shù)據(jù)阻塞的可能性;

(3)研制了無重訪的廣度優(yōu)先搜索算法用于自動(dòng)生成零序網(wǎng)絡(luò)圖，算法占用內(nèi)存少，在5 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)上驗(yàn)證了所提算法的有效性，取得了很好的效果．

(4)基于以上的研究，為后續(xù)在線整定、在線校核計(jì)算系統(tǒng)的研制提供了便利．

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