基于面向对象技术的GIS暂态计算系统的开发与应用

贾宝康，徐宝华，王增超，王立玮

(1.山西电网公司 忻州供电公司，山西 忻州 034000;2.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003;3.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

气体绝缘变电站 (Gas Insulated Substation，GIS)凭借其较小的占地面积、可靠性高、受周围环境影响小以及便于维护等一系列优点，在全国各地得到十分广泛应用，在土地资源紧张的大中城市更是如此[1]。GIS相比敞开式电站具有更大的经济效益[2]。在GIS的倒闸操作中，由于GIS内的隔离开关动作较慢，开关触头的多次重复击穿会产生近百兆Hz的特快速暂态过电压 (简称，VFTO)。由于VFTO对电力系统的影响突出，国内外学者对VFTO的产生机理、危害及防护措施作了大量的研究工作[3～5]。

电力系统的计算机仿真是一种高效准确经济的研究方法。目前计算电力系统暂态过电压的仿真软件主要有 EMTP，EMTDC 和 NETOMAC[6]等;此类软件专业性较强，要求使用者掌握一定的建模理论和一些电磁场相关理论。对于有丰富经验但专业知识不强的现场工作人员来说，其使用有一定的困难。针对这一特点，本文采用面向对象技术，以C#语言编程，以微软公司的Microsoft Visual Studio 2010软件为平台，研发了一种可用于计算GIS内暂态过电压的计算系统 (GISTCS)。该系统软件界面符合现场人员使用习惯，直接采用电气接线图建模，界面简洁易懂，操作方便且计算精确。GIS-TCS的使用人员经过简单的培训即可熟练掌握该系统，故其实用性较高。

1 面向对象技术

面向对象技术 (Object Orient Technology，OOT)与传统程序设计方法相比有诸多优点，如提高了软件的重用性、灵活性和扩展性，同时程序结构更加清晰并减少了程序维护的工作量[7]。传统的程序设计思路是把程序视为一系列函数的集合并且数据结构是相互交叉的，而面向对象技术程序设计中的对象是相互独立而又互相调用的关系。每一个对象都能够接受、处理数据并将数据传达给其他对象，这一系列优点使得其在大型项目设计中被广为采用。

面向对象技术的基本思想是:按问题领域的基本事物实现自然分割，按人们通常的思维方式建立问题领域的模型，设计尽可能直接、自然的表求解问题[8]。该技术以对象为基础，引入类的概念，使程序结构更加规整，条理清晰，具有抽象性、封装性、继承性及多态性等特点。

可以将电力系统中的设备视为一个个对象，将设备的物理属性封装到对象中，使模型中的对象和物理设备有着一一对应关系，并且将对象之间的继承和归属关系反映到实际中对应设备之间的关系。Microsoft Visual Studio 2010是微软公司推出的一款用于开发.NET应用的集成开发环境。该环境集成多种设计开发功能，使开发人员能够方便迅速地开发各种.NET应用程序。GIS-TCS就是以此为开发平台，采用C#语言开发而来。C#语言具有执行速度快，面向对象程度高等一系列优点[9]。

2 软件设计及功能实现

基于面向对象技术开发的软件最大的特点就是图形化，现场人员只需要通过鼠标点击、拖动等简单操作即可完成软件的大部分功能的使用。本系统设计的初衷就是方便现场运行人员的使用，所以该软件相比专业的电磁暂态计算程序EMTP，EMTDC来说，最大的特点在于:GIS-TCS根据现场人员熟悉的电站一次系统接线图进行图形元件建模，与他们的使用习惯相一致。用户要对网络接线图进行绘制和修改，只需要对其进行移动、复制、粘贴、旋转、删除、缩放等快捷的图形操作手段即可。绘图完成后，GIS-TCS可以自动对电路节点进行编号，并自动根据编号生成节点导纳矩阵，进而完成对网络的拓扑分析。

2.1 系统界面功能设计

软件主界面功能包括4个部分:菜单栏，各个选项主要针对元件的基本操作功能;快捷工具栏，提供了经常使用的操作功能，便于功能的快捷实现;快捷元件库，包含建立电路图模型所需的元件模型;状态栏，显示当前软件的状态信息。

软件需要输入的参数包括以下几个方面:各个元件的参数信息、计算步长、仿真时间。计算步长的默认值为10-9s，仿真时间的默认值为10-6s。GIS主要元件的参数信息如表1所示。

表1 GIS主要元件参数表Tab.1 The Main Components Parameters of GIS

2.2 电气元件添加设计

在图形化系统中，图形元件的属性可以分为两类:绘图属性和物理属性，前者用来描述图形信息，后者用来表示现实中设备的物理参数。对图形操作的事件同样分为两类:绘图事件和物理事件;前者用以实现图形的编辑绘制，后者代表对现实设备的物理操作。基于此，GIS-TCS采用类似于Visual Studio平台自带的Lable操作，把从Lable继承来的类MyBtn作为电力设备类的公共类。这样电力设备元件实现了实例化，程序更加简洁明了，提高了可读性。

添加元件是指向电路文件中添加各种图形元件以进行建模计算。添加之前应首先找到当前活动的窗口 (如果没有活动的子窗体，则出现错误，提示用户新建一个文件，即窗体)。在当前活动窗口中添加相应的元件，同时设置元件的初始位置、名字、背景图片，以当前窗体的元件个数为标记来给元件命名。

2.3 元件间的连线设计

各元件均是一个对象，每个对象均有左右节点和左右点击属性。设计时，首先是判断采用节点元件的哪一端，这不仅要利用像素选择还要根据元件的Rotate旋转属性判断可点击连线区域。MyBtn类中的Rotate属性可以记录元件旋转的过程，每旋转90°对应一个数值，这样结合Rotate的4个值和元件的端口数就可以判断出元件的连线区域。

下面是一个判断下方可点击连线区域 (当鼠标置于该区域上方时变为十字交叉形状)的代码:

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

{

Btn.DIsBottomDown=true;

Btn.IsRightDown=true;

}

此时再点击另一个新元件的某一端，将两个元件的逻辑关系赋值，将两个元件添加到一个节点对象里面，并将该节点对象赋值给这两个元件相应的左右节点对象:

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 暂态计算实现

贝杰龙法 (Bergeron)在电力系统暂态过电压计算中十分有效便捷且方便计算机编程实现;所以开发的GIS-TCS计算核心采用贝杰龙法编写，其原理为:首先将分布参数电路、储能集中参数元件L，C经特定的变换法则，用历史电流源和电阻进行组件替换。这样就可运用求解电阻性网络的通用计算方法来计算网络的暂态过程[10]。

在求解网络暂态过程时，从计算开始时刻t0起，采用等时步长将时间离散化，这样一系列离散的时间点就能进行计算机求解了。每一步计算时，均利用t时刻以前作为历史记录存好的历史状态。计算出这一时步的电压和电流状态后，记录该状态作为历史值，为下一时步计算做准备[11]。图1给出了整个计算的流程图。

图1 贝杰龙法计算流程图Fig.1 Flow chart of Bergelon calculation method

3 与EMTP对比验证

利用所开发的GIS-TCS软件和EMTP分别对某一GIS电站进行分析，进而对比仿真结果。该电站一次系统图如图2所示。

图2 电站一次系统图Fig.2 Primary system circuit diagram of GIS

通过支线1线向全站供电，母线1有电，母线2，3无电。倒闸操作，13K2，13K1闭合后，操作断路器13K对母线2充电，其中闭合隔离开关13K1时会产生特快速暂态过电压，所以仿真闭合13K1时产生的暂态过程。用GIS-TCS和EMTP分别建模计算，闭合13K1，测量母线2上的暂态过电压，两种软件得到的暂态电压波形对比图如图3所示。

图3 GISTCS与EMTP的仿真波形对比图 (合闸相)Fig.3 Simulation waveform contrast of between GIS-TCS and EMTP

通过图3对比发现，所开发的GIS-TCS的计算结果与专业的电磁暂态计算程序EMTP基本相同，验证了该软件系统计算的准确性。

4 结论

本文着重阐述了一种基于面向对象技术设计思想开发气体绝缘变电站暂态计算系统 (GISTCS)的方法。本软件以微软公司推出的一款用于开发.NET应用的集成开发环境——Visual Studio 2010为开发平台，实现了系统便捷的人机交互界面以及强大的图形功能，便于现场操作人员在没有建模专业知识的情况下操作使用。软件以用户熟知的一次电气接线图进行建模，计算核心采用主流的贝杰龙法可自动完成暂态计算。总之，开发的GIS-TCS拥有直观实用的图形界面功能和准确的计算分析能力，一定程度上满足了现场工作人员的要求，有很高的应用价值。

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