基于一体化数据的发电厂继电保护整定系统研究

陈 铁 杨 磊 吴喜春

(1.三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002；2.梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002；3.国网湖北省电力有限公司 宜昌供电公司， 湖北 宜昌 443000)

继电保护整定工作是发电厂安全稳定运行的基本保障[1-2].由于继电保护装置与发电厂电力设备种类繁多，整定原理复杂且参数庞大，人工开展整定工作工作量大且无法保证准确率，因此开发继电保护整定系统具有重要意义.目前，许多学者对发电厂继电保护整定计算系统进行了研究，并取得一些成果[3-11].文献[3-4]针对整定计算过程数据繁杂的问题，利用数据库技术来读取Word与Excel等工具所储存图纸文件、电力元件基本参数以及整定计算参数，这样的人工计算模式效率低下且易出错.文献[5-6]利用数据库配置了不同厂家的继电保护装置整定计算数据，提供了对已有装置及其配置保护的编辑功能.文献[6]利用数值/逻辑解释器辅助工具实现了整定规则的灵活编辑，但并未做到故障计算模型以及整定计算模板的灵活配置.文献[7]基于B/S结构并结合多代理技术开发了在线整定与定值管理系统.

已有研究成果在发电厂继电保护整定工作中得到了一些应用.由于系统运行时仍需大量人工操作且难以对数据进行灵活管理，因此本文针对发电厂继电保护整定计算全过程所涉及的数据进行分析，建立了其对应的数据库，利用数据表中特定的编码建立了数据之间的实体对应关系，从而构建了发电厂继电保护整定计算一体化数据结构，并将其应用在图形建模、故障计算以及整定计算过程中.经实例应用表明，该系统在数据灵活管理、减少人工操作量及提升整定计算效率方面效果显著.

1 一体化数据构建思路

构建发电厂继电保护整定计算一体化数据结构主要是为了解决3个问题：一是对整定计算全过程的数据进行统一配置与管理；二是建立发电厂继电保护整定计算过程数据之间的关联关系，使得数据查询时能够迅速定位到用户需要的数据信息；三是基于继电保护整定计算过程数据之间的关联关系，在数据结构中引入模板类数据与基本计算模型类数据的概念，从而达到提升计算效率与实现自动化整定计算的目的.因此，根据以上所述功能需求构建了如图1所示的一体化数据构建思路.

通过分析发电厂继电保护整定计算全过程所涉及的业务流程，将其划分为图形化建模、故障计算、继电保护配置、整定计算、定值单以及用户信息6部分数据，通过对各部分数据的灵活配置来实现整定计算全过程数据的集中配置与管理.利用各部分数据存在的关联关系将整定计算全过程数据联系在一起，从而建立继电保护整定计算一体化数据结构.然后基于这种数据结构为各功能模块配置默认的计算模型与模板数据，从而实现一体化整定计算并减少人工操作量.

图1 一体化数据构建思路

2 发电厂继电保护整定计算一体化数据结构

2.1 发电厂继电保护整定计算过程数据划分

利用SQL数据库配置了图形化建模、故障计算、继电保护配置、整定计算、定值单以及用户信息6部分的数据，数据详情见表1.

表1 发电厂继电保护整定计算过程数据划分表

续表1 发电厂继电保护整定计算过程数据划分表

2.2 发电厂继电保护整定计算数据关联性分析

2.2.1 整定计算一体化数据结构建立依据

根据整定计算业务流程所划分的6部分数据中，用户数据通过其特定的ID登录号与其它5部分数据相关联.其余5部分数据呈现递进关系，即每个部分均有输入与输出数据，输入的数据除该部分定义的基础数据外，还包含了其它部分输出的数据.比如，故障计算阶段输入的数据为拓扑结果、故障类型、计算参数等，其中拓扑结果为图形化建模阶段输出的数据，故障计算阶段输出的数据为故障计算结果，它为整定计算阶段提供了输入数据.

同理，根据这种递进关系来确定整定计算各阶段内部数据流向，比如：图形化建模阶段的数据包括图元模型、图形文件、拓扑结果，图形文件则是根据图元模型不断地拼接形成的，而拓扑结果则是经拓扑算法程序所输出的结果，通过这种方法构建的一体化数据结构如图2所示.

图2 整定计算一体化数据结构

2.2.2 构建整定计算一体化数据结构的关键技术

通过SQL数据库中的数据表来定义整定计算过程各部分数据，数据表中的各类数据代表了整定计算过程数据实体的若干属性，且通过数据表中特定的编码将实体数据之间的关系联系在一起.

以图形化建模板块数据为例，该板块数据由设备表(Device)、设备参数表(DevParma)、图形文件表(GraphFile)以及拓扑信息表(Result_TP)组成.对于设备表(Device)中数据字段、数据类型、所占字节以及是否为空的配置情况进行了详细描述，见表2.为避免内容冗余，对于其余数据表的配置情况不再详细阐述.

表2 设备表(Device)配置情况

图形化建模板块数据表之间的实体对应关系如图3所示，各表之间通过数据表中特定的编码可关联数据信息.例如，设备表通过其ID字段能够找到设备参数表中的DevID字段，从而查询到该设备ID所对应的设备参数信息，图形文件表的ID字段能够找到设备表中该图形文件ID所对应的GraphID字段，从而查询到该图形文件ID所包含的设备情况.

图3 图形化建模板块数据表实体关系

为进一步说明数据板块之间及数据板块内部数据表之间的关联关系，建立了整定计算一体化数据结构中各数据表之间的实体对应关系，如图4所示.各表之间通过图4中箭头指向的特定编码建立关联性.

图4 一体化数据结构各表之间的实体对应关系

3 一体化数据结构在整定系统中的应用

实例系统中利用一体化数据结构数据之间的关联关系配置了默认的计算模型与模板，使得实际整定计算工作时，能够结合默认数据及各阶段输出的数据自动开展整定计算工作.

3.1 基于图元数据的图形建模

利用插件技术[12]建立VG(Visual Graph)与界面层、VG与数据库的连接，从而利用VG为用户提供了基于Web浏览器的可视化图形建模界面.不仅能够给用户提供自主绘制电气接线图的界面，并且能够实时显示电气接线图、故障计算结果.数据库、VG以及界面层3者之间的关系如图5所示.

图5 数据库、VG插件以及界面层之间的关系

系统利用图形文件特征辨识的方法还为用户提供了电气接线图自动输出功能.图形文件特征辨识包括图元辨识、图元连接关系辨识，其流程如图6所示.

图6 基于特征辨识的图形建模流程

1)图元辨识

首先对用户上传的电子版图形文件进行扫描，完成后保存图形文件中所有的信息，包括图形形状、基本属性以及文字描述等；然后根据扫描图形文件得到的图形形状与数据库中的图元形状进行匹配，最后确定图元类型，并记录图形文件中图元总数.

2)图元连接关系辨识

图形建模板块定义了发电厂各类电气设备的图元模型，电气设备图元模型之间通过连接线图元连接在一起，因此在对所有图元完成端口编号之后，利用端口融合[13]的方法来降低端口号，从而任意两个图元出现相同的端口号，这两个图元便连接在一起.例如双端口图元W1的两个端口号为(1，2)，图元W2的两个端口号为(5，6)，连接线图元V1的端口号为(3，4)，端口融合之后W1、W2、V1的端口号分别为(1，2)、(2，3)、(2，2)，则图元W1与图元W2的一个端口连在一起，当遍历完所有连接线并进行端口融合后，根据电气设备的图元端口号便可形成电气接线图.

3.2 基于数据匹配的故障计算

建立了储存有故障计算模型的动态链接库，并在计算模型中定义了数据接口.接口内容包括计算模型中的数据种类、数据包含的属性、属性所占字节等.实例计算时，通过计算模型中的数据接口与一体化数据结构进行连接，从而将动态链接库中故障计算模型需要的数据与一体化数据结构中所对应的实体数据进行匹配，不仅能够自动完成故障计算，还提升了计算效率`.基于数据匹配的故障计算过程如图7所示.

图7 故障计算流程

3.3 基于模板匹配的自动整定计算

实现自动整定计算，必须在实际整定计算时，自动载入整定计算需要的数据信息.根据前文所述的一体化数据结构可知，整定计算涉及3个方面的数据，分别为保护装置配置信息、故障计算结果以及整定计算模型中的参数、公式以及步骤.

针对继电保护配置情况，3.1节给出了基于图形文件辨识的全自动图形化建模方法，利用电气设备图元与继电保护装置之间的关联关系，为每类图元均配置了默认的继电保护装置模板，这样一来，便完成了继电保护装置信息的自动载入；3.2节中所述故障计算方法为整定计算阶段提供了故障计算信息；针对整定计算模型，构建了整定计算模板库，利用一体化数据结构中数据间的相关性建立了模板与计算模型中参数、公式以及步骤的关联性，因此整定计算时，根据故障计算阶段输出的结果再结合继电保护配置情况进行模板匹配便可自动开展整定计算，整定计算流程如图8所示.

图8 基于模板匹配的整定计算流程

4 实例应用

4.1 系统开发环境

根据本文所述数据结构开发的发电厂继电保护整定计算系统采用3层B/S架构[14]，数据库采用SQL 2008，能较好地满足大量并发访问和大数据量储存需求，保证了软件在适用人员增多时的应用可行性；业务逻辑层采用VS 2010(Visual Studio 2010)的C#开发环境.界面层利用JQuery easy UI、JavaScript等编程技术，能够打造出功能丰富且美观的UI界面，使系统功能页面更加友好.

4.2 实际应用

基于整定计算一体化数据结构所开发的整定系统已应用于某发电厂，并成功通过验收.系统的图形化建模板块能够识别用户上传的电子版电气接线图，且为用户提供了可绘制任意发电厂电气接线图的界面，如图9所示.系统为各类电气设备共配置了20种型号不同的继电保护装置，每种装置能够根据用户需求选择保护功能，且每种保护功能均配置了整定计算模板.

图9 图形化建模实例

实际应用中用户通过保护配置板块自主选择保护功能或选择默认的保护功能进行整定计算，整定计算时采用模板匹配的方法搜寻到与该保护功能相匹配的参数、公式信息进行整定计算，实现了自动整定计算.由于一体化数据结构中定义了每个保护功能模板详细的参数、公式以及步骤信息，因此整定计算实例中每个步骤及其用到的参数都清晰可见，整定计算完毕后，结合保护定值与事先设计好的模板便可自动输出定值单与计算书.且当系统提供的参数无法满足计算需求时，用户还可通过参数编辑功能对参数进行适当的修改，直到满足计算需求为止，如图10所示.

图10 整定计算实例应用

5 结 语

本文针对发电厂继电保护整定计算过程业务流程数据之间具有递进关系的特点，提出一种发电厂继电保护整定计算一体化的数据结构.通过数据表之间特定的编码建立了实体对应关系，并在某电厂实际整定计算系统中得以应用.根据该数据结构建立的发电厂继电保护整定计算系统不仅能够对整定计算全过程涵盖的所有数据进行集中管理，解决了整定计算全过程数据信息繁杂难以管理的问题；而且对各部分数据建立了较强的关联性，使得应用程序能够根据这种关联迅速定位到系统为各功能模块提供的基本计算模型以及模板数据，从而实现了自动开展整定计算工作，极大程度上提升了系统性能.