基于一體化數(shù)據(jù)的發(fā)電廠繼電保護(hù)整定系統(tǒng)研究

陳 鐵 楊 磊 吳喜春

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；2.梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 湖北 宜昌 443002；3.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 宜昌供電公司， 湖北 宜昌 443000)

繼電保護(hù)整定工作是發(fā)電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障[1-2].由于繼電保護(hù)裝置與發(fā)電廠電力設(shè)備種類繁多，整定原理復(fù)雜且參數(shù)龐大，人工開展整定工作工作量大且無(wú)法保證準(zhǔn)確率，因此開發(fā)繼電保護(hù)整定系統(tǒng)具有重要意義.目前，許多學(xué)者對(duì)發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并取得一些成果[3-11].文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)繁雜的問題，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來讀取Word與Excel等工具所儲(chǔ)存圖紙文件、電力元件基本參數(shù)以及整定計(jì)算參數(shù)，這樣的人工計(jì)算模式效率低下且易出錯(cuò).文獻(xiàn)[5-6]利用數(shù)據(jù)庫(kù)配置了不同廠家的繼電保護(hù)裝置整定計(jì)算數(shù)據(jù)，提供了對(duì)已有裝置及其配置保護(hù)的編輯功能.文獻(xiàn)[6]利用數(shù)值/邏輯解釋器輔助工具實(shí)現(xiàn)了整定規(guī)則的靈活編輯，但并未做到故障計(jì)算模型以及整定計(jì)算模板的靈活配置.文獻(xiàn)[7]基于B/S結(jié)構(gòu)并結(jié)合多代理技術(shù)開發(fā)了在線整定與定值管理系統(tǒng).

已有研究成果在發(fā)電廠繼電保護(hù)整定工作中得到了一些應(yīng)用.由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)仍需大量人工操作且難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活管理，因此本文針對(duì)發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算全過程所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，利用數(shù)據(jù)表中特定的編碼建立了數(shù)據(jù)之間的實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而構(gòu)建了發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用在圖形建模、故障計(jì)算以及整定計(jì)算過程中.經(jīng)實(shí)例應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)靈活管理、減少人工操作量及提升整定計(jì)算效率方面效果顯著.

1 一體化數(shù)據(jù)構(gòu)建思路

構(gòu)建發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是為了解決3個(gè)問題：一是對(duì)整定計(jì)算全過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一配置與管理；二是建立發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得數(shù)據(jù)查詢時(shí)能夠迅速定位到用戶需要的數(shù)據(jù)信息；三是基于繼電保護(hù)整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中引入模板類數(shù)據(jù)與基本計(jì)算模型類數(shù)據(jù)的概念，從而達(dá)到提升計(jì)算效率與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化整定計(jì)算的目的.因此，根據(jù)以上所述功能需求構(gòu)建了如圖1所示的一體化數(shù)據(jù)構(gòu)建思路.

通過分析發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算全過程所涉及的業(yè)務(wù)流程，將其劃分為圖形化建模、故障計(jì)算、繼電保護(hù)配置、整定計(jì)算、定值單以及用戶信息6部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過對(duì)各部分?jǐn)?shù)據(jù)的靈活配置來實(shí)現(xiàn)整定計(jì)算全過程數(shù)據(jù)的集中配置與管理.利用各部分?jǐn)?shù)據(jù)存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系將整定計(jì)算全過程數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，從而建立繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).然后基于這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為各功能模塊配置默認(rèn)的計(jì)算模型與模板數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)一體化整定計(jì)算并減少人工操作量.

圖1 一體化數(shù)據(jù)構(gòu)建思路

2 發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1 發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)劃分

利用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)配置了圖形化建模、故障計(jì)算、繼電保護(hù)配置、整定計(jì)算、定值單以及用戶信息6部分的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)詳情見表1.

表1 發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)劃分表

續(xù)表1 發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)劃分表

2.2 發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析

2.2.1 整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立依據(jù)

根據(jù)整定計(jì)算業(yè)務(wù)流程所劃分的6部分?jǐn)?shù)據(jù)中，用戶數(shù)據(jù)通過其特定的ID登錄號(hào)與其它5部分?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)聯(lián).其余5部分?jǐn)?shù)據(jù)呈現(xiàn)遞進(jìn)關(guān)系，即每個(gè)部分均有輸入與輸出數(shù)據(jù)，輸入的數(shù)據(jù)除該部分定義的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，還包含了其它部分輸出的數(shù)據(jù).比如，故障計(jì)算階段輸入的數(shù)據(jù)為拓?fù)浣Y(jié)果、故障類型、計(jì)算參數(shù)等，其中拓?fù)浣Y(jié)果為圖形化建模階段輸出的數(shù)據(jù)，故障計(jì)算階段輸出的數(shù)據(jù)為故障計(jì)算結(jié)果，它為整定計(jì)算階段提供了輸入數(shù)據(jù).

同理，根據(jù)這種遞進(jìn)關(guān)系來確定整定計(jì)算各階段內(nèi)部數(shù)據(jù)流向，比如：圖形化建模階段的數(shù)據(jù)包括圖元模型、圖形文件、拓?fù)浣Y(jié)果，圖形文件則是根據(jù)圖元模型不斷地拼接形成的，而拓?fù)浣Y(jié)果則是經(jīng)拓?fù)渌惴ǔ绦蛩敵龅慕Y(jié)果，通過這種方法構(gòu)建的一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2.2 構(gòu)建整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

通過SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表來定義整定計(jì)算過程各部分?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表中的各類數(shù)據(jù)代表了整定計(jì)算過程數(shù)據(jù)實(shí)體的若干屬性，且通過數(shù)據(jù)表中特定的編碼將實(shí)體數(shù)據(jù)之間的關(guān)系聯(lián)系在一起.

以圖形化建模板塊數(shù)據(jù)為例，該板塊數(shù)據(jù)由設(shè)備表(Device)、設(shè)備參數(shù)表(DevParma)、圖形文件表(GraphFile)以及拓?fù)湫畔⒈?Result_TP)組成.對(duì)于設(shè)備表(Device)中數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)類型、所占字節(jié)以及是否為空的配置情況進(jìn)行了詳細(xì)描述，見表2.為避免內(nèi)容冗余，對(duì)于其余數(shù)據(jù)表的配置情況不再詳細(xì)闡述.

表2 設(shè)備表(Device)配置情況

圖形化建模板塊數(shù)據(jù)表之間的實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，各表之間通過數(shù)據(jù)表中特定的編碼可關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息.例如，設(shè)備表通過其ID字段能夠找到設(shè)備參數(shù)表中的DevID字段，從而查詢到該設(shè)備ID所對(duì)應(yīng)的設(shè)備參數(shù)信息，圖形文件表的ID字段能夠找到設(shè)備表中該圖形文件ID所對(duì)應(yīng)的GraphID字段，從而查詢到該圖形文件ID所包含的設(shè)備情況.

圖3 圖形化建模板塊數(shù)據(jù)表實(shí)體關(guān)系

為進(jìn)一步說明數(shù)據(jù)板塊之間及數(shù)據(jù)板塊內(nèi)部數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各數(shù)據(jù)表之間的實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示.各表之間通過圖4中箭頭指向的特定編碼建立關(guān)聯(lián)性.

圖4 一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各表之間的實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在整定系統(tǒng)中的應(yīng)用

實(shí)例系統(tǒng)中利用一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系配置了默認(rèn)的計(jì)算模型與模板，使得實(shí)際整定計(jì)算工作時(shí)，能夠結(jié)合默認(rèn)數(shù)據(jù)及各階段輸出的數(shù)據(jù)自動(dòng)開展整定計(jì)算工作.

3.1 基于圖元數(shù)據(jù)的圖形建模

利用插件技術(shù)[12]建立VG(Visual Graph)與界面層、VG與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，從而利用VG為用戶提供了基于Web瀏覽器的可視化圖形建模界面.不僅能夠給用戶提供自主繪制電氣接線圖的界面，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示電氣接線圖、故障計(jì)算結(jié)果.數(shù)據(jù)庫(kù)、VG以及界面層3者之間的關(guān)系如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)、VG插件以及界面層之間的關(guān)系

系統(tǒng)利用圖形文件特征辨識(shí)的方法還為用戶提供了電氣接線圖自動(dòng)輸出功能.圖形文件特征辨識(shí)包括圖元辨識(shí)、圖元連接關(guān)系辨識(shí)，其流程如圖6所示.

圖6 基于特征辨識(shí)的圖形建模流程

1)圖元辨識(shí)

首先對(duì)用戶上傳的電子版圖形文件進(jìn)行掃描，完成后保存圖形文件中所有的信息，包括圖形形狀、基本屬性以及文字描述等；然后根據(jù)掃描圖形文件得到的圖形形狀與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖元形狀進(jìn)行匹配，最后確定圖元類型，并記錄圖形文件中圖元總數(shù).

2)圖元連接關(guān)系辨識(shí)

圖形建模板塊定義了發(fā)電廠各類電氣設(shè)備的圖元模型，電氣設(shè)備圖元模型之間通過連接線圖元連接在一起，因此在對(duì)所有圖元完成端口編號(hào)之后，利用端口融合[13]的方法來降低端口號(hào)，從而任意兩個(gè)圖元出現(xiàn)相同的端口號(hào)，這兩個(gè)圖元便連接在一起.例如雙端口圖元W1的兩個(gè)端口號(hào)為(1，2)，圖元W2的兩個(gè)端口號(hào)為(5，6)，連接線圖元V1的端口號(hào)為(3，4)，端口融合之后W1、W2、V1的端口號(hào)分別為(1，2)、(2，3)、(2，2)，則圖元W1與圖元W2的一個(gè)端口連在一起，當(dāng)遍歷完所有連接線并進(jìn)行端口融合后，根據(jù)電氣設(shè)備的圖元端口號(hào)便可形成電氣接線圖.

3.2 基于數(shù)據(jù)匹配的故障計(jì)算

建立了儲(chǔ)存有故障計(jì)算模型的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，并在計(jì)算模型中定義了數(shù)據(jù)接口.接口內(nèi)容包括計(jì)算模型中的數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)包含的屬性、屬性所占字節(jié)等.實(shí)例計(jì)算時(shí)，通過計(jì)算模型中的數(shù)據(jù)接口與一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，從而將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中故障計(jì)算模型需要的數(shù)據(jù)與一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所對(duì)應(yīng)的實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，不僅能夠自動(dòng)完成故障計(jì)算，還提升了計(jì)算效率`.基于數(shù)據(jù)匹配的故障計(jì)算過程如圖7所示.

圖7 故障計(jì)算流程

3.3 基于模板匹配的自動(dòng)整定計(jì)算

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整定計(jì)算，必須在實(shí)際整定計(jì)算時(shí)，自動(dòng)載入整定計(jì)算需要的數(shù)據(jù)信息.根據(jù)前文所述的一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，整定計(jì)算涉及3個(gè)方面的數(shù)據(jù)，分別為保護(hù)裝置配置信息、故障計(jì)算結(jié)果以及整定計(jì)算模型中的參數(shù)、公式以及步驟.

針對(duì)繼電保護(hù)配置情況，3.1節(jié)給出了基于圖形文件辨識(shí)的全自動(dòng)圖形化建模方法，利用電氣設(shè)備圖元與繼電保護(hù)裝置之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為每類圖元均配置了默認(rèn)的繼電保護(hù)裝置模板，這樣一來，便完成了繼電保護(hù)裝置信息的自動(dòng)載入；3.2節(jié)中所述故障計(jì)算方法為整定計(jì)算階段提供了故障計(jì)算信息；針對(duì)整定計(jì)算模型，構(gòu)建了整定計(jì)算模板庫(kù)，利用一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)間的相關(guān)性建立了模板與計(jì)算模型中參數(shù)、公式以及步驟的關(guān)聯(lián)性，因此整定計(jì)算時(shí)，根據(jù)故障計(jì)算階段輸出的結(jié)果再結(jié)合繼電保護(hù)配置情況進(jìn)行模板匹配便可自動(dòng)開展整定計(jì)算，整定計(jì)算流程如圖8所示.

圖8 基于模板匹配的整定計(jì)算流程

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

根據(jù)本文所述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開發(fā)的發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算系統(tǒng)采用3層B/S架構(gòu)[14]，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL 2008，能較好地滿足大量并發(fā)訪問和大數(shù)據(jù)量?jī)?chǔ)存需求，保證了軟件在適用人員增多時(shí)的應(yīng)用可行性；業(yè)務(wù)邏輯層采用VS 2010(Visual Studio 2010)的C#開發(fā)環(huán)境.界面層利用JQuery easy UI、JavaScript等編程技術(shù)，能夠打造出功能豐富且美觀的UI界面，使系統(tǒng)功能頁(yè)面更加友好.

4.2 實(shí)際應(yīng)用

基于整定計(jì)算一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所開發(fā)的整定系統(tǒng)已應(yīng)用于某發(fā)電廠，并成功通過驗(yàn)收.系統(tǒng)的圖形化建模板塊能夠識(shí)別用戶上傳的電子版電氣接線圖，且為用戶提供了可繪制任意發(fā)電廠電氣接線圖的界面，如圖9所示.系統(tǒng)為各類電氣設(shè)備共配置了20種型號(hào)不同的繼電保護(hù)裝置，每種裝置能夠根據(jù)用戶需求選擇保護(hù)功能，且每種保護(hù)功能均配置了整定計(jì)算模板.

圖9 圖形化建模實(shí)例

實(shí)際應(yīng)用中用戶通過保護(hù)配置板塊自主選擇保護(hù)功能或選擇默認(rèn)的保護(hù)功能進(jìn)行整定計(jì)算，整定計(jì)算時(shí)采用模板匹配的方法搜尋到與該保護(hù)功能相匹配的參數(shù)、公式信息進(jìn)行整定計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)整定計(jì)算.由于一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義了每個(gè)保護(hù)功能模板詳細(xì)的參數(shù)、公式以及步驟信息，因此整定計(jì)算實(shí)例中每個(gè)步驟及其用到的參數(shù)都清晰可見，整定計(jì)算完畢后，結(jié)合保護(hù)定值與事先設(shè)計(jì)好的模板便可自動(dòng)輸出定值單與計(jì)算書.且當(dāng)系統(tǒng)提供的參數(shù)無(wú)法滿足計(jì)算需求時(shí)，用戶還可通過參數(shù)編輯功能對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，直到滿足計(jì)算需求為止，如圖10所示.

圖10 整定計(jì)算實(shí)例應(yīng)用

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算過程業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)之間具有遞進(jìn)關(guān)系的特點(diǎn)，提出一種發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).通過數(shù)據(jù)表之間特定的編碼建立了實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在某電廠實(shí)際整定計(jì)算系統(tǒng)中得以應(yīng)用.根據(jù)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立的發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算系統(tǒng)不僅能夠?qū)φㄓ?jì)算全過程涵蓋的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，解決了整定計(jì)算全過程數(shù)據(jù)信息繁雜難以管理的問題；而且對(duì)各部分?jǐn)?shù)據(jù)建立了較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，使得應(yīng)用程序能夠根據(jù)這種關(guān)聯(lián)迅速定位到系統(tǒng)為各功能模塊提供的基本計(jì)算模型以及模板數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開展整定計(jì)算工作，極大程度上提升了系統(tǒng)性能.