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電力技術

基于 Web的多級電網繼電保護自適應整定及信息管理系統

時間：2021-06-13

隨著國民經濟的發展，電力系統的規模越來越大，結構越來越復雜，繼電保護日常管理工作也日益復雜。對于地區供電公司，其所轄電網從110 kV直到10 kV，跨越多電壓等級。本文提出的結合Web的多電壓等級繼電保護整定及信息管理系統能針對多電壓等級電網進行整定和配合，實現多電壓等級電網的保護整定。另外，隨著電力系統內Internet/Intranet技術的普遍應用，越來越多的應用朝著Web的方向發展。本系統結合Web技術實現了參數和定值信息的網絡化管理，提高了管理工作的效率。
1系統總體設計
結合Web的多電壓等級電網繼電保護整定及信息管理系統是面向地區供電公司的比較完整的應用系統。它采用瀏覽器/服務器模式（B/S）。整套系統安裝在服務器上，由管理員在服務器上使用系統的各項功能，網絡用戶通過Web服務器查詢數據庫中的參數和定值信息。
系統開發采用了構件集成的設計模式［1］，以前臺的圖形界面和后臺的數據庫為基礎，按構件掛接方式連接各項功能構件。管理員通過圖形界面來觸發實現所有功能，各功能構件通過數據庫構件對數據庫進行讀取和存儲操作；網絡用戶通過Web服務器構件和數據庫構件對數據庫進行有限制的讀取操作。這種方式方便了用戶對系統各項功能的使用，同時也保證了數據的安全性和準確性。既便于開發者對系統功能的進一步改進，也易于對各構件的調試和統一管理。系統總體結構如圖1所示。
主要分如下幾部分：
1) 圖形界面構件。該構件是系統和用戶交互的界面，是一個面向對象的電網繪圖工具，提供了各種圖元的繪制、剪切、粘貼、拷貝、移動、旋轉、縮放、變色、鷹眼等功能，使用戶能方便快捷地繪制出清晰美觀、布局合理、拓撲分析正確的網圖，支持全屏幕動態縮放、屏幕漫游等功能。
2) 中試控股電力講解參數管理構件。用來讀取和存儲網圖中圖元信息、元件參數、定值信息等各種參數數據。并可以完成設備和參數信息的錄入和輸出，提供瀏覽、查找、打印和分類檢索等功能。
3) 短路電流計算構件。此構件可以模擬設置各種可能的故障類型和故障點，進行短路電流計算。能夠計算電網各處大方式、小方式和停檢方式下的三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路時的短路電流值。并能對計算結果進行存儲和以表格形式顯示、打印。
4) 整定計算構件。該構件根據所計算的短路電流和保護配置依據相應的整定原則進行開關和元件的定值的整定計算，并根據用戶選擇對定值進行保存和修改。該構件中采用自適應整定的方法，在保護的整定原則上，系統首先通過網圖分析得出的各條線路的運行狀態，再依據相應的保護整定原則向用戶推薦，使系統初步智能化；在保護的校驗上，系統在保護整定完成后可以根據用戶設置的其他運行方式和檢修運行方式對已有的保護定值進行校驗計算，并根據校驗出的靈敏度征求用戶意見，進行重新整定或維持原有定值。
5) 通知單構件。使用此構件可以進行開關和元件的繼電保護配置和整定值管理，將相應參數存放在通知單數據庫中，同時可用整定計算書的自動生成和靈活的通知單管理構件來完成最終的審核和執行過程。
6) 多級電網管理構件。針對地方供電公司多級電網的情況，將整個電網分割成相互聯系的多級網圖。該構件負責處理多級網圖的相互關系。實現多級電網間的短路計算及保護的定值和時間的配合等功能。
7) Web信息管理構件。該構件是Web信息發布和網上用戶的后臺管理程序。管理員通過該構件控制Web上發布的數據信息的種類和內容，添加、刪除網絡用戶的帳戶，設置用戶的訪問權限等。
8) Web服務器構件。該構件是服務器數據庫與網絡用戶的接口。為網絡用戶提供用戶登陸、退出及參數和定值的瀏覽、查詢和分類檢索功能。
9) 數據庫構件。這是整個系統的基礎，保存了系統所用的所有參數和定值。它的ODBC接口為系統提供參數和定值的讀取和存儲服務；ADO接口連接Web服務器構件，為其提供數據庫的查詢服務。
2系統開發及特點　　系統開發自始至終都采用軟件工程的方法規范開發中的需求分析、總體設計、詳細設計、編碼及測試等過程。使得整個系統功能完整、結構清晰、構件獨立，提高了程序質量和開發效率。在需求分析和總體設計階段采用面向對象的分析方法（OOA），利用標準建模語言UML構建系統模型。系統開發過程采用構件集成方式，提高了代碼的可維護性和復用性［1］。

代碼編制過程中采用面向對象的程序開發技術（OOP），使用Microsoft Visual C++ 6.0作為編程工具，程序可以適用于Windows9X/2000/XP操作平臺。程序編制中廣泛采用了動態內存分配及回收技術和異常處理機制及多線程技術等編程方法，使本系統具有良好的兼容性、高可靠性、較強的靈活性等優點。同時，由于采用構件集成的設計方式，各功能構件內部數據和操作具有很高的內聚性，各功能構件之間具有低耦合性，數據交換通過構件的接口進行。程序的構件化使整個系統具有較強的擴展能力，可以根據用戶需要增加或減少功能構件，以滿足用戶的不同需要

［1］。

系統以圖形界面作為前臺，它是用戶與系統之間交互的接口。在圖形界面中，可以完成系統的各項功能。圖形界面構件中的元件庫定義了多種電氣元件，可以使用戶非常方便地繪制出清晰、美觀、準確的電網圖。在每個元件繪制后，會有彈出式對話框讓用戶輸入元件的相關參數，將網圖繪制與參數輸入有機地結合起來。同時為用戶提供了元件自動定位、參數修改、網圖的縮放、鷹眼導航等功能，方便用戶的使用。圖形界面中大量采用人性化的設計，用戶既可以單擊相應菜單項，也可以直接點擊網圖中的元件來進行設備參數的查詢、修改和設備的刪除，完成短路電流計算，進行開關或元件的繼電保護整定及定值管理等各項工作。考慮到用戶使用的實際問題，在界面的設計中還加入了錯誤的預防和處理機制，提高了系統的糾錯容錯能力，以及大量的說明和提示信息，較好地避免了用戶的誤操作，大大增加了系統的穩定性和可靠性。在一些相對復雜的操作中還設計了向導頁引領用戶完成操作。界面中同時提供了良好的幫助功能，能實時地解決用戶使用中的疑問，使軟件易學易用。
后臺數據庫構件是整個系統的基礎和核心［2］。數據庫構件有兩個接口為系統服務，一個是標準的ODBC 接口，它是主程序與數據庫之間的接口；另一個是ADO接口，它是Web構件與數據庫的接口。這兩種數據庫接口都是目前常用的通用數據庫接口，這使得整個系統可以方便地移植于不同的數據庫上，同時整個系統還可以較容易地升級，應用SQL、ORACLE 等大型數據庫，以適應不同應用的需要。本系統使用的數據庫是電網各種相關參數及定值的綜合，不僅反映數據本身的內容，而且反映數據之間的聯系。數據庫采用關系型結構，在設計中應用了數據庫的設計范式進行規范化，維護數據的完整性和一致性，減少數據庫中數據的冗余［2］。中試控股電力講解數據庫中的表主要分為三大類：圖元信息表、元件參數表、繼電保護配置及定值表。在數據庫的實現中還采用了多種技術提高數據庫的安全性、數據的完整性和查詢速度，如對表設立索引、關鍵字；定義表之間相關字段的關系；對數據庫存取進行并發控制、安全性檢查、破壞完整性的約束等。總之,該數據庫結構良好、安全可靠、效率較高，完全滿足系統的需要。
各功能構件是整個系統的主體。系統各種功能的實現均以數據庫作為其數據源頭，依托于圖形界面來完成。通過圖形界面調用各功能構件，從數據庫構件獲得所需數據，根據用戶要求完成相應操作，再將結果保存在數據庫中。各功能構件之間相互獨立，所需交換的數據主要依靠數據庫進行。這種獨立結構更加有利于系統的修改和擴充。
3多級電網管理功能的實現
對于地區電力公司，其所轄電網的電壓等級一般是從110 kV一直延伸到10 kV，跨越多個電壓等級。其保護整定任務也涵蓋了這些電壓等級下的開關及設備。而目前的整定系統多是針對某一固定電壓等級電網設計的，適用性較差。本系統為了解決這個問題開發了多級電網的管理功能。
該功能構件將原本獨立的各電壓等級電網圖關聯起來，形成一個完整的網絡結構。該構件的功能由三部分構成。第一,網圖關聯設置；第二,短路電流計算中的網圖關聯操作；第三,保護整定中的網圖關聯操作。網圖關聯設置主要是供用戶設置不同網圖對應母線的關聯關系。對于多電壓等級的電網可以將電網按電壓等級劃分為規模較小的幾個電網。其中最重要的是主網架，它一般是電壓等級最高的電網。它是整個電網的核心，聯系著低電壓等級電網。在進行網圖關聯設置前，首先根據電網的主網架繪制出主網圖，并將低電壓等級電網的主母線繪制在該主網圖中。低電壓等級電網的主母線往往是主網架中變壓器的中、低壓母線。然后，再繪制電壓等級低一級的網圖，即子網圖。網圖繪制完成后，通過調用多級電網管理構件的設置關聯功能選擇不同網圖中的母線進行對應的關聯設置。短路電流計算中的網圖關聯操作是在短路電流計算時將不同網圖進行等值關聯的過程。在短路電流計算時，程序先根據用戶預先設置的關聯信息進行網圖的深度遍歷計算出關聯母線上的等值阻抗，再回溯到上級的網圖中并修改對應母線上的等值阻抗，通過遍歷計算出所有關聯母線上對應的等值阻抗，然后再進行當前網圖的短路電流計算。這樣使得在不同網圖中的短路電流計算都考慮了全網的運行情況，使結果更加準確。由于采用了遍歷、回溯的方法，使得支持多級電網沒有層數上的限制。中試控股電力講解保護整定中的網圖關聯操作是在保護整定中將保護定值和時間進行關聯的過程。在開關和元件保護整定的時候，如果用戶選擇的保護所配合的開關或元件超出了本網圖的范圍，該構件會自適應地跟據用戶設定的關聯關系在相關網圖中進行搜索，找到要配合的開關或元件提取其定值以供當前網圖中保護的定值計算和時間計算，從而使整個電網的保護定值和時間相互配合。
多級電網網圖間的關聯關系由構件保存在數據庫中，用戶可以很方便地進行查詢、添加、修改和刪除，而無須更改網圖的內容，安全方便。
4Web功能的實現
目前電力系統內的網絡構建日益成熟，更多的應用將逐漸轉向網絡。為了滿足網絡用戶的需求，本系統開發了網絡功能。考慮到網絡用戶使用本系統網絡功能的主要目的是數據查詢等簡單功能，因此系統采用瀏覽器/服務器（B/S）模式。B/S模式不需開發客戶端軟件，易于管理和維護，開發效率高，開發周期短，系統與平臺無關，特別適合以查詢信息為主的信息管理系統。網絡用戶通過Web瀏覽器訪問服務器，進行查詢等操作，這些服務請求通過數據包傳遞到服務器端，被ASP組件所捕獲、解釋并執行相應的腳本程序，通過ADO對象訪問數據庫，并返回相應的數據，這些數據同樣以數據包的形式傳回網絡用戶的瀏覽器上顯示出來［3］。為了處理服務器端特定腳本命令的程序，需要一臺安裝了腳本引擎(Scripting Engine)的服務器，如：運行于NT或Win2000上的IIS(Internet Information Server)或Win98上的PWS(Personal Web Server)。
本系統作為保護部門的服務系統，應安裝運行在供電公司局域網內的保護部門的服務器上，向整個電力局提供網絡服務。Internet用戶也可以在登陸電力局專用網絡后通過瀏覽器訪問本系統的網頁。
本系統的網絡功能主要由Web信息管理構件、Web服務器構件和數據庫構件三個部分共同實現。中試控股電力講解Web信息管理構件是Web服務的管理后臺，管理員通過該構件可以添加和刪除網絡用戶的帳戶、設置用戶的查詢權限、設置通過Web可訪問的設備參數及設備保護配置及定值、設置可供下載的保護整定通知單等。這些設置都由該構件保存在數據庫中。數據庫構件是Web服務的核心，為Web服務提供數據支持。它對Web服務器構件的數據請求進行處理和回復。Web服務構件是整個Web服務的主體，網絡用戶通過它來訪問后臺數據庫獲得所需的信息。它提供的服務有：① 網絡用戶的安全管理，包括用戶的身份驗證，用戶的權限控制，防止非相關人員獲得信息；② 電網結構圖的查看，線路及電氣設備參數的分類瀏覽和查詢，方便用戶了解運行設備的配置；③ 電網圖中各點多種故障情況下短路電流及各支路電流列表的查看，使用戶對電網運行方式有直接的了解；④ 電網圖中各開關及元件的保護配置信息和保護定值的瀏覽。用戶可以在瀏覽器上選擇設備來顯示該設備的保護配置情況和定值參數；⑤ 保護整定定值單和整定計算書的檢索、瀏覽、下載等功能。用戶可以按照保護類型、被保護設備等條件進行查詢等操作。
5結論