基于面向對象技術的GIS暫態計算系統的開發與應用

賈寶康，徐寶華，王增超，王立瑋

(1.山西電網公司 忻州供電公司，山西 忻州 034000;2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003;3.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

氣體絕緣變電站 (Gas Insulated Substation，GIS)憑借其較小的占地面積、可靠性高、受周圍環境影響小以及便于維護等一系列優點，在全國各地得到十分廣泛應用，在土地資源緊張的大中城市更是如此[1]。GIS相比敞開式電站具有更大的經濟效益[2]。在GIS的倒閘操作中，由于GIS內的隔離開關動作較慢，開關觸頭的多次重復擊穿會產生近百兆Hz的特快速暫態過電壓 (簡稱，VFTO)。由于VFTO對電力系統的影響突出，國內外學者對VFTO的產生機理、危害及防護措施作了大量的研究工作[3～5]。

電力系統的計算機仿真是一種高效準確經濟的研究方法。目前計算電力系統暫態過電壓的仿真軟件主要有 EMTP，EMTDC 和 NETOMAC[6]等;此類軟件專業性較強，要求使用者掌握一定的建模理論和一些電磁場相關理論。對于有豐富經驗但專業知識不強的現場工作人員來說，其使用有一定的困難。針對這一特點，本文采用面向對象技術，以C#語言編程，以微軟公司的Microsoft Visual Studio 2010軟件為平臺，研發了一種可用于計算GIS內暫態過電壓的計算系統 (GISTCS)。該系統軟件界面符合現場人員使用習慣，直接采用電氣接線圖建模，界面簡潔易懂，操作方便且計算精確。GIS-TCS的使用人員經過簡單的培訓即可熟練掌握該系統，故其實用性較高。

1 面向對象技術

面向對象技術 (Object Orient Technology，OOT)與傳統程序設計方法相比有諸多優點，如提高了軟件的重用性、靈活性和擴展性，同時程序結構更加清晰并減少了程序維護的工作量[7]。傳統的程序設計思路是把程序視為一系列函數的集合并且數據結構是相互交叉的，而面向對象技術程序設計中的對象是相互獨立而又互相調用的關系。每一個對象都能夠接受、處理數據并將數據傳達給其他對象，這一系列優點使得其在大型項目設計中被廣為采用。

面向對象技術的基本思想是:按問題領域的基本事物實現自然分割，按人們通常的思維方式建立問題領域的模型，設計盡可能直接、自然的表求解問題[8]。該技術以對象為基礎，引入類的概念，使程序結構更加規整，條理清晰，具有抽象性、封裝性、繼承性及多態性等特點。

可以將電力系統中的設備視為一個個對象，將設備的物理屬性封裝到對象中，使模型中的對象和物理設備有著一一對應關系，并且將對象之間的繼承和歸屬關系反映到實際中對應設備之間的關系。Microsoft Visual Studio 2010是微軟公司推出的一款用于開發.NET應用的集成開發環境。該環境集成多種設計開發功能，使開發人員能夠方便迅速地開發各種.NET應用程序。GIS-TCS就是以此為開發平臺，采用C#語言開發而來。C#語言具有執行速度快，面向對象程度高等一系列優點[9]。

2 軟件設計及功能實現

基于面向對象技術開發的軟件最大的特點就是圖形化，現場人員只需要通過鼠標點擊、拖動等簡單操作即可完成軟件的大部分功能的使用。本系統設計的初衷就是方便現場運行人員的使用，所以該軟件相比專業的電磁暫態計算程序EMTP，EMTDC來說，最大的特點在于:GIS-TCS根據現場人員熟悉的電站一次系統接線圖進行圖形元件建模，與他們的使用習慣相一致。用戶要對網絡接線圖進行繪制和修改，只需要對其進行移動、復制、粘貼、旋轉、刪除、縮放等快捷的圖形操作手段即可。繪圖完成后，GIS-TCS可以自動對電路節點進行編號，并自動根據編號生成節點導納矩陣，進而完成對網絡的拓撲分析。

2.1 系統界面功能設計

軟件主界面功能包括4個部分:菜單欄，各個選項主要針對元件的基本操作功能;快捷工具欄，提供了經常使用的操作功能，便于功能的快捷實現;快捷元件庫，包含建立電路圖模型所需的元件模型;狀態欄，顯示當前軟件的狀態信息。

軟件需要輸入的參數包括以下幾個方面:各個元件的參數信息、計算步長、仿真時間。計算步長的默認值為10-9s，仿真時間的默認值為10-6s。GIS主要元件的參數信息如表1所示。

表1 GIS主要元件參數表Tab.1 The Main Components Parameters of GIS

2.2 電氣元件添加設計

在圖形化系統中，圖形元件的屬性可以分為兩類:繪圖屬性和物理屬性，前者用來描述圖形信息，后者用來表示現實中設備的物理參數。對圖形操作的事件同樣分為兩類:繪圖事件和物理事件;前者用以實現圖形的編輯繪制，后者代表對現實設備的物理操作。基于此，GIS-TCS采用類似于Visual Studio平臺自帶的Lable操作，把從Lable繼承來的類MyBtn作為電力設備類的公共類。這樣電力設備元件實現了實例化，程序更加簡潔明了，提高了可讀性。

添加元件是指向電路文件中添加各種圖形元件以進行建模計算。添加之前應首先找到當前活動的窗口 (如果沒有活動的子窗體，則出現錯誤，提示用戶新建一個文件，即窗體)。在當前活動窗口中添加相應的元件，同時設置元件的初始位置、名字、背景圖片，以當前窗體的元件個數為標記來給元件命名。

2.3 元件間的連線設計

各元件均是一個對象，每個對象均有左右節點和左右點擊屬性。設計時，首先是判斷采用節點元件的哪一端，這不僅要利用像素選擇還要根據元件的Rotate旋轉屬性判斷可點擊連線區域。MyBtn類中的Rotate屬性可以記錄元件旋轉的過程，每旋轉90°對應一個數值，這樣結合Rotate的4個值和元件的端口數就可以判斷出元件的連線區域。

下面是一個判斷下方可點擊連線區域 (當鼠標置于該區域上方時變為十字交叉形狀)的代碼:

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

{

Btn.DIsBottomDown=true;

Btn.IsRightDown=true;

}

此時再點擊另一個新元件的某一端，將兩個元件的邏輯關系賦值，將兩個元件添加到一個節點對象里面，并將該節點對象賦值給這兩個元件相應的左右節點對象:

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 暫態計算實現

貝杰龍法 (Bergeron)在電力系統暫態過電壓計算中十分有效便捷且方便計算機編程實現;所以開發的GIS-TCS計算核心采用貝杰龍法編寫，其原理為:首先將分布參數電路、儲能集中參數元件L，C經特定的變換法則，用歷史電流源和電阻進行組件替換。這樣就可運用求解電阻性網絡的通用計算方法來計算網絡的暫態過程[10]。

在求解網絡暫態過程時，從計算開始時刻t0起，采用等時步長將時間離散化，這樣一系列離散的時間點就能進行計算機求解了。每一步計算時，均利用t時刻以前作為歷史記錄存好的歷史狀態。計算出這一時步的電壓和電流狀態后，記錄該狀態作為歷史值，為下一時步計算做準備[11]。圖1給出了整個計算的流程圖。

圖1 貝杰龍法計算流程圖Fig.1 Flow chart of Bergelon calculation method

3 與EMTP對比驗證

利用所開發的GIS-TCS軟件和EMTP分別對某一GIS電站進行分析，進而對比仿真結果。該電站一次系統圖如圖2所示。

圖2 電站一次系統圖Fig.2 Primary system circuit diagram of GIS

通過支線1線向全站供電，母線1有電，母線2，3無電。倒閘操作，13K2，13K1閉合后，操作斷路器13K對母線2充電，其中閉合隔離開關13K1時會產生特快速暫態過電壓，所以仿真閉合13K1時產生的暫態過程。用GIS-TCS和EMTP分別建模計算，閉合13K1，測量母線2上的暫態過電壓，兩種軟件得到的暫態電壓波形對比圖如圖3所示。

圖3 GISTCS與EMTP的仿真波形對比圖 (合閘相)Fig.3 Simulation waveform contrast of between GIS-TCS and EMTP

通過圖3對比發現，所開發的GIS-TCS的計算結果與專業的電磁暫態計算程序EMTP基本相同，驗證了該軟件系統計算的準確性。

4 結論

本文著重闡述了一種基于面向對象技術設計思想開發氣體絕緣變電站暫態計算系統 (GISTCS)的方法。本軟件以微軟公司推出的一款用于開發.NET應用的集成開發環境——Visual Studio 2010為開發平臺，實現了系統便捷的人機交互界面以及強大的圖形功能，便于現場操作人員在沒有建模專業知識的情況下操作使用。軟件以用戶熟知的一次電氣接線圖進行建模，計算核心采用主流的貝杰龍法可自動完成暫態計算。總之，開發的GIS-TCS擁有直觀實用的圖形界面功能和準確的計算分析能力，一定程度上滿足了現場工作人員的要求，有很高的應用價值。

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