繼電保護的圖形化建模

萬華艦

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002)

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繼電保護的圖形化建模

萬華艦

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002)

依據繼電保護的邏輯圖編寫程序存在不直觀、工作量大、易出錯等諸多缺點，提出了一種圖形化的繼電保護建模方法以及邏輯模塊連接關系解析算法，用于繼電保護系統的仿真建模。該方法用所開發的圖元庫畫出繼電保護的邏輯圖，并應用邏輯模塊連接關系解析算法對邏輯圖進行解析計算，得到計算結果。該算法不局限于有根樹，且考慮了繼電保護中可能存在的延時，算法簡單、效率高。將該算法用于某水電站仿真系統中，驗證了算法的有效性和實用性。該算法亦可應用于其它領域的圖形化建模。

繼電保護；邏輯圖；圖形化建模；延時；仿真

1　引言

繼電保護的邏輯程序復雜，編寫時存在以下缺點[1]：(1)開發過程費時費工；(2)重復性大；(3)準確性差；(4)開放性差。圖形化建模具有“所見即所得”的優點，可直觀地描述復雜的邏輯關系，解決上述缺點，將建模人員從繁瑣的編程中解放出來，而致力于模型開發,并使用戶容易理解和維護，有效降低出錯率，提高軟件的可靠性[2-4]。

目前繼電保護的圖像化建模中存在以下問題[5-9]：(1)將圖形作為有根樹來處理，根據深度優先、廣度優先等算法來解析，而在有些情況下，繼電保護邏輯圖中存在同為兩個不同深度的節點的子節點，即該節點無唯一確定的深度，此時樹形結構無法處理；(2)未考慮繼電保護邏輯圖中可能存在的延時；(3)算法復雜。本文提出了一種新算法，開發的圖形化建模環境不局限于樹形結構，且考慮到了延時，算法簡單、效率高。該項技術已成功地應用到某水電站仿真系統中。

2　繼電保護邏輯圖拓撲搜索算法

繼電保護邏輯圖拓撲搜索算法包括：圖元庫的開發，節點屬性的定義，節點屬性的搜索與儲存，邏輯模塊連接關系解析,算法優化。

2.1圖元庫的開發

圖形化建模中的圖形由圖元連接構成，圖元庫的開發是圖形化建模的第1步。本文選用北京圖王軟件開發有限公司的Visual Graph軟件，此軟件可在圖元之間建立拓撲連接，故可用于圖形化建模。繼電保護圖形化建模圖庫主要包括：自定義函數、邏輯運算、延時、顯示。

圖元庫的開發關鍵點如下：

(1)對于所有圖元，為便于獲取節點的拓撲連接關系，添加兩類連接腳：

①輸入連接腳，如foot_in_1，foot_in_2，foot_in_3；

②輸出連接腳，如foot_out_1，foot_out_2，foot_out_3。

(2)對于自定義函數圖元和邏輯運算圖元，為在程序中獲取圖元所代表的函數，添加屬性：函數名functionName。在邏輯運算圖元中，函數名functionName取與、或、非等邏輯運算。

(3)對于延時圖元，添加屬性：延時delayTim。

開發好的圖元庫實例化之后的圖元如圖1所示。

圖1　繼電保護圖形化建模圖元庫

圖1中左邊的黑色箭頭為輸入連接腳，右邊的黑點為輸出連接腳。

2.2節點屬性的定義

在圖形化建模中，將每個圖元抽象為一個節點。節點屬性表如表1。以類描述每個節點，每個節點的屬性如表1所示，其中childrenNum_vector和parentNum_vector分別為子節點編號和父節點編號，用于存儲節點的拓撲關系。

表1　節點屬性表

2.3 節點屬性的搜索與儲存

搜索并儲存各個節點的拓撲關系等屬性，步驟如下：

(1)對除連接線之外的所有圖元依次編號。

(2)對每個圖元，記為圖元A，根據Visual Graph中的Links函數，獲取與之相連的連接線圖元，并進而求得直線另一端的圖元B。若圖元A與連接線圖元的連接腳名字以“foot_in”開頭，則表示圖元B為圖元A的子節點，將圖元B的編號儲存于圖元A的子節點編號一維數組childrenNumber_vector中，并將圖元的輸入儲存于輸入一維數組in_vector中；若圖元A與連接線圖元的連接腳名字以“foot_out”開頭，則表示圖元B為圖元A的父節點，將圖元B的編號儲存于圖元A的父節點編號parentNumber_vector中，并將圖元的輸出儲存于輸出一維數組out_vector中。

(3)儲存圖元的函數名functionName。

(4)若為延時圖元，儲存圖元的延時delayTime；若非延時圖元，默認delayTime為0。

2.4邏輯模塊連接關系解析

為避免同一節點被搜索多次，每個節點新增兩個屬性：輸出是否已滿isProcessed_Output、輸入是否已滿isProcessed_Input，均初始化為0。

為記錄延時倒計時，每個節點新增一個屬性：延時副本delayTime_copy，初始化為節點的延時。

節點新增中間屬性如表2。

表2　節點新增中間屬性表

邏輯模塊連接關系解析算法流程圖如圖2。

2.5算法優化

因需進行拓撲關系解析，故圖形化建模計算速度較直接手工編程有所降低。為解決這一圖形化建模新引入的缺點，考慮如下方法：先運行一次，在將節點的輸出傳給父節點作為輸入及根據函數名調用計算輸出的同時，儲存該節點的編號，得到處理節點的正確的先后順序，并儲存至數據庫。軟件初始化時從數據庫中讀取節點信息及處理節點的先后順序，然后根據處理節點的先后順序依次調用節點進行計算，提高程序執行效率。

3　算例分析

以某裝置的遠方跳閘判據的邏輯的一部分為例，利用所開發的圖元庫繪制邏輯圖初始化后如圖3(a)所示，運行3s后如圖3(b)所示，運行6s后如圖3(c)所示。其中紅色表示1，綠色表示0。

圖2　邏輯模塊連接關系解析算法流程圖

圖3　繼電保護邏輯圖

因圖3中模塊“TA斷線”無明確的深度，故該圖并非有根樹，由圖3(a)、圖3(b)可知，算法可正確進行拓撲搜索并解析計算。圖3中模塊“跳閘”前存在模塊“延時”，由圖3可知，算法可正確處理延時。

為測試算法優化后對程序執行效率的影響，分別以算法優化前及優化后的程序，對圖3所示算例，將延時置0，在同一計算機和同一軟件上運行10次，記錄從運行到得到計算結果的運行耗時，列于表3。

表3　優化前后耗時對比

由表3可知，測試結果表明，算法優化后較優化前計算速度提高了約10%。

4　結束語

本文開發了繼電保護圖形化建模的圖元庫，利用該圖元庫畫出繼電保護的邏輯圖，結合本文提出的一種拓撲搜索算法，可以對邏輯圖進行拓撲搜索并解析計算，得到計算結果，使建模人員可致力于繼電保護的建模工作。通過對某水電站的實際仿真，驗證了算法的有效性。

[1]余樂.牽引供電系統圖形化繼電保護軟件開發平臺研究[D].四川:西南交通大學,2010.

[2]鐘偉,丁寧,吳參林,等.圖形化編程的繼電保護軟件設計[J].電力系統保護與控制,2011.39(3).

[3]夏成軍,謝奕,邱桂華.可視化地鐵供配電系統繼電保護整定軟件的開發[J].電力系統保護與控制,2011,39(10):116-120.

[4]李金,孫斌,張靜.繼電保護裝置可視化編程反饋回環問題研究[J].電力系統保護與控制,2013,41(21):15-19.

[5]扈華.流體網絡圖形化建模系統的研究[D].太原:太原理工大學,2008.

[6]談理.熱力系統圖形化建模軟件的開發[D].重慶:重慶大學,2003.

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Graphic Modeling for Protected Relay

WAN Hua-jian

(College of Electrical Engineering &Renewable Energy,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

Due to the fact that there are many shortcomings of not intuitionistic,high workload and error prone in programing of relay protection logic diagrams,this paper proposed a method of graphical relay modeling and analytical algorithm of the logic module connection(LMCAA),which was applied to relay protection system simulation.This method drew the logic diagrams with the developed graphic elements library,executed the analytic calculation with the LMCAA,and then obtained the results.The algorithm was not limit to rooted trees,had taken the probable delay in relay system into consideration,and was of great efficiency and easy usability.This algorithm was applied to a real hydropower station training system,which verified the effectiveness and practicability.Besides,it can be extended to the graphic modeling in other areas.

protect relay;logic diagram;graphic modeling;delay;Simulation

1004-289X(2016)01-0054-04

國家自然科學基金項目(51277110)

TM77

B

2015-07-24

萬華艦(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：水電站仿真與控制，電力系統運行與控制。