一款具有仿真功能的圖紙檔案軟件研制

秦先坤，夏 武，張文鵬

(南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006)

0 引 言

二次專業由于行業特殊性，對二次圖紙的要求異常嚴格。目前柳州局所轄6座變電站對圖紙管理的方法仍然采用紙質存檔，并保存一份完整的在檔案室。站內的圖紙存儲方法也一直放在變電站的存儲柜，未能及時動態更新。變電站間隔圖紙存儲有兩至三份，多份圖紙的冗雜在一起，給我們現場使用帶來了諸多的不便。隨著《南方電網電力系統繼電保護反事故措施匯編2017》的頒布，繼保人員需要對不滿足規范的二次回路進行更改，為了保持圖紙相符，需要修改大量的紙質回路。若采用常規形式的存儲柜對圖紙按照投運時期來存儲，這樣的存儲技術和管理辦法，將會給圖紙的管理、保存、修改帶來了相當大的困難。因此利用當前流行的計算機應用技術，開發一款具有仿真功能的圖紙檔案軟件尤為重要。把繁瑣，重復的圖紙收集工作，從繪制和管理粗放模式中解放出來，最大程度的保證圖紙的完整性、準確性。

1 系統設計

本軟件采用面向對象的技術，以Visual Graph Window作為開發工具，用TBL數據庫進行圖形數據的存儲及管理，具有仿真功能的圖紙檔案軟件包括繪圖工具、數據庫、仿真庫、圖紙管理四個模塊，如圖1所示。繪圖工具可以對電子化的二次圖紙進行修改，當變電站內進行技術改造后，只需在此模塊下能將圖紙繪畫好，并以線路間隔的形式存儲在數據庫文件中，這是圖紙檔案軟件的基礎[5]。圖紙管理則是對圖紙的文件分類歸檔，本軟件采用變電站、線路間隔、投運日期分類存儲，供用戶查閱。數據庫是本圖紙檔案軟件的核心，提供軟件調取信息的基礎，供用戶調取相關文件。仿真庫則是基于數據庫的仿真系統，主要負責如裝置電源、二次回路、保護定值整定等故障的模擬。

圖1 圖紙檔案軟件

1.1 繪圖工具的設計

圖紙檔案軟件應用電子化圖形編輯方式，將二次圖紙中的保護裝置、開關、錄波裝置、測控裝置、監控后臺、保信子站等圖形分解成圖元。各種圖元已經在圖庫中有了各自的定義，并對其屬性進行了描述。繪制二次圖形時，檢修人員只需調用圖庫中的相關圖元，在軟件的開放模式中進行操作，若在操作過程中圖元的定義同實際的定義有區別時，可以對其定義描述進行修改。鑒于圖庫中圖元的數量較多，我們對圖庫的圖元進行了分類，用戶調用時通過篩選不同參數加以查找。各種圖元通過自然屬性如坐標、功能、元件狀態加以區分。

1.2 數據庫的設計

數據庫是本圖紙檔案軟件的核心，提供軟件調取信息的基礎。前期對變電站的各個間隔信息分門別類的進行存儲。考慮到當前所轄變電站較多，對數據庫的設計一般采用對電子圖紙進行全覆蓋的掃描，把每一個圖元作為記錄,后期若需要進行間隔信息的修改，則需要手工進行修改。同時本軟件留有面向用戶的 Web 的服務接口，圖紙檔案軟件可與柳州局現有的4A資產管理生產系統信息共享和互訪[6]。

1.3 仿真庫的設計

本軟件能夠涵蓋線路保護及元件保護，能夠對變電站常見的故障進行模擬。正常運行時，保護裝置未進入啟動狀態。當保護裝置出現某一相電流增大時，同時該采樣值大于保護定值，保護裝置將啟動，會進入故障計算程序中。若該故障經過計算滿足跳閘，則將會發出跳閘命令。其中判別程序見圖2。

圖2 仿真庫設計

主程序的設計按照保護裝置固有的采樣頻率接收采樣程序，在采樣過程中進行模擬量的采集與濾波，本軟件采用程序濾波，將采集到模擬量通過程序濾波程序轉變為標準的正弦波。

開關量的采集、啟動判據的計算則是用來仿真軟件中的快速建模程序來判別裝置是否進入了正常狀態還是故障狀態。正常運行程序則是包含了交流電壓斷線、電流回路CT斷線、開關位置狀態不對應、變化量制動電壓形成、重合閘充電、通道檢查、準手合判別[4]。在故障時，模擬裝置則會發出告警信號。故障計算程序則是結合線路保護、元件保護進行算法計算，跳閘邏輯框圖的矩陣判別，事故故障分析及事故波形的處理匯報[7]。

本系統融合了柳州局常用的線路保護中的穩態差動、零序差動、距離保護、零序方向過流保護功能。

2 系統主要功能

2.1 圖紙編輯功能

當前變電站內二次設備回路眾多，各種回路邏輯復雜，圖形之間的連接及轉換異常復雜。因此繪圖工具的設計必須具有簡捷、快速、使用方便等特點，應用過程滿足以下條件。

(1)開發模式下用戶在圖庫中的選擇所需的圖元，若有相似的圖元，可以采用查找的方法進行篩選，而且軟件中默認圖元與二次圖紙上的元件物理屬性功能性要一致[2]。

(2)用戶能夠采用Windwos計算機中常用的拖拽、移動、放大、縮小、剪切、復制、粘貼、刪除、恢復等功能進行圖紙編輯[3]。

(3)每個元件設定相應的狀態參數，允許用戶進行設置。 本圖紙檔案管理軟件根據電流電壓回路、失靈回路、信號回路進行了相關設置。

(4)軟件提供圖形記憶功能。當用戶對圖元進行拉伸、放大、縮小、移動等功能后，可以對圖元最后狀態進行文件存儲。

2.2 仿真功能

仿真庫功能的實現基于繪圖工具及數據庫延伸出來，集成了柳州局220 kV線路保護及元件保護常用功能。同時該軟件具有二次回路缺陷的查找和定位功能[1]。本軟件在仿真庫中新加了一個模擬數字系統，提供一般典型的檔位。檢修人員在使用的過程中，通過點擊鼠標將虛擬的萬用表接入仿真回路中，可以測量任意兩點間的電位，并作出分析。同時本軟件也具有事故事件追憶功能，能夠記錄保護裝置的動作過程。當電網系統發生故障時，仿真系統中會出現一系列的邏輯圖的元件動作變位過程，變位過程及結束都在秒級時間段內完成。現在變電站模擬仿真系統不能準確記錄動作過程。本仿真功能的圖紙檔案軟件可以自動記錄并保存發生故障后二次回路的動作變位情況，可根據實際需要是否要記錄仿真軟件中的時間變化過程，將變位過程根據回放[1]。

3 軟件設計方案論證

當前變電站對圖紙的管理方法一般是將部分圖紙以掃描的形式電子化，然后通過面向web技術讓圖紙存儲在云端。當檢修人員使用的時，需通過移動網絡在云端下載。此類存儲方式存在著諸多弊端，主要體現在對圖紙的管理僅僅是將圖紙的無紙化，但實際使用時還需逐頁翻閱，圖紙使用效率低下，不夠方便快捷。另一方面圖紙的更新比較繁瑣，當對多個間隔進行保護改造或者綜自改造時需要再一次將上述圖庫進行更新。

本軟件采用面向對象的技術，在windows環境下使用，以Visual Graph Window作為軟件的開發工具，將變電站的每一個二次設備以圖元的形式進行轉化，同時還可以在圖元之間相互跳轉。當鼠標點擊圖元A時，跳轉至與相連的圖元B,見示意圖3。另一方面當變電站進行技術改造或者二次回路更改時，只需在模式選擇菜單中選擇開發模式對圖庫中的圖元進行修改。同時本裝置具有一定的仿真功能，便于檢修人員對二次設備回路的熟悉。檢修人員在圖元模擬裝置故障處給出模擬電平，保護裝置通過模擬出的高低電平判別裝置故障。

圖3 圖形跳轉示意原理圖

圖紙檔案軟件中仿真部分的設計是結合二次回路圖形自動化建模技術[1]。本方案選擇將變電站內的二次回路作為開關網絡，即為研究對象，分析回路的通斷情況，判斷故障的動作情況、系統設備和元件的物理建模，因此可以對各種擾動作出不依賴預案的正確響應。

4 應用前景

本軟件采用最新Visual Graph Window作為軟件的開發工具，系統運行更加安全可靠。系統開發效果見圖4。

圖4 圖紙管理軟件開發效果

(1)將圖紙按照變電站、電壓等級、保護間隔存儲在數據庫中進行管理，解除了常用軟件對文件的管理，圖紙的查閱更加方便。

(2)優化軟件流程設計。結合用戶實際二次圖元的數據錄入采用感應式智能入庫方法，通過掃描將各種裝置轉換圖元，減少數據的錄入量。同時將圖紙入庫流程和圖紙修改流程有效地融合在一起。圖紙入庫流程更加方便，初次使用時能夠批量導入圖庫中，而圖紙中的模式選擇流程則解決了長期圖紙修改過程中圖紙的維護流程。

(3)具備多種形式下圖紙的查詢功能。本系統結合當前實際情況，采用變電站、電壓等級、設備名稱、保護型號、圖紙種類等多個條件進行查找。由于本圖紙檔案管理軟件采用了數據庫查詢技術，大大提高了圖紙的查閱效率。

(4)軟件具有Web發布功能，應用程序通過后臺管理員轉換成標準式的執行程序[6]。用戶下載安裝后可集成在移動終端上。

(5)軟件采用B/S技術，具備良好的人機界面，操作方便。

(6)本軟件提供基于外部終端接入的服務接口，軟件可與公司現有的4A資產管理系統信息共享。

(7)本軟件建立了二次回路建模工具，并提出了快速回路計算方法，有效地解決了回路仿真建模工作量大，計算復雜的問題。

5 結束語

由于圖紙檔案軟件的繪圖工具設計和圖檔管理存儲具有很強的通用性，適用于柳州所轄的多座500 kV變電站。該軟件適用于當前主流操作系統，不僅具有下拉式菜單，也有放大、縮小、移動等諸多快捷鍵，模式選擇有開發模式也有運行模式，使得人機交互界面更加豐富多彩。另一方面繪圖工具功能比較完善，當應用人員模式選擇為開發模式時，可迅速繪制繼電保護圖紙。

圖紙管理中的數據錄入采用感應式智能入庫方法，通過掃描將各種裝置轉換圖元，減少數據的錄入量。數據庫的結構設計采用變電站、電壓等級、保護裝置、測控裝置、錄波裝置、行波測距裝置等排列，減少了數據的冗余。同時在系統上開發了應用程序的幫助系統，提供操作指南。同時該系統具有仿真功能，能夠方便檢修人員在現場熟悉相關回路及動作邏輯。

經過實踐表明，該圖紙檔案軟件的運用極大程度地保證了圖紙的完整性及正確性，提高了維護人員的工作效率，為西電東送的大通道的安全運行提供了可靠的保障。