继电保护的图形化建模

万华舰

(三峡大学电气与新能源学院，湖北　宜昌　443002)



继电保护的图形化建模

万华舰

(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002)

依据继电保护的逻辑图编写程序存在不直观、工作量大、易出错等诸多缺点，提出了一种图形化的继电保护建模方法以及逻辑模块连接关系解析算法，用于继电保护系统的仿真建模。该方法用所开发的图元库画出继电保护的逻辑图，并应用逻辑模块连接关系解析算法对逻辑图进行解析计算，得到计算结果。该算法不局限于有根树，且考虑了继电保护中可能存在的延时，算法简单、效率高。将该算法用于某水电站仿真系统中，验证了算法的有效性和实用性。该算法亦可应用于其它领域的图形化建模。

继电保护；逻辑图；图形化建模；延时；仿真

1　引言

继电保护的逻辑程序复杂，编写时存在以下缺点[1]：(1)开发过程费时费工；(2)重复性大；(3)准确性差；(4)开放性差。图形化建模具有“所见即所得”的优点，可直观地描述复杂的逻辑关系，解决上述缺点，将建模人员从繁琐的编程中解放出来，而致力于模型开发,并使用户容易理解和维护，有效降低出错率，提高软件的可靠性[2-4]。

目前继电保护的图像化建模中存在以下问题[5-9]：(1)将图形作为有根树来处理，根据深度优先、广度优先等算法来解析，而在有些情况下，继电保护逻辑图中存在同为两个不同深度的节点的子节点，即该节点无唯一确定的深度，此时树形结构无法处理；(2)未考虑继电保护逻辑图中可能存在的延时；(3)算法复杂。本文提出了一种新算法，开发的图形化建模环境不局限于树形结构，且考虑到了延时，算法简单、效率高。该项技术已成功地应用到某水电站仿真系统中。

2　继电保护逻辑图拓扑搜索算法

继电保护逻辑图拓扑搜索算法包括：图元库的开发，节点属性的定义，节点属性的搜索与储存，逻辑模块连接关系解析,算法优化。

2.1图元库的开发

图形化建模中的图形由图元连接构成，图元库的开发是图形化建模的第1步。本文选用北京图王软件开发有限公司的Visual Graph软件，此软件可在图元之间建立拓扑连接，故可用于图形化建模。继电保护图形化建模图库主要包括：自定义函数、逻辑运算、延时、显示。

图元库的开发关键点如下：

(1)对于所有图元，为便于获取节点的拓扑连接关系，添加两类连接脚：

①输入连接脚，如foot_in_1，foot_in_2，foot_in_3；

②输出连接脚，如foot_out_1，foot_out_2，foot_out_3。

(2)对于自定义函数图元和逻辑运算图元，为在程序中获取图元所代表的函数，添加属性：函数名functionName。在逻辑运算图元中，函数名functionName取与、或、非等逻辑运算。

(3)对于延时图元，添加属性：延时delayTim。

开发好的图元库实例化之后的图元如图1所示。

图1　继电保护图形化建模图元库

图1中左边的黑色箭头为输入连接脚，右边的黑点为输出连接脚。

2.2节点属性的定义

在图形化建模中，将每个图元抽象为一个节点。节点属性表如表1。以类描述每个节点，每个节点的属性如表1所示，其中childrenNum_vector和parentNum_vector分别为子节点编号和父节点编号，用于存储节点的拓扑关系。

表1　节点属性表

2.3 节点属性的搜索与储存

搜索并储存各个节点的拓扑关系等属性，步骤如下：

(1)对除连接线之外的所有图元依次编号。

(2)对每个图元，记为图元A，根据Visual Graph中的Links函数，获取与之相连的连接线图元，并进而求得直线另一端的图元B。若图元A与连接线图元的连接脚名字以“foot_in”开头，则表示图元B为图元A的子节点，将图元B的编号储存于图元A的子节点编号一维数组childrenNumber_vector中，并将图元的输入储存于输入一维数组in_vector中；若图元A与连接线图元的连接脚名字以“foot_out”开头，则表示图元B为图元A的父节点，将图元B的编号储存于图元A的父节点编号parentNumber_vector中，并将图元的输出储存于输出一维数组out_vector中。

(3)储存图元的函数名functionName。

(4)若为延时图元，储存图元的延时delayTime；若非延时图元，默认delayTime为0。

2.4逻辑模块连接关系解析

为避免同一节点被搜索多次，每个节点新增两个属性：输出是否已满isProcessed_Output、输入是否已满isProcessed_Input，均初始化为0。

为记录延时倒计时，每个节点新增一个属性：延时副本delayTime_copy，初始化为节点的延时。

节点新增中间属性如表2。

表2　节点新增中间属性表

逻辑模块连接关系解析算法流程图如图2。

2.5算法优化

因需进行拓扑关系解析，故图形化建模计算速度较直接手工编程有所降低。为解决这一图形化建模新引入的缺点，考虑如下方法：先运行一次，在将节点的输出传给父节点作为输入及根据函数名调用计算输出的同时，储存该节点的编号，得到处理节点的正确的先后顺序，并储存至数据库。软件初始化时从数据库中读取节点信息及处理节点的先后顺序，然后根据处理节点的先后顺序依次调用节点进行计算，提高程序执行效率。

3　算例分析

以某装置的远方跳闸判据的逻辑的一部分为例，利用所开发的图元库绘制逻辑图初始化后如图3(a)所示，运行3s后如图3(b)所示，运行6s后如图3(c)所示。其中红色表示1，绿色表示0。

图2　逻辑模块连接关系解析算法流程图

图3　继电保护逻辑图

因图3中模块“TA断线”无明确的深度，故该图并非有根树，由图3(a)、图3(b)可知，算法可正确进行拓扑搜索并解析计算。图3中模块“跳闸”前存在模块“延时”，由图3可知，算法可正确处理延时。

为测试算法优化后对程序执行效率的影响，分别以算法优化前及优化后的程序，对图3所示算例，将延时置0，在同一计算机和同一软件上运行10次，记录从运行到得到计算结果的运行耗时，列于表3。

表3　优化前后耗时对比

由表3可知，测试结果表明，算法优化后较优化前计算速度提高了约10%。

4　结束语

本文开发了继电保护图形化建模的图元库，利用该图元库画出继电保护的逻辑图，结合本文提出的一种拓扑搜索算法，可以对逻辑图进行拓扑搜索并解析计算，得到计算结果，使建模人员可致力于继电保护的建模工作。通过对某水电站的实际仿真，验证了算法的有效性。

[1]余乐.牵引供电系统图形化继电保护软件开发平台研究[D].四川:西南交通大学,2010.

[2]钟伟,丁宁,吴参林,等.图形化编程的继电保护软件设计[J].电力系统保护与控制,2011.39(3).

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[4]李金,孙斌,张静.继电保护装置可视化编程反馈回环问题研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(21):15-19.

[5]扈华.流体网络图形化建模系统的研究[D].太原:太原理工大学,2008.

[6]谈理.热力系统图形化建模软件的开发[D].重庆:重庆大学,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

国家自然科学基金项目(51277110)

TM77

B

2015-07-24

万华舰(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：水电站仿真与控制，电力系统运行与控制。