何 婷，鄧子夜，何飛躍

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 自動(dòng)化研究所，北京 100038）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在水電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用方面有了更高的要求。目前，電氣主接線和廠用電接線圖等水電監(jiān)控畫面的一次系統(tǒng)圖的繪制與電力元件的建模建庫(kù)是分開(kāi)完成的，即先在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立電氣元件的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用已有的固定圖形繪制電力元件，再將元件的數(shù)據(jù)與其圖形一一對(duì)應(yīng)綁定。這樣工作不僅非常繁瑣耗時(shí)，而且沒(méi)有體現(xiàn)電力接線圖的拓?fù)溥B接特點(diǎn)，并容易導(dǎo)致圖形和數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)連接出錯(cuò)。

圖模庫(kù)一體化在配電網(wǎng)電力系統(tǒng)和電廠繼電保護(hù)等領(lǐng)域已有了較多的應(yīng)用[1,2]，但是在水電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中還未廣泛應(yīng)用。為此，北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司推出的iP9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[3,4]開(kāi)發(fā)了新的繪圖包IPM，該繪圖包能夠方便地完成繪圖、編輯、瀏覽及運(yùn)行測(cè)試等功能，提供開(kāi)放性的圖元定制，采用圖模庫(kù)一體化技術(shù)，在繪圖的同時(shí)建模建庫(kù)，大大減少了工程設(shè)計(jì)的工作量，并實(shí)現(xiàn)了更多人性化功能。

1 實(shí)現(xiàn)原理

1.1 概述

IPM繪圖包作為iP9000系統(tǒng)中圖模庫(kù)一體化繪圖軟件包，全部操作完全基于人際接口，實(shí)現(xiàn)全鼠標(biāo)化，同時(shí)定義了快捷鍵操作，提供方便、靈活、快捷、直觀的應(yīng)用。繪圖包采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，電力設(shè)備圖元是以電力設(shè)備為描述對(duì)象，完成以電力設(shè)備為中心的各種量測(cè)量的顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)錄入及更改。具有遵循IEC61970 CCAPI的CIM有關(guān)電力元件的連接包，并支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛣?dòng)態(tài)著色。在測(cè)試狀態(tài)，可以立即觀測(cè)所繪制的圖形在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的情況。

圖模庫(kù)一體化的技術(shù)旨在以繪圖為先導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備建庫(kù)、建模，以廠站為單位，圖1為圖模庫(kù)一體化流程圖。先進(jìn)行畫面的繪制，然后設(shè)置設(shè)備的參數(shù)，通過(guò)繪圖軟件的檢查功能，確保接線正確性，將接線圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射到關(guān)系庫(kù)中。

圖1 圖模庫(kù)一體化流程

1.2 圖模庫(kù)一體化過(guò)程

繪圖軟件中已包含一定數(shù)量的常用電力元件模型，提供開(kāi)放式的元件定制，若已提供的電力設(shè)備圖元不能滿足本地區(qū)接線圖的繪制，可以按電力設(shè)備屬性規(guī)則制定新的電力元件，如開(kāi)關(guān)為兩個(gè)端點(diǎn)，三卷變壓器為三個(gè)端點(diǎn)等，并將電力元件保存為模型。本軟件由面向?qū)ο笳Z(yǔ)言編成，提高了軟件開(kāi)發(fā)的可維護(hù)性、靈活性和可擴(kuò)充性。先建立圖元基類，并定義圖元對(duì)象的基本操作，比如創(chuàng)建、旋轉(zhuǎn)、放縮、移動(dòng)、刪除等。再由基類繼承得出各電力元件的類，分為保護(hù)裝置、避雷器、變壓器、電抗器、電流互感器、電容器、電壓互感器、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、開(kāi)關(guān)刀閘、連接點(diǎn)、母線、線路、消弧線圈類。這些類先繼承其父類的屬性，然后再定義各自電氣特點(diǎn)的屬性。電氣設(shè)備在軟件中擺放繪制，編號(hào)命名保存后會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)建立該電氣元件相應(yīng)類別里的模型，按順序自動(dòng)生成設(shè)備ID，并按照設(shè)備的接線端子數(shù)生成設(shè)備端子ID和連接端ID，有幾個(gè)端子就生成幾個(gè)端子ID和連接端ID（例如：水電機(jī)1個(gè)端子，開(kāi)關(guān)刀閘2個(gè)端子，三卷變3個(gè)端子，母線看作無(wú)數(shù)個(gè)端子等），為了區(qū)別端子ID和連接端ID，連接端ID為負(fù)。將電氣元件用連接線連接，連接線會(huì)生成連接線ID，當(dāng)連接成功后，連接線便有“連接”的屬性，該屬性顯示連接線連接的兩個(gè)接線端ID，若為T型連接線，則該連接線的一端連接顯示另一條與之相連的連接線ID。通過(guò)這樣的設(shè)置，就能清晰地將整個(gè)電氣接線圖轉(zhuǎn)化為數(shù)字連接結(jié)構(gòu)來(lái)做分析。

另外，通過(guò)設(shè)備參數(shù)設(shè)置不僅能夠給電氣設(shè)備設(shè)置編號(hào)和名稱，還能對(duì)電壓、設(shè)備類型等電氣屬性進(jìn)行設(shè)置，并把這些參數(shù)存入相應(yīng)類別中的參數(shù)表中；可以通過(guò)端子量測(cè)標(biāo)注對(duì)設(shè)備的電流、電壓、有功、無(wú)功等各種電氣模擬量進(jìn)行標(biāo)注，顯示在畫面上。通過(guò)SCADA映射功能完成參數(shù)映射，映射SCADA代碼，檢查命名規(guī)則，計(jì)算旁路關(guān)系，生成各具有命名規(guī)則的設(shè)備參數(shù)表和遙測(cè)點(diǎn)、遙信點(diǎn)，并建立開(kāi)關(guān)關(guān)系，直接在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立與畫面相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。圖2為量測(cè)映射基本過(guò)程。

圖2 量測(cè)映射基本過(guò)程

IPM繪圖軟件對(duì)電氣接線圖提供多方面檢查：通過(guò)檢查可能無(wú)效的小圖元，可去除圖元尺寸小于資源文件中指定的小圖元尺寸；通過(guò)建廠廠站數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)的冗余性，可檢查此廠站的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)備參數(shù)在當(dāng)前圖形中是否存在，即檢查無(wú)圖設(shè)備；通過(guò)檢查本圖的設(shè)備參數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)的一致性，可檢查圖形中的設(shè)備在數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在，即檢查無(wú)庫(kù)設(shè)備；通過(guò)檢查設(shè)備連接關(guān)系，可找出為零或參數(shù)重復(fù)的圖元，并生成線路及與線路相關(guān)的圖元的連接關(guān)系；最后通過(guò)保存設(shè)備連接關(guān)系來(lái)構(gòu)成整個(gè)電路的模型。通過(guò)這些功能，確保各電氣設(shè)備參數(shù)和連接的正確性，為后面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)處理功能提供完整正確的參數(shù)。

水電廠的主接線圖，一般是由多個(gè)孤島電源點(diǎn)（根節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成輻射狀的網(wǎng)絡(luò)，通常用樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示輻射狀的特點(diǎn)。樹(shù)結(jié)構(gòu)從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，向外層節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展。接線圖的結(jié)構(gòu)分析是將物理設(shè)備連接點(diǎn)轉(zhuǎn)化為拓?fù)溥B接點(diǎn)。如果從一個(gè)頂點(diǎn)開(kāi)始，用堆棧的方法，搜索一條路徑，直到頂點(diǎn)是斷開(kāi)的，沒(méi)有相鄰的連接點(diǎn)，再退回看上一個(gè)頂點(diǎn)是否有相鄰的連接點(diǎn)，尋找新的支路，如此直到所有相連的路徑都被訪問(wèn)過(guò)。再?gòu)囊粋€(gè)新的沒(méi)有相連的點(diǎn)開(kāi)始，直到所有的點(diǎn)被訪問(wèn)過(guò)[5]。以此深度優(yōu)先遍歷的方法來(lái)分析整個(gè)電路的拓?fù)淝闆r。根據(jù)實(shí)時(shí)掃查各遙信點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化，通過(guò)拓?fù)浞治龊徒泳€分析，對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓?fù)渲?，并分析設(shè)備的拓?fù)錉顟B(tài)。

2 應(yīng)用

2.1 動(dòng)態(tài)著色效果

通過(guò)圖模庫(kù)一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)著色，在值班員界面上可以清晰地看到各電氣設(shè)備是否帶電。為了顯示效果，簡(jiǎn)單地搭建了一臺(tái)水電機(jī)為電源點(diǎn)的接線圖，在測(cè)試狀態(tài)下模擬圖中幾個(gè)開(kāi)關(guān)和刀閘閉合的情況，如圖3。

圖3 電氣接線圖動(dòng)態(tài)拓?fù)渲?/p>

從圖3中可以看到由斷開(kāi)的刀閘將電源和設(shè)備隔離開(kāi)的電氣設(shè)備為掉電狀態(tài)，圖中設(shè)置為綠色（即1，2，5，6），由閉合的開(kāi)關(guān)和刀閘連接到電源的設(shè)備顯示該設(shè)備對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的顏色，表示帶電狀態(tài)。開(kāi)關(guān)刀閘的狀態(tài)由其對(duì)應(yīng)遙信點(diǎn)接收的狀態(tài)實(shí)時(shí)決定，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迅速響應(yīng)開(kāi)關(guān)刀閘的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)著色。

另外，在值班員界面上，可以直接右鍵點(diǎn)擊查看各設(shè)備的設(shè)備參數(shù)和拓?fù)湫畔ⅲ瑘D4為水電機(jī)的設(shè)備參數(shù)和拓?fù)湫畔?，包括代碼、描述、帶電情況、故障情況、設(shè)備ID、各種基本屬性和發(fā)電機(jī)相關(guān)的專有屬性。

圖4 水電機(jī)的拓?fù)湫畔⒑驮O(shè)備參數(shù)查看

2.2 圖模庫(kù)一體化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)iP9000中引入圖模庫(kù)一體化技術(shù)使得水電監(jiān)控工程有了技術(shù)上的進(jìn)步，并帶來(lái)了高效、便捷及更高的可靠性，有如下突出優(yōu)勢(shì)：

水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)人員可以直接按照設(shè)計(jì)院提供的電氣接線圖進(jìn)行監(jiān)控畫面的繪制，在此過(guò)程中設(shè)定設(shè)備代碼和相關(guān)聯(lián)的遙測(cè)參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)把元件的屬性添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中，不再是以往分別繪圖和制作數(shù)據(jù)庫(kù)的繁瑣工作，減少重復(fù)機(jī)械的工作，方便快捷。

繪圖軟件提供的各種檢查功能以及圖模庫(kù)一體化技術(shù)使得工程設(shè)計(jì)的出錯(cuò)率大大減小，為后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試奠定良好的基礎(chǔ)，更安全可靠。

動(dòng)態(tài)著色的實(shí)現(xiàn)不僅減少了工程設(shè)計(jì)人員為提高畫面的豐富性繪制動(dòng)態(tài)潮流圖元的工作量，也使得電廠值班人員能夠更直觀、清晰、準(zhǔn)確地監(jiān)視電站各設(shè)備的帶電狀態(tài)。

值班員界面的人性化查詢可供值班員隨時(shí)查詢各設(shè)備的狀態(tài)，不用再單獨(dú)到數(shù)據(jù)庫(kù)中查找設(shè)備和點(diǎn)參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了iP9000水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的圖模庫(kù)一體化的技術(shù)和應(yīng)用，詳細(xì)說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，展示了電氣接線圖動(dòng)態(tài)著色的效果，并從工程設(shè)計(jì)人員和電廠值班人員的角度闡述了圖模庫(kù)一體化給水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控工程帶來(lái)的多種優(yōu)勢(shì)，也推進(jìn)了水電監(jiān)控事業(yè)的發(fā)展。