可视化继电保护整定计算系统及方法

摘要

本发明提出了可视化继电保护整定计算系统及方法，涉及继电保护领域，根据电力用户的使用特点，研制出集多种功能为一体的可视化整定计算系统，包括人机交互接口模块、计算模块、数据管理模块和报表生成模块，完成地理接线图的绘制，由地理接线图形成网络拓扑结构，自动根据接线图完成节点编号和支路编号，调用基础数据进行短路计算；整定计算原则和公式存储在计算模块中，按整定计算原则形成待用数据，与基础数据构成系统整定计算数据，当保护定值超出所设阈值时，系统给出警示；最后，将计算结果生成报表输出。该方法中整定计算部分直接调用短路计算的结果，可以节省计算时间，每个模块的计算数据都可以单独生成报表，便于后续的分析处理。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其是涉及一种可视化继电保护 整定计算系统及方法。

背景技术

继电保护是电力生产中一项经常性工作，并且随着电网规模越来越大，结 构也日益复杂，大环、小环相互重叠，长线短线相互连接的情况比较普遍，多 样化的电网结构、多变的运行方式、多种类型不同规格的电气设备对继电保护 的不同要求、多样化的继电保护配置方案、各种不断发展的保护测量原理和构 成、多种类型、不同国家厂商所生产的继电保护装置产品，增加了整定计算的 工作量和复杂度。

（1）传统的继电保护定值的计算多为手工计算，手工计算保护定值十分 复杂，存在计算效率低、工作强度大、准确率低的问题，且保护定值不能及时 的显示给电网工作人员；

（2）随着计算机的普及和深入，开发了一些整定计算系统及方法，但是 保护定值计算系统及方法均为各厂商自主开发，电网涉及的保护类型众多，可 能需要同时使用多个定值计算系统及方法，部分报表的生成需要人工将计算结 果编制为最终文档格式，容易出现错误，且工作量大，重复性工作多。限制了 整定计算系统及方法在不同地区的推广和应用。

（3）计算机完成的整定计算存在功能单一，可视性差、通用性差、自动 化程度低、缺乏自动衔接功能的特点，可扩展性差，开发人员面临着庞大的程 序升级和维护工作。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种 可视化继电保护整定计算系统及方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种可视化继电保护整定计算 系统，其关键在于，包括：人机交互接口模块，数据管理模块，计算模块和报 表生成模块；

人机交互接口模块连接计算模块，所述人机交互接口模块用于根据电网拓 扑结构和电网继电元件参数，形成仿真模型的建模，计算模块设置电网继电参 数阈值，所述计算模块接收电网继电元件数据，发送到计算模块进行计算；

计算模块连接报表生成模块，所述计算模块用于计算短路电流值以及将计 算后的短路电流值进行整定计算，且将计算后的数据与继电参数阈值进行比 较，对超出所述阈值范围的给出提示，最终将计算结果生成报表数据，由报表 生成模块将生成的报表数据进行输出，显示给用户；

计算模块和报表生成模块分别连接数据管理模块，所述数据管理模块用于 存储计算模块预存和计算的数据，以及将报表生成模块生成的报表进行存储。

上述技术方案的有益效果为：对电力系统各种接线方式、网络拓扑及其模 型进行了分析，形成短路计算所需的数据结构、并自动形成计算所需的正序、 负序和零序网络，将短路计算和整定计算有效结合。系统及方法可视化程度高， 操作简单，计算结果清晰易读，是新一代的电力系统管理系统及方法，系统及 方法能直接用于实际的电网，减轻电力技术人员繁琐的手工劳动，节省时间， 提高效率。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述计算模块包括：短路 计算模块和整定计算模块，短路计算模块分别连接整定计算模块和报表生成模 块，所述整定计算模块连接报表生成模块；

所述短路计算模块用于计算三相短路、单相接地短路、两相短路、两相接 地短路电流，采用对电网节点与支路数字编号的方法来识别电网网络，电网原 始数据输入后，短路计算模块对节点与支路进行自动编号，然后对电网的原始 数据进行规范化处理，根据电网网络结构，得到电网网络的节点导纳矩阵，对 导纳矩阵求逆，获得节点阻抗矩阵，然后设置短路点，计算短路电流，在短路 计算中，计算电网网络对称短路时仅需形成正序网络，负序网络和零序网络， 而零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于电网网络及中性点接地状况， 是全网支路的一个子集；

所述整定计算模块以部颁整定规程为基础对继电保护的整定原则、整定公 式、灵敏度校验、动作时限和各种保护参数进行分析比较，在整定原则页生成 模块编辑生成整定原则页，所述整定原则页包括整定原则、整定公式、参数、 灵敏度校验和动作时限的文字说明，将不同厂家的保护名称和整定原则表区分 放入数据数据管理模块，整定时通过选择所选配保护继电装置的型号来使用该 型号的整定规则，进行整定公式及系数选择范围的修改。

上述技术方案的有益效果为：所述计算模块包括短路计算模块和整定计算 模块，所述计算模块通过短路计算和整定计算之后，为合理选择电气接线，选 择限制短路电路的保护措施，以及合理配置继电保护装置并整定其参数提供重 要依据，。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述人机交互接口模块包 括：

建模模块，用于对电网网络进行建模，采集全部电网网络之间的拓扑关系， 获取地理接线图，获取电网网络电气元件设备，包括线路、变压器、发电厂、 母线、电抗器、断路器的参数，导入建模模块，进行等比例的电网网络电气元 件设备的建模，建模完成后，形成电网网络的等值阻抗图，获得全部电网网络 的等值到指定的若干个节点的等值参数，将短路点、短路类型和系统运行方式， 有系统大方式和系统小方式，短路类型设置单条母线短路、多条母线短路、线 路某一点短路的相关数据存储到数据管理模块，将建模完成的电网网络参数数 据发送到计算模块。

上述技术方案的有益效果为：可绘制电力系统的地理接线图和电气接线 图，对于绘制好的接线图，能够自动识别元件之间的相互连接关系。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述短路计算模块包括： 短路网络形成模块，所述短路网络形成模块用于形成对称短路网络和不对称短 路网络，

所述计算形成的对称短路网络为正序网络，而计算不对称短路网络需要形 成正序网络、负序网络和零序网络，对于负序网络，其结构与正序网络相同， 电网网络中所有静止元件的正序、负序阻抗相同，将旋转元件的电抗以其负序 电抗代替正序电抗，即可形成负序网络，零序网络含有电网的部分元件，需要 单独识别，零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于电网网络及中性点接 地状况，是全网支路的一个子集。

上述技术方案的有益效果为：根据形成对称短路网络和不对称短路网络的 状况，根据不同情况分别处理。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述数据管理模块存储有：

建模过程中电网网络的元件数据，形成的网络拓扑数据，以及计算模块预 存和计算后的数据。

本发明还公开一种可视化继电保护整定计算方法，其关键在于，包括如下 步骤：

步骤1，建立图形的基本模型和图元结构的设计，实现图形的编辑功能， 并绘制出继电保护计量所需要的图形元件，包括电网网络的母线、输电线、变 压器、电抗器、电容器、负荷、发电站、变电站，并实现子元件的图形嵌套， 把常用的主接线变电站做成一个绘图单元，每个图形元件有其自己的属性，存 储在单元表格中，绘制电网网络的地理接线图和电气接线图，在电网网络电气 接线图上绘制各种元件的原始参数和状态参数；

步骤2，根据电网网络电气元件存放数据，数据和图形的显示特征一一对 应，在改变图形的同时，电气元件存放数据随之改变，根据需要选择电气元件 的型号的数据，对电气元件添加自定义属性，对于每个电气元件都通过相应的 类来表示，类封装有设备的参数；

步骤3，计算短路电流，所述短路电流包括三相短路、单相接地短路、两 相短路、两相接地短路电流，短路电流计算采用对电网节点与支路数字编号的 方法来识别网络，电网原始数据输入后，对节点与支路进行编号，然后对电网 的原始数据进行规范化处理，根据网络结构，得到网络的节点导纳矩阵，对导 纳矩阵求逆，获得节点阻抗矩阵，然后设置短路点，计算短路电流；

步骤4，在电网网络继电保护整定计算中，以部颁整定规程为基础，基于 类来建立整定计算模块，使整定计算模块具有很好的替换性和独立性，对保护 的整定原则、整定公式、灵敏度校验、动作时限和各种保护参数进行分析比较， 在整定原则页编辑整定原则、整定公式、参数、灵敏度校验和动作时限的文字 说明将不同电气元件的保护名称和整定原则表区分放入数据管理模块，整定时 可通过选择所配置的保护装置型号来使用该型号的整定规则，整定时，根据实 际情况进行整定公式及系数选择范围的修改；

步骤5，采用嵌套编程技术，对整定计算的结果生成报表，与应用工具整 合，创建调用格式的应用程序，输出相应格式的报表。

上述技术方案的有益效果为：上述方法，对电力系统各种接线方式、网络 拓扑及其模型进行了分析，形成短路计算所需的数据结构、并自动形成计算所 需的正序、负序和零序网络，将短路计算和整定计算有效结合。系统及方法可 视化程度高，操作简单，计算结果清晰易读，是新一代的电力系统管理系统及 方法，系统及方法能直接用于实际的电网，减轻电力技术人员繁琐的手工劳动， 节省时间，提高效率。

所述的可视化继电保护整定计算方法，优选的，所述步骤3包括：

步骤3-1，在短路计算中，包括对称短路和不对称短路，在计算电网网络 中对称短路时形成正序网络，

步骤3-2，而计算不对称短路需形成正序网络，负序网络和零序网络，而 零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于网络及中性点接地状况，是全网 支路的一个子集。

上述技术方案的有益效果为：根据形成对称短路网络和不对称短路网络的 状况，根据不同情况分别处理。

所述的可视化继电保护整定计算方法，优选的，所述步骤3-2中零序网络 包括：

步骤3-3，由短路点所在的电压等级所接的变压器中性点接地状况确定预 选零序支路；

步骤3-4，对预选零序支路进行筛选，排除非零序支路；

步骤3-5，对确定的零序支路计算零序电抗，重新记录、编号、形成零序 网络节点导纳矩阵。

上述技术方案的有益效果为：通过对不对称短路网络中零序网络的具体实 现方法的操作，实现相应的零序网络功能。

所述的可视化继电保护整定计算方法，优选的，所述步骤5包括：

步骤5-1，其中应用工具为office、AutoCAD、Internet进行整合，创建调 用格式的应用程序。

上述技术方案的有益效果为：应用工具为office、AutoCAD、Internet进行 整合，创建调用格式的应用程序，能够更快速的实现报表生成的功能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

强大的绘图功能和编辑功能，良好的人际交互界面，美观的图形效果，简 单的操作方法，完全图形建模，图形自动标注，元件参数的输入、存储以及计 算结果的显示、输出、打印都方便，减轻整定人员的劳动强度，且整定人员不 需要多强的专业技术水平，满足电力行业现实需要的意义；实现电网操作的图 形化模拟和仿真，可用于模拟、研究各种故障条件下的电力系统行为，确定支 路电网故障引起的各支路电流和母线电压的变化情况，以检查设备忍受故障的 能力，通过故障电流确定保护的动作值，进一步分析保护方案的合理性与协调 性；系统界面实现了“所见即所得”的一次接线图辅助设计环境,实现了完全图 形化的“智能、简单、有趣、实用”的操作模式。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明可视化继电保护整定计算系统的连接示意图；

图2是本发明可视化继电保护整定计算方法的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元 件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描 述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两 个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本 领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，公开一种可视化继电保护 整定计算系统和方法，采用面向对象技术和模块封装概念以及可视化编程技 术，高度集成系统及方法，并且最大限度地提高系统及方法的操作性能，零基 础用户都可方便使用。

为了实现上述目的，本发明提供了本发明提供了一种可视化继电保护整定 计算系统，其关键在于，包括：人机交互接口模块，数据管理模块，计算模块 和报表生成模块；

人机交互接口模块连接计算模块，所述人机交互接口模块用于根据电网拓 扑结构和电网继电元件参数，形成仿真模型的建模，计算模块设置电网继电参 数阈值，所述计算模块接收电网继电元件数据，发送到计算模块进行计算；

计算模块连接报表生成模块，所述计算模块用于计算短路电流值以及将计 算后的短路电流值进行整定计算，将计算后的数据与继电参数阈值进行比较， 对超出所述阈值范围给出提示报警，且将计算结果生成报表数据，由报表生成 模块将生成的报表数据进行输出，显示给用户；

计算模块和报表生成模块分别连接数据管理模块，所述数据管理模块用于 存储计算模块预存和计算的数据，以及将报表生成模块生成的报表进行存储。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述计算模块包括：短路 计算模块和整定计算模块，短路计算模块分别连接整定计算模块和报表生成模 块，所述整定计算模块连接报表生成模块；

所述短路计算模块用于计算三相短路、单相接地短路、两相短路、两相接 地短路电流，采用对电网节点与支路数字编号的方法来识别电网网络，电网原 始数据输入后，短路计算模块对节点与支路进行自动编号，然后对电网的原始 数据进行规范化处理，根据电网网络结构，得到电网网络的节点导纳矩阵，对 导纳矩阵求逆，获得节点阻抗矩阵，然后设置短路点，计算短路电流，在短路 计算中，计算电网网络对称短路时仅需形成正序网络，负序网络和零序网络， 而零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于电网网络及中性点接地状况， 是全网支路的一个子集；

所述整定计算模块以部颁整定规程为基础对继电保护的整定原则、整定公 式、灵敏度校验、动作时限和各种保护参数进行分析比较，在整定原则页生成 模块编辑生成整定原则页，所述整定原则页包括整定原则、整定公式、参数、 灵敏度校验和动作时限的文字说明，将不同厂家的保护名称和整定原则表区分 放入数据数据管理模块，整定时通过选择所选配保护继电装置的型号来使用该 型号的整定规则，进行整定公式及系数选择范围的修改。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述人机交互接口模块包 括：

建模模块，用于对电网网络进行建模，采集全部电网网络之间的拓扑关系， 获取地理接线图，获取电网网络电气元件设备，包括线路、变压器、发电厂、 母线、电抗器、断路器的参数，导入建模模块，进行等比例的电网网络电气元 件设备的建模，建模完成后，形成电网网络的等值阻抗图，获得全部电网网络 的等值到指定的若干个节点的等值参数，将短路点、短路类型和系统运行方式， 有系统大方式和系统小方式，短路类型设置单条母线短路、多条母线短路、线 路某一点短路的相关数据存储到数据管理模块，将建模完成的电网网络参数数 据发送到计算模块。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述短路计算模块包括： 短路网络形成模块，所述短路网络形成模块用于形成对称短路网络和不对称短 路网络，

所述计算形成的对称短路网络为正序网络，而计算不对称短路网络需要形 成正序网络、负序网络和零序网络，对于负序网络，其结构与正序网络相同， 电网网络中所有静止元件的正序、负序阻抗相同，将旋转元件的电抗以其负序 电抗代替正序电抗，即可形成负序网络，零序网络含有电网的部分元件，需要 单独识别，零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于电网网络及中性点接 地状况，是全网支路的一个子集。

所述的可视化继电保护整定计算系统，优选的，所述数据管理模块存储有：

建模过程中电网网络的元件数据，形成的网络拓扑数据，以及计算模块预 存和计算后的数据。

1、以Visual Studio2010为平台，采用C++编程语言，建立图形软件的基 本模型和图元结构的设计，实现图形的编辑功能，并绘制如母线、输电线、变 压器、电抗器、电容器、负荷、发电站、变电站等各种继电保护计量所需要的 图形元件，并可实现子元件的图形嵌套，即为了加快绘图速度，把常用的主接 线变电站做成一个绘图单元，通过鼠标的拖拽或单击来完成绘图。每个图形元 件有其自己的属性，存储在单元表格中，可绘制电力系统的地理接线图和电气 接线图，对于绘制好的接线图，能够自动识别元件之间的相互连接关系，可以 在电力系统接线图上通过点击鼠标,输入和浏览各种元件的原始参数和状态 参数。

2、根据电气元件类来存放数据，数据和图形的显示特征一一对应，在绘 图页面中改变图形，数据随之改变，且可根据需要选择元件的型号的数据。对 元件添加自定义属性，对于每个设备都可以通过双击鼠标或菜单命令打开对应 的属性编辑对话框来完成设备参数的输入、修改。所有设备元件都通过相应的 类来表示，类封装了设备的参数。

3、编制短路电流计算程序，包括三相短路、单相接地短路、两相短路、 两相接地短路。短路电流计算程序采用对电网节点与支路数字编号的方法来识 别网络。电网原始数据输入后，程序对节点与支路进行自动编号，然后对电网 的原始数据进行规范化处理，根据网络结构，很容易得到网络的节点导纳矩阵， 对导纳矩阵求逆，获得节点阻抗矩阵，然后设置短路点，计算短路电流。在短 路计算中，计算电网对称短路时仅需形成正序网络，而计算不对称短路时除了 需形成正序网络外，还需形成负序网络和零序网络。而零序网络由通过零序电 流的支路构成，决定于网络及中性点接地状况，是全网支路的一个子集。

4、在电力系统继电保护整定计算中,部颁整定规程是继电保护整定计算所 应遵循的基本准则，以部颁整定规程为基础,考虑不同地域整定原则的特殊部 分，形成特殊区域的整定原则，基于Visual C++语言中类的思想建立整定计算 模块，使整定计算模块具有很好的替换性和独立性，对于特殊用户,整定计算 系统及方法可以方便快捷地转化为专用的整定计算系统及方法。

对保护的整定原则、整定公式、灵敏度校验、动作时限和各种保护参数进 行分析比较。在整定原则页编辑整定原则、整定公式、参数、灵敏度校验和动 作时限的文字说明。因不同厂家生产的保护装置在整定计算中存在差别，所以 将不同厂家的保护名称和整定原则表区分放入数据库，整定时可通过选择所配 保护装置的型号来使用该型号的整定规则，整定时，可根据实际情况进行整定 公式及系数选择范围等的修改。

5、采用嵌套编程技术，对整定计算的结果生成报表，与office、AutoCAD、 Internet整合，创建调用格式的应用程序，输出相应格式的报表。

如图1所示，人机交互接口模块1的输出端分别与短路计算模块3、整定 计算模块4、报表生成模块5相连，短路电流计算模块3的输出端与整定计算 模块4的输入端相连，报表生成模块5的输入端分别与整定计算模块4的输出 端、短路计算模块3的输出端相连。

人机交互接口模块1供给用户简单实用的电力系统网络拓扑结构编辑、管 理的工具和方便快捷的图形操作手段，提供图元编辑器，用户可任意添加、修 改图元以适应实际工作的需要；数据管理模块2进行数据的多方位管理，结合 数据库技术，对各模块的计算提供辅助数据处理。整定计算模块4需要用到短 路计算模块的数据，数据的调用依赖于整定计算模块的计算程序，短路计算和 整定计算的结果可衔接到报表生成模块。

如图2所示，

1、首先对图形进行建模，了解所辖区域的各厂站及线路之间的拓扑关系， 明确地理接线图，明确电力系统一次接线设备，包括线路、变压器、发电厂、 母线、电抗器、断路器的参数，包括各阻抗（正序零序）、功率因数、最大负 荷电流、额定容量、额定电压等，以及设备所配置的保护装置。按照地理接线 图，从左往右，从上到下依次绘制厂站和元件，双击元件，可设置名称和电压 等级，额定容量等参数。

2、绘图完成后，自动形成网路等值阻抗图，获得一个地区电网等值到指 定的若干个节点的等值参数，选择短路点、短路类型和系统运行方式，有系统 大方式和系统小方式，短路类型可以设置单条母线短路、多条母线短路、线路 某一点短路。完成各项参数设置后，电点击短路计算图标，即在图形上显示出 相应的短路电流在短路计算中，计算电网对称短路时仅需形成正序网络，而计 算不对称短路时除了需形成正序网络外，还需形成负序网络和零序网络。对于 负序网络，其结构与正序网络相同，电网中所有静止元件的正序、负序阻抗相 同，仅需将旋转元件的电抗以其负序电抗代替正序电抗，即可形成负序网络。 而零序网络完全不同于正序网络，它只含有电网的部分元件，需要单独识别。 零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于网络及中性点接地状况，是全网 支路的一个子集。其形成步骤如下:

(1)由短路点所在的电压等级所接的变压器中性点接地状况确定预选零序 支路;

(2)对预选零序支路进行筛选，排除非零序支路;

(3)对确定的零序支路计算零序电抗，重新记录、编号、形成零序网络节 点导纳矩阵。

3、然后调用整定计算模块和短路电流计算结果进行定值整定计算，在整 定计算模块中，定义好的整定计算原则集中存放形成整定原则数据库，这种方 法能够使用户对整定计算系统中的电网参数、故障量等数据信息进行访问和调 用。在保护装置模板中完成好保护装置信息的录入，为每个项目指定整定计算 原则，保护装置的定值通知单模板与保护装置模板一一对应。

4、最后将短路电流的结果和整定计算的结果形成报表，计算报告文档格 式有相应的报告文档格式设置单元，按照所需要的格式对文档格式进行设置。 实现对定值单的分类管理和查询、浏览、打印等。

本发明可视化继电保护整定计算系统及方法，对电力系统各种接线方式、 网络拓扑及其模型进行了分析，形成短路计算所需的数据结构、并自动形成计 算所需的正序、负序和零序网络，将短路计算和整定计算有效结合。系统及方 法可视化程度高，操作简单，计算结果清晰易读，是新一代的电力系统管理系 统及方法，系统及方法能直接用于实际的电网，减轻电力技术人员繁琐的手工 劳动，节省时间，提高效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明 书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描 述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中 以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理 解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。