高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算軟件核心算法1引言繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)最重要的二次設(shè)備之一，它對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著極為重要的作用。因此，繼電保護(hù)整定計(jì)算是電力工程設(shè)計(jì)和電力生產(chǎn)運(yùn)行中一項(xiàng)必不可少的工作】1］。人工計(jì)算繼電保護(hù)整定值，雖然可信度較高，但計(jì)算工作十分繁雜。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高整定工作效率成了進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)人們的迫切需要。采用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言VC++6.0開(kāi)發(fā)的基于安徽電網(wǎng)的整定計(jì)算軟件在圖形建模、整定計(jì)算、故障分析和數(shù)據(jù)管理上，具有通用型，靈活性，可靠性等特點(diǎn)。計(jì)算速度快，易于維護(hù)和修改，具有可再生性是它的主要優(yōu)點(diǎn)。該軟件的使用能夠大幅度地減輕繼電保護(hù)整定計(jì)算人員的工作量，且保證了繼電保護(hù)裝置滿足靈敏性、選擇性、可靠性和安全性的要求。本文主要介紹此軟件為滿足這些要求所采用的一些核心算法。2繼電保護(hù)軟件總框圖繼電保護(hù)軟件主要由界面模塊、圖元模塊、整定計(jì)算模塊、分支系數(shù)計(jì)算模塊、故障計(jì)算模塊等部分組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。3軟件的設(shè)計(jì)思想整定計(jì)算軟件在進(jìn)行故障計(jì)算、分支系數(shù)計(jì)算時(shí)，需要處理大量的矩陣運(yùn)算。傳統(tǒng)的算法，是采用并一條負(fù)值的支路來(lái)模擬斷線，由于它是針對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，因此牽一發(fā)而動(dòng)全身，即每次都要修改整個(gè)矩陣元素。在一個(gè)大系統(tǒng)中，每次只需處理一根或兩根斷線時(shí)，此算法就顯得十分笨拙了。在實(shí)際中，繼電保護(hù)整定的習(xí)慣往往是只針對(duì)單條或兩條線路進(jìn)行整定。這就存在一個(gè)問(wèn)題：為了修改一條支路，就得對(duì)整個(gè)阻抗矩陣進(jìn)行修改，這樣作費(fèi)時(shí)和費(fèi)力。那么，有沒(méi)有一種算法，只需局部進(jìn)行修改就可以了哪？有一種簡(jiǎn)單的算法一補(bǔ)償法，它能有針對(duì)的對(duì)一兩條支路進(jìn)行修改而避免了全網(wǎng)計(jì)算。當(dāng)開(kāi)斷單條線路時(shí)，效果尤其明顯。雖然補(bǔ)償法在開(kāi)斷兩條以上的線路時(shí)，已經(jīng)變得很復(fù)雜，但根據(jù)繼電保護(hù)的習(xí)慣，補(bǔ)償法不需要修改這么多的支路。所以，此應(yīng)為最佳選擇。另外，在整定計(jì)算中，采用了面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法而擯棄了傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法。傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法也叫面向過(guò)程的開(kāi)發(fā)方法，它著眼于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能。從系統(tǒng)的輸入和輸出出發(fā)，分析系統(tǒng)要做哪些事情，進(jìn)而考慮如何做這些事情，用自頂向下逐步進(jìn)行功能分解的方式，建立系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的程序模塊結(jié)構(gòu)。但是，程序因各種各樣的原因需要經(jīng)常修改，這種修改常常涉及到許多模塊，有時(shí)因功能改變導(dǎo)致全部模塊都要變更，這樣修改工作量極大，很容易產(chǎn)生新的錯(cuò)誤，使得程序退化。面向?qū)ο蟮姆椒◤浹a(bǔ)了傳統(tǒng)算法的不足。它有一個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)就是類的應(yīng)用。類的定義充分體現(xiàn)了抽象數(shù)據(jù)類型的思想，基于類的體系結(jié)構(gòu)可以把程序的修改局部化。特別是一旦系統(tǒng)功能需要改變，主要修改類中間的某些服務(wù)，類所代表的對(duì)象基本不變，整個(gè)系統(tǒng)保持穩(wěn)定，確保系統(tǒng)不致因修改而退化。因此，用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法建立起來(lái)的軟件易于修改，與傳統(tǒng)的方法相比，程序具有更好的可靠性，可修改性，可維護(hù)性，可復(fù)用性，可適用性和可理解性。4軟件的核心算法本軟件在分支系數(shù)計(jì)算模塊和故障計(jì)算模塊中，都用到了補(bǔ)償法。下面以分支系數(shù)計(jì)算為例，來(lái)介紹此算法的應(yīng)用。4.1分支系數(shù)計(jì)算模塊的算法及數(shù)據(jù)處理4.1.1補(bǔ)償法原理簡(jiǎn)述所謂“補(bǔ)償法”，是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)支路開(kāi)斷的情況時(shí)，可以認(rèn)為該支路未被開(kāi)斷，而在其兩端節(jié)點(diǎn)處引入某一待求的電流增量或稱之為“補(bǔ)償電流”，以此來(lái)模擬支路開(kāi)斷的影響。實(shí)際上也可以認(rèn)為相當(dāng)于在應(yīng)斷開(kāi)支路兩端并聯(lián)一條阻抗值為其相反數(shù)的虛擬支路。4.1.2補(bǔ)償法的算法說(shuō)明對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)為400，支路數(shù)為800的龐大系統(tǒng)，采用一般的算法，計(jì)算速度很慢，而采用補(bǔ)償法，在全網(wǎng)斷開(kāi)支路少于3條時(shí)，運(yùn)用該算法去修改阻抗矩陣（即Z陣）快捷，方便。故在運(yùn)行方式不變，僅考慮輪切1?2條線路，雙側(cè)電源線路相繼動(dòng)作的前提下，實(shí)屬最佳選擇】6］。下面以輪斷線路時(shí)為例，說(shuō)明用補(bǔ)償法修改阻抗矩陣。設(shè)待修改的阻抗矩陣元素是Zij，修改后變?yōu)樵诔绦蛑?，為求某個(gè)分支系數(shù)或零序電流需輪斷線路時(shí)，采用式（4）可減少一些浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算。4.1.3分支系數(shù)的科學(xué)計(jì)算法及補(bǔ)償法的實(shí)現(xiàn)在已知短路點(diǎn)總電流的情況下，只要知道待求支路ij的所謂“分流系數(shù)”kij，即可求出待求支路和故障支路電流。在求分支系數(shù)時(shí)，由于短路點(diǎn)已知，只需求相鄰兩支路的故障電流之比，所以只要求兩線路的“分流系數(shù)”kij之比即可。以正序網(wǎng)為例（零序網(wǎng)類似）4.2整定計(jì)算模塊的算法及數(shù)據(jù)處理4.2.1面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法在整定計(jì)算模塊應(yīng)用說(shuō)明面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法貫穿于工程始終，在整定計(jì)算中它的運(yùn)用簡(jiǎn)化了編程，提高了效率。軟件用了類的封裝，繼承，多態(tài)等特性，模塊中的各子功能被封裝在各個(gè)類中，以成員函數(shù)的形式出現(xiàn)［4］。在整定計(jì)算模塊中，一個(gè)整定公式就是一個(gè)類的成員函數(shù)，例如在線路距離保護(hù)I段中［5］，有五條整定原則：1）按線路全長(zhǎng)的85%來(lái)整定；2）不伸出下一級(jí)變壓器其它各側(cè)；3）和相鄰上一級(jí)距離II段保護(hù)配合；4）和相鄰上一級(jí)110kV主變過(guò)流I段保護(hù)配合；5）全線速切。因此I段的成員函數(shù)主要有a、b、c、d、e和一個(gè)定值比較函數(shù)，當(dāng)用戶需按和來(lái)整定，就可在界面上選擇I段的原則，則程序調(diào)用和的函數(shù)和一個(gè)定值比較函數(shù)；調(diào)用其他整定原則以此類推。這樣，I段就有C15+C25+C35+C45+C55）=31種組合，而實(shí)際的程序只有6個(gè)。系統(tǒng)組合了幾種常用的公式，若有地區(qū)有特殊情況，公式的組合有改變，只需在文本文檔中添加進(jìn)此組合，存盤(pán)，在人機(jī)界面上就可反映出來(lái)。若需用其他公式，則由開(kāi)發(fā)者再編寫(xiě)一個(gè)此類的成員函數(shù)，別的不需更改，體現(xiàn)了類的封裝性和繼承性的優(yōu)點(diǎn)。在別的類中，當(dāng)有改變時(shí)，只要它的接口不變，整定公式類就不會(huì)受影響。4.2.2整定計(jì)算中的數(shù)據(jù)處理關(guān)于整定計(jì)算中的數(shù)據(jù)處理，主要運(yùn)用了面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中的鏈表。傳統(tǒng)做法即利用數(shù)組或順序方式來(lái)組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)利用率高，存取速度快。但是，數(shù)組的元素個(gè)數(shù)不能自由擴(kuò)充，否則就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停工。另外，在表中插入或刪除元素時(shí)，為保持其它元素的相對(duì)次序不變，平均需移動(dòng)一半元素，效率很低。而鏈表適用于插入或刪除頻繁，存儲(chǔ)空間需求不定的情況，而且，鏈表不但可以表示線性聚集，還可表示非線性聚集，如樹(shù)、圖、網(wǎng)絡(luò)等。由于各電網(wǎng)投或切一定的機(jī)組時(shí)，各元件的數(shù)目時(shí)常變化，電網(wǎng)的將來(lái)發(fā)展中也需要增加或停運(yùn)一定的機(jī)組，以及各元件屬性之間的相互聯(lián)系已成網(wǎng)絡(luò)狀聯(lián)系，因此使用鏈表為最佳選擇。此整定軟件的數(shù)據(jù)處理，主要有以下說(shuō)明：設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的系統(tǒng)參數(shù)包括母線表、發(fā)電機(jī)表、線路表、雙卷變表、三卷變表、互感線路組表等數(shù)據(jù)的信息，它們與各種網(wǎng)絡(luò)元件一一對(duì)應(yīng)。這些信息全部寫(xiě)成鏈表的形式，以全局變量的形式在程序中被使用，這就保證了數(shù)據(jù)源的唯一性，數(shù)據(jù)的可靠性，而且做到了動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，節(jié)約了系統(tǒng)資源，且使用方便。5結(jié)論綜上所述，補(bǔ)償法的計(jì)算量主要集中在開(kāi)斷線路時(shí)修正阻抗矩陣，本程序通過(guò)以下兩條來(lái)提高計(jì)算速度。(1)僅修正計(jì)算時(shí)需要用到的阻抗矩陣元素。按原始計(jì)算公式來(lái)計(jì)算需進(jìn)行大量的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，但實(shí)際上，開(kāi)斷一條線路時(shí)，需修正的元素就是進(jìn)行短路計(jì)算所用到的元素；開(kāi)斷兩條線路，或是在開(kāi)斷一條線路的基礎(chǔ)上考慮相繼動(dòng)作時(shí)，由于必須要在第一次開(kāi)斷后的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行，需修正的阻抗矩陣元素要通過(guò)原始計(jì)算公式來(lái)推知。所以，僅修正計(jì)算時(shí)需要用到的阻抗矩陣元素就可減少工作量。為從i、j看進(jìn)去的輸入阻抗。由于開(kāi)斷某一條線路時(shí)，同一行阻抗矩陣元素的補(bǔ)償電流相同，則可以減少2/3左右的浮點(diǎn)數(shù)除法。本文為階段性研究成果，尚未考慮有互感線路的情況，這將在以后的研究中考慮。參考文獻(xiàn)1賀家李，宋從炬.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理.北京：中國(guó)電力出版社，19992呂飛鵬，李華強(qiáng)，張軍文.繼電保護(hù)整定計(jì)算專家系統(tǒng)在四川電網(wǎng)的應(yīng)用.繼電器，2000，28(4)：38-40