一种用于一、二次设备同步开票的变电站设备建模方法

暂无

一种用于一、二次设备同步开票的变电站设备建模方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于变配电系统领域，尤其涉及一种用于变电站培训的仿真系统。\n背景技术\n[0002] 随着经济的迅猛发展，国内的电力应用达到了空前的规模，变电站数量快速增长，电压等级从500kV、220kV、110kV、66kV、35kV到10kV，接线形式、开关型号及其保护方式更是多种多样。\n[0003] 大部分按综合自动化要求设计的变电站，采用了当前最先进的自动化技术，这些现存的状况这对变电站运行人员的素质提出了更高的要求，因此必须配置仿真培训系统。\n[0004] 另外，我国变电所的主接线形式已经相当规范，例如：单母分段带旁路、双母线、双母线带旁路和3/2接线等接线形式，都是典型的接线形式，被我国变电站广泛采用，这为实现具有通用性的仿真方案奠定了良好的基础。\n[0005] 变电站是电力系统的重要组成部分，变电站的安全可靠运行对维持电力系统的稳定运行和保证供电的可靠性具有十分重要的意义。\n[0006] 电力系统归根到底是一个人工制造的系统，需要人工的参与和决策，所以需要对运行人员进行培训，增强他们对系统的了解，提高他们运行操作和事故处理的技能。\n[0007] 由于电力系统的特殊性，使得在实际运行的变电站中进行人员培训，难以在允许的时间内达到满意的效果。而脱离实际环境进行的培训，难以提高运行操作人员面对突发事故的准确反映和正确处理的能力。\n[0008] 因此，建立一个与实际变电站运行状况相同或相似的仿真环境来进行培训是十分必要的。\n[0009] 变电站仿真培训系统就是根据实际变电站的状况，运用必要的仿真技术，构建一个虚拟运行的变电站作为培训环境，通过培训人员在这个环境中进行的相关运行操作，达到培训的目的。\n[0010] “倒闸操作”是指电气设备由一种运行状态变换到另一种运行状态，或电力系统由一种运行方式转变为另一种运行方式时所进行的一系列的有序操作。它是变电站运行值班人员的一项重要工作，它关系着变电站及电力系统的安全运行，也关系着在电气设备上工作的工作人员的生命及操作人员本身的安全。因此，在很多仿真系统中均包含有“五防”(防止误分、合断路器，防止带负荷分、合隔离开关，防止带电挂(合)接地线(接地开关)，防止带接地线(接地开关)合断路器(隔离开关)，防止误入带电间隔)操作票模块。\n[0011] 操作票自动开票仿真系统有着广泛的应用前景，但是从现有系统的使用情况来看，由于二次操作比较繁杂，大多数系统对一次设备操作顺序进行自动开票推理，而对于二次设备的操作大多是采用在二次模型中单独操作生成步骤，不能达到一次性自动开票的目标，缺乏指导性和实用性。\n发明内容\n[0012] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用于一、二次设备同步开票的变电站设备建模方法，其通过对站内一、二次设备进行恰当的描述，可描述变电站的主接线方式和一、二次设备之间的关联，将其运用在操作票自动开票仿真系统中，可以开出包含一、二次操作的完整操作票。\n[0013] 本发明的技术方案是：提供一种用于一、二次设备同步开票的变电站设备建模方法，包括对站内一次设备和二次设备进行建模，其特征是：\n[0014] A、根据一次设备的电连接拓扑关系，采用端点、节点、节点类和端点类对各一次设备进行定义，将其划分为一个端点设备、二个端点设备和三个端点设备，通过节点与端点的关系表示各一次设备之间的电连接关系，如果两个设备的端点被包含在同一个节点中，则可判断出这两个设备是连接在一起的；\n[0015] B、定义一个设备类，然后根据变电站的所属设备类型将其划分为变压器类设备、母线类设备、线路类设备、开关类设备和刀闸类设备，使每个一次设备都有对应的类模型，且每个一次设备都设置有一组槽值，把描述某一对象的属性、事实填进对应的槽值，作为数据成员封装进对象类中；\n[0016] C、将二次设备以类的形式描述，将其划分为保护装置类、保护单元类和自动装置类，同样使每个二次设备都有对应的类模型，且每个二次设备都设置有一组槽值，把描述某一对象的属性、事实填进对应的槽值，作为数据成员封装进对象类中；\n[0017] D、根据各一次设备的类模型/槽值和其对应的二次设备，建立一、二次设备之间的联系，将各个一次设备与其保护装置、保护单元之间建立“一个关联多个”的相互对应联系关系；\n[0018] E、对倒闸操作任务进行归类，将每个完整的倒闸操作任务分解成多个子任务，每个子任务对应一个子规则；其子任务包括一次或二次操作，其子规则的组合顺序依据，对于一次操作按“五防”规则进行，对于二次操作按照继电保护装置和自动化装置典型操作票编写的基本原则，插入到一次操作中；\n[0019] F、根据任务类型，对应一个确定了操作子任务的顺序的模板；即选定具体操作任务后，利用CLIPS的推理功能，得到当前对象的相关一、二次设备信息，最后根据模板生成操作序列；\n[0020] G、形成并输出同时包含了一、二次操作任务/操作序列的操作票。\n[0021] 其所述的一个端点设备至少包括母线和接地刀闸，所述的二个端点设备至少包括开关、刀闸和两卷变压器，所述的三个端点设备至少包括三卷变压器。\n[0022] 进一步的，所述设备类的槽值用于存放公有属性，其中所述刀闸类、线路类、母线类、变压器类一次设备的槽值至少包括设备编号、设备类型、电压等级、设备状态和设备的端点编号；其所述开关类一次设备的槽值除包括上述内容之外，至少还再包含一个开关位置的槽值，其所述开关位置的槽值分为普通开关、旁路开关或母联开关。\n[0023] 所述二次设备所对应的槽值，对于保护装置类而言至少包括装置名称、当前定值区和包含功能；对于保护单元类而言至少包括功能号、段数、关联设备和状态；对于自动装置类而言至少包括功能号、状态和安装位置。\n[0024] 在所述的一次设备与保护装置类二次设备之间，存在“一个关联多个”的相互关联关系；在所述的保护装置类二次设备与保护单元类二次设备之间，存在“一个关联多个”的相互关联关系；在所述的保护装置类二次设备与自动装之类二次设备之间，存在“一个关联多个”的相互关联关系。\n[0025] 所述倒闸操作任务的归类至少划分为“某设备停运转检修”、“某设备停运备用”、“某设备投入运行”、“某设备恢复备用”、“某设备检修”、“某设备解除备用”、“某厂用母线由工作电源转备用电源供电”、“某厂用母线由备用电源转工作电源供电”、“某设备拉电源”和“某设备送电源”。\n[0026] 所述CLIPS的推理功能，从待操作一次设备的槽值开始，逐步搜索到的其他设备以及它们之间的关系，对可以进行的接线方式加以确定，明确每一个子任务的操作对象，再按照电力行业标准操作术语对各子规则进行描述，即可得到同时包含了一、二次操作任务/操作序列的操作票。\n[0027] 更进一步的，所述的倒闸操作任务以规则的形式存在CLIPS的知识库中，以关键字任务类型和电压等级进行区分。\n[0028] 其所述规则的基本表达方式为：\n[0029] 操作对象及状态&条件部分＝＞结论部分；\n[0030] 其条件部分主要用来匹配约束操作的电压等级、任务类型和接线方式；其结论部分则是操作步骤的列出。\n[0031] 与现有技术比较，本发明的优点是：\n[0032] 通过对相关设备建模的方法，可以方便地得到对象的相关一、二次设备信息，最后根据需要生成相应的操作步骤；因此，开出的操作票可同时包含了一、二次设备操作步骤/顺序，因此对培训新上岗人员具有较大的指导与帮助作用。\n附图说明\n[0033] 图1是本发明技术方案中节点与端点的含义示意图；\n[0034] 图2是本发明一次设备的拓扑关系原理图；\n[0035] 图3为本发明的建模方法示意框图；\n[0036] 图4为二次设备类模型示意图；\n[0037] 图5为实施例主接线示意图。\n[0038] 图中1为节点，2为端点。\n具体实施方式\n[0039] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。\n[0040] 图1中，如果把所有的一次设备按照端点2的个数分类，可分为：\n[0041] 一个端点设备：如母线、接地刀闸等；\n[0042] 二个端点设备：如开关，刀闸，两卷变压器等；\n[0043] 三个端点设备：如三卷变压器等。\n[0044] 另外，如果两个设备的端点被包含在同一个节点3中，则可判断出这两个设备是连接在一起的。\n[0045] 在本图中，左侧、中间的两个一次设备即为“两个端点设备”，而右侧的一次设备是一个“三个端点设备”。\n[0046] 变电站包括变压器、母线、断路器、隔离开关、接地刀闸、操作机构、冷却系统、电压互感器、电流互感器、电抗器、电容器、高压熔断器、站用变压器等一次设备，在本方法中，每个设备都有对应的类模型，一次设备表示的关键是体现电网的拓扑，为了方便地表示拓扑，本方法增加了节点类与端点类，其含义为：\n[0047] 端点：即每一设备与其他设备进行连接的电气端点。\n[0048] 节点：多个设备相连时形成一个节点，其包含连在一起的所有端点。\n[0049] 节点类(NODE)：存放所有包含在该节点中的端点编号。\n[0050] 端点类(TERMINAL)：存放它所属节点的编号。\n[0051] 图2中，由于设备5的端点Terminal 1与设备10的端点Terminal n包含在同一个节点Node1中，故我们可以判断：设备5与设备10在电气上是相连的。\n[0052] 图3中，本发明的技术方案，包括对站内一次设备和二次设备进行建模，其具体方法是：\n[0053] A、根据一次设备的电连接拓扑关系，采用端点、节点、节点类和端点类对各一次设备进行定义，将其划分为一个端点设备、二个端点设备和三个端点设备，通过节点与端点的关系表示各一次设备之间的电连接关系，如果两个设备的端点被包含在同一个节点中，则可判断出这两个设备是连接在一起的；\n[0054] B、定义一个设备类，然后根据变电站的所属设备类型将其划分为变压器类设备、母线类设备、线路类设备、开关类设备和刀闸类设备，使每个一次设备都有对应的类模型，且每个一次设备都设置有一组槽值，把描述某一对象的属性、事实填进对应的槽值，作为数据成员封装进对象类中；\n[0055] C、将二次设备以类的形式描述，将其划分为保护装置类、保护单元类和自动装置类，同样使每个二次设备都有对应的类模型，且每个二次设备都设置有一组槽值，把描述某一对象的属性、事实填进对应的槽值，作为数据成员封装进对象类中；\n[0056] D、根据各一次设备的类模型/槽值和其对应的二次设备，建立一、二次设备之间的联系，将各个一次设备与其保护装置、保护单元之间建立“一个关联多个”的相互对应联系关系；\n[0057] E、对倒闸操作任务进行归类，将每个完整的倒闸操作任务分解成多个子任务，每个子任务对应一个子规则；其子任务包括一次或二次操作，其子规则的组合顺序依据，对于一次操作按“五防”规则进行，对于二次操作按照继电保护装置和自动化装置典型操作票编写的基本原则，插入到一次操作中；\n[0058] F、根据任务类型，对应一个确定了操作子任务的顺序的模板；即选定具体操作任务后，利用CLIPS的推理功能，得到当前对象的相关一、二次设备信息，最后根据模板生成操作序列；\n[0059] G、形成并输出同时包含了一、二次操作任务/操作序列的操作票。\n[0060] 其所述的一个端点设备至少包括母线和接地刀闸，所述的二个端点设备至少包括开关、刀闸和两卷变压器，所述的三个端点设备至少包括三卷变压器。\n[0061] 进一步的，所述设备类的槽值用于存放公有属性，其中所述刀闸类、线路类、母线类、变压器类一次设备的槽值至少包括设备编号、设备类型、电压等级、设备状态和设备的端点编号；其所述开关类一次设备的槽值除包括上述内容之外，至少还再包含一个开关位置的槽值，其所述开关位置的槽值分为普通开关、旁路开关或母联开关。\n[0062] 所述二次设备所对应的槽值，对于保护装置类而言至少包括装置名称、当前定值区和包含功能；对于保护单元类而言至少包括功能号、段数、关联设备和状态；对于自动装置类而言至少包括功能号、状态和安装位置。\n[0063] 在所述的一次设备与保护装置类二次设备之间，存在“一个关联多个”的相互关联关系；在所述的保护装置类二次设备与保护单元类二次设备之间，存在“一个关联多个”的相互关联关系；在所述的保护装置类二次设备与自动装之类二次设备之间，存在“一个关联多个”的相互关联关系。\n[0064] 所述倒闸操作任务的归类至少划分为“某设备停运转检修”、“某设备停运备用”、“某设备投入运行”、“某设备恢复备用”、“某设备检修”、“某设备解除备用”、“某厂用母线由工作电源转备用电源供电”、“某厂用母线由备用电源转工作电源供电”、“某设备拉电源”和“某设备送电源”。\n[0065] 所述CLIPS的推理功能，从待操作一次设备的槽值开始，逐步搜索到的其他设备以及它们之间的关系，对可以进行的接线方式加以确定，明确每一个子任务的操作对象，再按照电力行业标准操作术语对各子规则进行描述，即可得到同时包含了一、二次操作任务/操作序列的操作票。\n[0066] 更进一步的，所述的倒闸操作任务以规则的形式存在CLIPS的知识库中，以关键字任务类型和电压等级进行区分。\n[0067] 其所述规则的基本表达方式为：\n[0068] 操作对象及状态&条件部分＝＞结论部分；\n[0069] 其条件部分主要用来匹配约束操作的电压等级、任务类型和接线方式；其结论部分则是操作步骤的列出。\n[0070] 由于电力系统中的设备可分为一次设备和二次设备，因此，本技术方案主要包含两个核心：一次设备建模与二次设备建模。\n[0071] 具体实施时，对于具体的电气设备，首先定义一个设备类(DEVICE)，然后根据变电站的所属设备类型派生出变压器类，母线类，线路类，开关类，刀闸类等。每个设备都有一些槽值，把描述某一对象的属性、事实填进槽值(slot)，作为数据成员封装进对象类中。\n[0072] 设备类(DEVICE)用于存放公有属性，有以下槽值：设备编号/设备类型(区分各类设备)/电压等级/设备状态/设备的端点编号(端点个数不大于3)。\n[0073] 开关类(BREAKER)，再扩展一个槽值：开关位置，分为普通开关，旁路开关，母联开关三种。\n[0074] 刀闸类(SWITCH)，不需扩展槽值。\n[0075] 线路类(LOAD)，不需扩展槽值。\n[0076] 母线类(BUS)，不需扩展槽值。\n[0077] 变压器类(TRANSFORMER)，不需扩展槽值。\n[0078] 其余一次设备，如电压互感器、电流互感器、电抗器、电容器和高压熔断器均不需扩展其他槽值，因为我们可以通过节点与端点的关系将一次设备之间的连接关系较好的表示出来。\n[0079] 电力系统中的二次设备种类繁多，包括控制设备、继电保护和自动装置、测量仪表等，因此在本技术方案中，对二次设备的建模也极为重要。\n[0080] 二次设备同样以类的形式描述：包括保护装置类，保护单元类，自动装置类。各类的槽值以及它们之间的关系如图4所示。\n[0081] 图4中，由于一次设备可能配有一到两个的保护装置；不同的一次设备可能具有相同型号的保护装置；各保护装置由若干保护单元配置而成；不同型号的保护装置之间可能具有相同功能的保护单元，故如图4中建立一、二次设备之间的联系，可将一次设备与保护装置、保护单元建立了对应联系，其中1:n表示一个关联多个，双向的箭头表示相互关联。\n[0082] 对保护装置类。描述各一次设备配置的保护装置。其槽值有：装置名称，作为区别各保护装置的关键字/当前定值区/包含的保护单元功能个数。\n[0083] 对保护单元类，描述保护屏柜上的各种保护单元硬压板等。其槽值有：功能号(m_funcNO)：用于区分不同功能的保护单元关键字/保护段数(m_num)，可能为一、二、三、四段，无段数则填0/所属保护装置名(m_device)：描述保护单元关联的一次设备名称/状态(m_state)：表示该功能是否投入使用/关联的跳闸开关编号。\n[0084] 对自动装置类，其槽值有装置名称/当前定值区/包含功能单元编号/关联的跳闸开关编号。\n[0085] 注：为了简化，可将不同的保护功能单元给定一个功能号：如：重合闸：1；双侧保护：2；电流保护：3；过负荷保护：4；零序电流保护：5；接地距离：6等。\n[0086] CLIPS是“C Language Integrated production System”的首字母缩略词，意思是C语言集成产生式系统。其基本组成为：事实库，知识库，和推理机。已广泛用于开发各类专家系统和知识处理系统。\n[0087] 使用CLIPS开发专家系统，推理机的开发工作可以省去，只需要将相关领域的知识表示出来并按照一定的形式组织起来，完成知识库的设计即可。\n[0088] 在本系统中，由于设备种类繁多，包括一次设备和二次设备，而针对不同的设备又有不同的操作规则，采用CLIPS将二者混合起来表示知识，用面向对象的表示法表示设备，用面向过程的表示法来进行操作流程控制，将具有很好的兼容性和可扩展性。\n[0089] 由于CLIPS以及其与VC++语言的嵌合均为现有技术，在此不再叙述其具体实现方法和具体过程。\n[0090] 围绕设备运行、备用、检修及停用的4种方式转换，日常的倒闸操作任务可分为(1)某设备停运转检修；(2)某设备停运备用；(3)某设备投入运行；(4)某设备恢复备用；\n(5)某设备检修；(6)某设备解除备用；(7)某厂用母线由工作电源转备用电源供电；(8)某厂用母线由备用电源转工作电源供电；(9)某设备拉电源；(10)某设备送电源。\n[0091] 一个完整的倒闸操作往往包括很多小的操作任务，因此可将一个大任务分成各子任务，每个子任务对应一个子规则。\n[0092] 子任务可能是一次或者二次操作，如开关的操作，刀闸的操作，接地刀闸或临时地线的操作，旁母充电的操作，保护的投切操作等。\n[0093] 而子规则的组合顺序依据为：(1)一次操作的规则一般是五防规则；(2)二次操作按照继电保护装置和自动化装置典型操作票编写的基本原则，插入到一次操作中。\n[0094] 实施例：\n[0095] 线路的旁路带路操作是比较复杂的一种倒闸操作，此处以220kV双母带旁路接线方式(其主接线方式如图5所示)下，专用旁路断路器210由热备用转带线路201运行的操作为例，来说明本技术方案中的开票推理过程：\n[0096] 操作前，I、II母线分别带线路断路器201，203运行，210旁路断路器在I母线上热备用。\n[0097] 母线保护：BP-2B，201线路保护：RCS-931A。\n[0098] 按照五防规则与二次设备典型操作的基本原则，线路的旁路带路操作将包括以下步骤：\n[0099] 1)读取线路所带的保护(若所带线路配有纵联保护，则停用该纵联保护)；\n[0100] 2)修改定值(若所带线路配有纵差保护，修改旁路断路器定值为被带线路定值，并投入旁路纵差保护)；\n[0101] 3)隔离开关操作(将旁路断路器改至与所带线路相同母线热备用)；\n[0102] 4)断路器操作(合上旁路断路器对旁母充电)；\n[0103] 5)断路器操作(拉开旁路断路器)；\n[0104] 6)保护操作(停用旁路断路器以及被带线路的相应零序保护)；\n[0105] 7)隔离开关操作(合上所带线路的旁母隔离开关)；\n[0106] 8)断路器操作(合上旁路断路器)；\n[0107] 9)重合闸操作(投入旁路断路器的重合闸，停用被带线路的重合闸)；\n[0108] 10)断路器操作(拉开被带线路的断路器)；\n[0109] 11)保护操作(投入旁路相应零序保护)。\n[0110] 以上十一步可视为11个子规则，成功调用以上规则的前提为：判断出电网的拓扑和二次设备配置。\n[0111] 首先如前所述，将一、二次设备建立模型，每一个电气设备、节点和端点都有了相应的描述，设备之间较好的关联，如：开关201，设备类型：1(代表开关)，设备编号：201，电压等级：220kV，直接相连的刀闸为：S2011、S2012、S2013，所带负荷为XL201，开关位置：普通开关。\n[0112] 又例如：保护装置RCS-931A，设备类型：8(代表保护装置)，设备编号：RCS-931A，所处定值区：0区，所包含的保护单元：分相电流差动、零序电流差动，距离保护一段、三段式相间距离保护和接地距离保护、零序方向过流保护。\n[0113] 再例如：零序电流差动保护单元，功能编号：PU1(protection unit)，段数为无，关联的开关为B201，状态为投入。\n[0114] 然后，从断路器201的槽值开始搜索设备关系，可以进行接线方式的确定。如表1所示，表1是由201逐步搜索到的其他设备及它们之间的关系，从而判断出双母线带旁路母线的接线方式，和每一个子任务的操作对象，再按照具体的操作术语对规则进行描述即可。\n[0115] 本发明提供了一种较好的设备建模方法，其发明思路为：将用户输入的信息和电网拓扑事实断言(assert)到CLIPS中去，由CLIPS运用规则查询知识库以完成推理，并将推理结果返回到环境中显示/输出，可以方便地得到对象的相关一二次设备信息，最后根据需要生成相应的操作步骤。因此，开出的操作票可同时包含了一、二次设备操作，因此对培训新上岗人员具有很大的指导与帮助作用，也可以用于对典型操作票的存储、修改和调用。\n[0116] 本发明可广泛用于变电站仿真培训或操作票自动开票仿真系统领域。