变电站控制与信号系统的仿真
更新：2019-04-24
（1．天津年夜学电气与自动化工程学院，天津300072；
2．香港理工年夜学机电工程系，香港）
摘要：采用图形控件绘制变电站控制与旌旗灯号系统的图纸，经由过程分析图形控件毗连关系、装备毗连关系、电气部件毗连关系，建立起通用的变电站控制与旌旗灯号系统的仿真模子。针对模子拥有年夜量的开关性电气部件和相对自力的模块等特点，采用等效节点法、模块朋分法、树梢消往法、局部调整法、散布式计较等手段，以提高其仿真的快速性。
关头词：图形控件；仿真模子；拓扑分析；散布式计较
1引言
变电站控制与旌旗灯号系统是变电站的重要组成部门，对它的仿真有着极为重要的意义。系统中各装备间的毗连关系扑朔迷离且各装备内在的机理和功能多种多样，这些身分晦气于建立仿真模子[1]。同时，系统中的电气部件很是之多，故障了仿真速度的提高。本文在C Builder情况下，建立了能够知足绘图和仿真两重需要的图形控件，以图形控件为单元绘制变电站控制与旌旗灯号系统的图纸。凭据输进的图纸，分析图形控件毗连关系、装备毗连关系和电气部件毗连关系，从而建立通用的变电站控制与旌旗灯号系统的仿真模子。斟酌到仿真模子中存在着年夜量的开关性电气部件和相对自力的模块，故采用等效节点法、模块朋分法、树梢消往法、局部调整法、散布式计较等手段来提高变电站控制与旌旗灯号系统仿真的快速性。
2仿真模子的建立
2.1图形控件
要建立变电站控制与旌旗灯号系统的仿真模子，必需提供需要的素材。本文以其图纸作为建模的根蒂根基，并以图形控件作为图纸输进的小单元。在设计图形控件时，使其知足图形显示和仿真分析的两重需要。从绘图角度把图形控件分为四年夜类，即装备类、毗连线类、焊点类和引出标志类。每类图形控件都有以下属性：
TList*GraphicList（图形列表）
TList*HotSpotList（热门列表）
TLink*HotSpotLink（热门互联信息链表）
从装备类图形控件衍生出许多子类，用它们描写各类各样的具体装备。在图形列表GraphicList中，包括若干个指向具体图形画法的指针，而具体图形画法例在图形库中给出。这样，装备类的细分与图形控件的画法无关，完全由装备内在的机理和功能所决议。
凡是，在装备类图形控件内部含有许多电气部件。本文把这些部件都描写成二端元件，且把与其它装备相连的端点称为装备引出端。电气部件的物理参数、端点间的毗连关系等信息存储在控件内部。以直流电压继电器为例，该控件要提供电压线圈的直流电阻、动作电压、返回电压、触点的类型和数目等信息。
2.2毗连关系
为使计较性能识别图形控件的毗连关系，用热门敏感区暗示图形控件能够相互毗连的区域。当某热门的敏感区域与另外一热门敏感区域订交时，认为这两热门相毗连。焊点类和引出标志类图形控件只有一个热门，它们的热门敏感区与它们的图形区域一致。装备类引出端和毗连线类的两个端点都是热门，它们的热门敏感区是以端点为中心的圆形区域。对于引出标志类图形控件，若它们的引出标志不异，则它们是互连的。
热门列表HotSpotList用于存储图形控件的热门位置。热门互联信息链表HotSpotLink拥有图形控件中每一个热门与其它热门相毗连的信息。所有图形控件的热门互联信息链表反映了图形控件的毗连关系。
由于焊点类、毗连线类和引出标志类图形控件只起到毗连装备引出真个作用，它们在装备毗连关系中其实不泛起，应作需要的合并。非装备图形控件合并成节点的具体方式是：将某焊点作为节点，从该焊点动身，依照图形控件的热门互联信息链表进行深度优先搜索[2]。若遇到装备的引出端，在此端口上标注节点编号并回溯；若遇到焊点类、毗连线类和引出标志类图形控件，则继续进行搜索。把上述方式用于所有未作搜索标识表记标帜的焊点，终形成装备毗连关系。
虽然由装备毗连关系和装备内部的电气部件毗连关系可完全肯定所有电气部件的毗连关系，但在分手的两个毗连关系中查询节点和电气部件之间的关系很不利便。事实上，本文彩用了如图1所示的结构。它由节点表、端点─节点表、节点─部件表三部门组成。节点表中包括了装备内部节点在内的所有节点。每个装备类图形控件都有一张端点─节点表，它记实着控件自身拥有的电气部件的端点和节点间的对应关系。每张节点─部件表存储着与某一节点相连的所有电气部件（包括它们的端点）。
电气部件的毗连关系和装备类图形控件中的电气特征的总和就是变电站控制与旌旗灯号系统的仿真模子。该模子的建立基于图纸，具有一定的可视性和通用性。
3仿真模子的化简
3.1等效节点法
在仿真模子中，存在着年夜量的触点、按钮等开关性电气部件。为利便地列出节点电压方程，可以把这些开关性电气部件看做为阻值变化的电阻：开关断开时电导值为零，闭应时电导值很年夜。这类等价电阻法使得与仿真模子对应的节点电压方程的形式连结不变，但因阻值的悬殊和节点矩阵的庞年夜，使得求解精度和速度在一定水平上遭到了限制。
本文中，凭据开关性电气部件的状态，建立等效的电气部件毗连关系。具体步骤以下：取与开关性电气部件联系关系的节点为肇端节点，采用深度优先法搜索，若是搜索到的开关性电气部件处于闭合状态，则继续往深度搜索，否则回溯。给搜索到的所有节点标上和肇端节点不异的编号。这类方式称为等效节点法，它削减了节点数，使求解节点电压方程的速度获得提高。
3.2模块朋分法
采用等效节点法处置完开关性电气部件后，泛起了许多不相毗连的自力模块。但某些模块的节点数依然很多，若对其直接进行计较，仿真速度仍不能知足要求。若是把与电源相关的等效节点移往，图形将分成更多的自力模块。这类方式适合于理想电压源的情况。例如，可以把图2(a)分化成图2(b)和图2(c)两个自力的模块。当采用节点电压法建立方程时，图2(a)是二阶的，而图2(b)和图2(c)各是一阶的，可以较着缩短求解节点电压所需要的时间。 把整个仿真模子的网络拓扑分化成若干个自力模块的方式称作模块朋分法。其操作步骤以下：任取一电源，标上移往标识表记标帜，以该电源的正极为肇端点，采用深度优先法搜索，遇到该电源负极后回溯，回到肇端点时竣事搜索。对搜索进程中遇到的所有电气部件注上已搜索标志。这些部件（包括移往的电源）和搜索到的所有节点组成一个自力模块。若是自力模块中含有该电源负极节点、其它电源或储能电气部件（电容和电感），则称它是有用模块，否则称为无效模块。
若是存在着未搜索过的和该电源正极节点相联系关系的电气部件，则以这些部件中的一个作为新的深度优先搜索的标的目的，获得另外一个自力的模块。对所有未搜索过的电源作一样的处置后，若是存在未搜索过的储能电气部件，则用连通性的搜索方式获得以储能电气部件为焦点的自力模块。到后还没有搜索到的电气部件的整体统称为待分模块。显然，无效模块和待分模块中的电气部件的电流和电压均为零。
3.3树梢消往法
当一个深度优先搜索回溯到肇端节点时，若是没有遇到电源或储能电气部件，该搜索路径称为无源树枝。在图3中，当K1闭合且K2断开时，由R2与R3并联后再与R5串联而成的支路就是一条无源树枝。无源树枝中的电气部件的电流电压均为零，切除有用模块中的所有无源树枝可以下降节点数，但费时过量。当某节点所联系关系的所有电气部件只联系关系着一样的两个节点，且这些电气部件没有一个是电源或储能电气部件，这样的节点称为树梢。某个树梢被切除以后，可能发生新的树梢。树梢消往法就是识别树梢，切除树梢，再识别，再切除，直到不再泛起树梢为止。在识别树梢时不需要进行搜索，且可融进到模块朋分法中往。是以，树梢消往法花费的时间很少。树梢消往法可以切除由树梢组成的无源树枝。切除图3中由R2与R3并联后再与R5串联而成的支路无源树枝的具体进程是：从电源Ｖ的正极动身作深度优先搜索，经R6和R4到b点（a点已等效于b点），再经R2到c点，经R3到b点，从b点（不是树梢）经R3回溯到c点，经R5到d点,从d点（是树梢，切除树梢）经R5回溯到c点，从c点（是树梢，切除树梢）经R2回溯到b点。从上述进程可以看出：无源树枝在模块朋分法的回溯进程中逐渐被切除。
4仿真计较
4.1节点电压方程
当有用模块包括储能电气部件时，节点电压方程中会泛起微分和积分运算。为消除微分和积分运算，对电感L和电容C做贝瑞隆等值变换[3]。
对于每一个有用模块，依照节点电压法列出以下形式的方程
[Yn][Vn]=[A][Is]-[A][Y][Vs](1)
式中[A]为降阶节点联系关系矩阵，[Yn]是节点导纳矩阵，[Y]为支路导纳矩阵，[Is]是电流源，[Vs]是电压源。当电压源的内阻为零（电导为无限年夜）时，节点导纳矩阵[Yn]和支路导纳矩阵[Y]中会泛起无限年夜项。为避免这一现象的发生，把电压源支路移到与电压源正极相联系关系的其它支路中往。这样，不仅下降了节点电压方程的阶数，而且保证了节点导纳矩阵[Yn]的主对角元素占优。
求解有用模块的节点电压方程一般只需要一次。但当有用模块中包括储能电气部件时，不单需要肯定等效电流源的初值，而且要依照等效电流源确当前值频频求解节点电压方程，直到等效电流源不发生变化或到达时间段内的计较次数为止。
4.2仿真流程
当开关性电气部件的状态发生变化时，仿真模子的化简成效变得无效。但在某一时间片断内，只是个体的开关性电气部件发生状态变化。对原本的化简成效进行局部调整和修改后，可以用于下一时间段内的仿真计较。
为到达上述目的，在等效节点法和模块朋分法中需作些准备工作。在等效节点法中，把所有与某等效节点联系关系的开关性电气部件一样存储在节点─部件表中，并在它们的端点上也标注上等效节点的编号。在模块朋分法中，将和模块相关的所有开关性电气部件保留在模块表中，包括那些与树梢相关的开关性电气部件，同时将模块的编号记实在这些开关性电气部件中。这样，当开关性电气部件的状态发生变化时，可以很容易地获取与其相关的等效节点和自力模块。
仿真计较的整体流程图如图4所示。它按时间分析变电站控制与旌旗灯号系统的动态特征。当按时到来时，首先肯定状态发生变化的开关性电气部件，并找出与其相关的等效节点和自力模块。让受影响的等效节点回到等效前状态，把受影响的自力模块合并到待分模块中往。然后，在新的待分模块中，采用等效节点法、模块朋分法和树梢消往法，分手出新的有用模块和无效模块。后，对新增的有用模块列写节点电压方程，计较电气部件的电压和电流，并分析所有装备在当前时间段内所处的状态。图4中的“处置原有储能模块”指的是：若是原有有用模块含有储能电气部件，把它们看成新增的有用模块处置，但省往方程的列写和等效电流源的初值计较。
4.3散布式计较
由于各有用模块具有相对自力性，可以由多台计较机配合承当有用模块的仿真计较使命，以进一步提高仿真速度。在散布式计较中，斟酌的问题主要是使命的分配策略和信息的交换方式。
由于有用模块的年夜小纷歧，有的还包括储能电气部件，计较量各不不异。按模块的计较量和接受者的能力进行组合优化是一种比力合理的分配方式，但这类方式使接受者在模块朋分阶段只能期待。本文彩用边朋分边分配方式，使接受者能尽早起头模块的计较工作。针对这类方式，制定了以下分配使命的原则：当有余暇的接受者时，把含有储能电气部件和节点数多的模块先分配出往；在模块朋分者未完成使命之前，不给和模块朋分者处在统一计较机上的接受者分配使命。由于计较量小的模块放在后分配，这个原则保证了每一个接受者完成后一项使命的时刻差异很小。为使余暇的接受者尽早接到使命，把未分拨的模块事前打包，并按是否含有储能电气部件和节点数的年夜小顺序排队。对于原本的含有储能电气部件的有用模块，仍由原接受者处置，省往使命细节的传送、方程的列写、等效电流源的初值计较等工作。
本文彩用Socket技术实现分配者和接受者间的数据通讯。在Socket编程方面[4]，使用C Builder提供的TServerSocket和TClicentSocket控件，选择非阻塞工作方式，用SendBuf方式发送数据,用ReceiveBuf方式接收数据。为减轻数据通讯负担，让接受者事前知道所有电气部件的有关参数，分配使命时只提供模块内电气部件的毗连关系和储能电气部件的初始状态。
5结论
本文提出的变电站控制与旌旗灯号系统的仿真模子是建立在以图形控件为基本单元的图纸之上的，具有直观性和通用性。在提高仿真速度方面，采用了等效节点法、模块朋分法、树梢消往法、局部调整法、散布式计较等手段。将其运用于变电站培训仿真系统的实践讲明：仿真模子建立简单，仿真速度知足现实需要。另外，本文还没有触及非线性部件和智能部件，仿真模子还有待进一步改良。
称谢本文获得了香港理工年夜学研究项目的资助,项目编号为：A.PD.57，在此暗示真诚的感谢!
参考文献[1]王铁红，张炳达，沈捷（WangTiehong，ZhangBingda，ShenJie）．继电庇护培训仿真系统（Thetrainingsimulationsystemforrelayprotection）．继电器（Relay）[J]，1999，27(6)：34-36．
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