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摘 要：探讨了继电保护信息管理系统图形化平台的实现，分析了继电保护图形平台的一、二次图纸、数据结构、拓扑辨识等核心问题。根据对继电保护图形平台的特点分析提出了基于继电保护图元的设计方法以及图形与数据的智能关联思想，并依此对继电保护图纸进行模块分解、定义和存储。根据实际系统的功能需求分析，将继电保护图纸分解为互相关联的模块序列。据此设计图形化平台可以实现图文技术资料综合管理、继电保护动作图纸仿真和其它相关的附加功能。开发的广东沙角发电厂C厂和广州变电管理所继电保护信息管理系统在实际工作中有效地发挥了作用，验证了本文思想和算法的正确性。
关键词： 电力系统；继电保护；图形化平台；网络拓扑
1引言
电力系统继电保护信息管理是保证电力系统安全运行的重要基础工作，包括继电保护图纸、定值单、备品备件台账、保护定检记录、保护动作正确率统计等方面。随着计算机技术在电力系统应用的深入和普及，继电保护信息管理的许多工作都已使用计算机和网络进行处理，如继电保护整定计算程序、AutoCAD绘制保护图纸、保护定值的数据库管理等。然而，由于缺乏统一规划，以上各项工作往往是分散独立实现的，各功能模块的数据格式和操作平台互不支持，从而造成了继电保护信息管理工作的混乱。由于设备更新和接线变更而造成同一个系统的图纸、文件不一致，给安全生产带来隐患。
由于继电保护专业的复杂性、权威性和对电力系统安全的特别重要性，有必要对继电保护信息管理的各方面工作进行统一规划，建立基于统一平台的继电保护信息管理系统。而其中的重点难点是继电保护图纸的管理。为此，本文提出了一种基于继电保护图纸的继电保护信息管理的图形化平台，利用图形化的方法把继电保护各环节的复杂逻辑和大量信息直观形象地用图文并茂的形式表达出来。同时，利用继电保护图纸作为纽带，将继电保护信息管理的其它工作有机地联系起来，设计了统一的数据和图纸规范，实现信息共享。另一方面，这一平台又要有足够的通用性和可扩展性，可以方便地挂接各种继电保护信息管理模块，可以在MIS系统上运行，可以方便用户进行维护和自行扩展。
本文对继电保护信息管理的图形化设计模式和具体方法进行了回顾和总结，并分析了继电保护信息管理图形化平台设计的特点，提出了新的思路。
2 继电保护信息管理图形平台设计的特点分析
继电保护紧紧联系着电力系统一次和二次系统。由于继电保护信息管理工作各功能要求的差异性，图形平台设计除了遵循一般系统设计的规律之外，还必须要适应由此而来的一些个性需求。与用于电力系统辅助计算的一次系统的图形化平台相比，这种差异性所带来的设计和实现的难度要大很多。下面就继电保护图形平台设计中要考虑的一些特点进行分析。
2.1继电保护的模块化配置及其逻辑约束
现代电力系统的继电保护种类繁多，但是他们能在一起协同工作的关键是他们遵循了模块化的设计。比如同一个电流保护，可能包含速断、延时速断、过负荷三段，它们的保护范围有重叠也有不同，但是依据保护定值和动作延时就可以使它们各负其责，互相配合补全。不同保护之间也有逻辑上的约束，比如某些保护在某些时候要被自动闭锁，某些时候又要解锁。继电保护系统的这种关联关系实质是其信息管理的核心，也是联系各项管理工作模块的一条主线。因此，图形平台设计应充分体现这一特点。
2.2电气联系的强关联和图纸表示的弱关联
继电保护涉及的二次系统与一次系统之间有着电气上的关联（且称之为“强关联”），但是在工程图纸中，经常出现一次图和二次图是分开表示的情况（且称之为“弱关联”）。“一次设备——继电器——二次触点——保护出口——断路器”在电气上紧密相关，但是图纸上却只有依靠图纸的标注才可以让人们辨识它们之间的关联关系，需要深厚的专业知识和对系统的深入了解才能很好地理解这些图纸。另外，继电保护二次图既庞大又复杂，对现场人员的技术素质要求很高。二次图之间的这种强关联和弱关联也很常见，如交流回路中的启动继电器与直流回路中的辅助触点之间的关联关系等。许多现场人员看不懂二次图，这主要是因为继电保护动作具有一系列的逻辑闭锁和连锁反应。因此，继电保护图形平台应提供联系这些一二次图纸及其各个元件的索引，为现场人员浏览和阅读图纸提供帮助。
2.3继电保护二次图纸的不规范
继电保护信息管理图形平台应提供应用于各工作模块的基本信息，包括：元件的拓扑关系、主从隶属关系、时序动作逻辑关系等。与用于电力系统辅助分析的一次主接线系统图不同，继电保护图纸量大面广，制作的时间跨度可能很大，也涉及很多部门，图纸格式和存储介质也不尽一致，等等。所有这些给基于继电保护图纸的信息提取带来很大困难，因此图形平台设计应充分考虑继电保护图纸的以下不规范性。
1) 继电保护的图纸经常不是一张严格意义的拓扑图，通常只是原理示意图。比如拓扑上的同一个节点，为了布图和人们理解的方便，却经常分开在不同的图纸或者在一个图纸的不同地方表示。因此，不如一次系统图那样可方便地获得拓扑连接关系。
2) 图纸与图纸之间不连续，原本有直接联系的元件因为图纸空间限制，不得不人为地分开画在不同的图纸上，整个图纸系统关联是依靠各种符号和标记。
3) 图纸格式不统一，信息不全甚至有错误，很多图纸信息需要在后台数据库进行手工修正，如何自动辨识错误信息以及不遗漏每个元件是图形平台设计需应对的难题。
4) 由于历史原因以及继电保护管理的特殊性要求，有些图纸和文件必须以原始形式扫描的方式存储，以保证其权威性。图形平台应支持这种图纸的输入方式，并实施有效的管理。
2.4继电保护图纸的粒度差异
对于继电保护信息管理，有的模块可能只需要基于图纸的各种管理功能，那么我们称其分辨粒度是图纸。而有的模块却可能需要分辨粒度是图元，比如要求实现继电器的相关参数的在图查询。这就要求图形平台针对不同的情况应用不同的解决方案。如此才能最大限度利用现有资源，开发出适用的系统。
3 继电保护信息管理图形化平台的图形和数据关联
应该明确的是继电保护信息管理系统应用对象是广大的继电保护工作人员，因此客户端平台应该主要是流行而易用的Windows系列操作系统。利用Windows环境，设计开发一个继电保护图形化系统，现在有很多种可选的开发工具。对于用户界面设计来说，快速的可视化开发工具如VB、Delphi，以及同样可视化但是程序执行效率较高的如VC＋＋；对于联网数据库的设计，可以选用可视化的通用关系型数据库如Oracle、SQL Server、Sybase；对于网页设计，可以选用各种Html语言编辑工具如MS Visual Interdev等等。此外多媒体的设计在图形化平台中也很重要，因为这是一个形象生动的表达方法，可以根据用户需求灵活地度身定制。
3.1绘图工具及图元的设计
图元的设计是图形化系统的基础。一个很常用的方法是自己设计一个绘图系统，利用点线的组合绘制各种元件如继电器和断路器等等。这样做的好处是可以自如地设计图元和图纸的各种数据结构和功能，缺点是需要自己做琐碎的增加、删除、编辑甚至缩放和移动等等绘图功能，而绘图程序的设计比较繁琐，有缺陷的设计会给平台的运行带来灾难性的后果，所以设计时测试阶段的时间应该相应长一些以加强系统的健壮性。同时基于灵活性的考虑，应该考虑和主流CAD和CAM系统兼容问题。
另外一种方法，就是利用现在通用的各种CAD和CAM软件如AutoCAD［１］，或者是基于地图的信息管理系统如MapInfo［２］，来定制和绘制各种图元进而形成整个图纸系统［３］。这样做的好处是可以利用成熟软件的强大绘图功能，其普及性、完善性的优势是非常明显的。但是需要开发者掌握它们的二次开发技术，因为这些软件只能作为开发继电保护图形化系统的一个工具，深层次的功能如拓扑寻找和各种数据管理不可依靠它们完成。一个直接的做法是在CAD软件基础上，定制适用于继电保护图形平台的各种图元，利用其附加属性，充分表示元件的拓扑、隶属、主从等关系及其参数，为建立管理数据库提供良好的环境。
3.2图形和数据的智能关联
对于图形化平台来说，图形和数据应该采取合适的形式关联进而选择恰当的存储方法。用面向对象的设计的观点来看［４］，我们可以用各种类对象来描述电力系统的各个图元。利用类之间的继承关系描述具体各元件之间的关联。每一个类对象具有自己的属性（也就是它的数据）和方法（也就是它的功能）。比如对于继电器来说，其图形信息应该是根据继电器的型号决定具体绘制的方法，而其相关联数据则有其触点信息、延时信息、整定值信息、关联继电保护信息、标志是否带电的状态位等等；其功能应该有图元绘制函数、判断是否带电的函数、带电与掉电的动作函数等等。对于一个触点来说，其图形信息应该是根据触点型号和触点当时状态决定具体绘制方法，其相关联数据则有位置状态信息、其所属继电器信息和所在回路信息等等，其功能则有闭合和断开的函数等等。
对于图形和数据，可以按照具体系统的需求分析在模块划分完毕之后进行组织。图1是一个继电保护整定计算和仿真的数据框图。
4 继电保护信息管理图形平台的网络拓扑辨识
4.1网络拓扑辨识方法及其性能比较
网络拓扑信息是继电保护信息管理的基础，尤其是在进行继电保护整定计算和仿真等辅助分析功能时更是关键。目前网络拓扑的算法主要是一次主接线的算法发展比较多，继电保护二次图的拓扑提取由于其图纸自身的不严密性和复杂性研究较少。
从拓扑的提取方式看，一是利用AutoCAD或者MapInfo设计各图形模块，完成图纸绘制的工作，再利用它们丰富的二次开发功能，提取图纸中各图元的连接信息，进一步形成所需拓扑数据库。二是自制的绘图工具，当然在绘制图纸时也可以形成所需拓扑［５］。当图纸是扫描输入时，由于无法辨识图元，只能通过手工输入方式形成拓扑数据库。但这种方法不值得推广，因为这样虽然表面上减轻了工作难度，可以填充任意所需拓扑，但是如果没有严整的拓扑表达方式，会给以后的整定计算和仿真带来灾难性的后果。所以手工形成拓扑，只可以作为自动形成拓扑的一种辅助手段。
从拓扑的存储形式看，目前应用较广的是用关联矩阵存储节点和支路之间的连接关系。这种算法数学描述严谨，便于程序处理，比较适合于一次接线图的拓扑描述。对于继电保护二次系统图，由于元件数量庞大，因而会造成速度和性能的严重下降，只适合于用于教育培训的继电保护典型回路的动作逻辑演示。
4.2基于模块的拓扑存储及搜索
对于继电保护来说，由于一二次之间的关联等等原因，继电保护图纸总体上网络的严密性比较差，有时会出现逻辑上不严格的拓扑出现。因此很难采用和一次主接线系统一样的方法来规范二次图纸的拓扑。本文提出一种基于模块的表示法来存储拓扑结构。此处的模块可以根据具体系统设计需求灵活定制，比如可以把模块定义为继电保护图纸中的图元或行，也可以把模块定义为继电保护中的某一功能块。利用模块之间的逻辑联系，按照逻辑对图纸分模块进行定义。这样可以认为所谓图纸即是一些模块的组合，而这些模块之间的某些联系就表达了继电保护的某些功能。这样可以减少搜索深度，优化系统性能。
基于行定义的表示法在国外的图纸中比较适用，因为SIMENS，ALSTHOM等常用的厂家图纸都是按照行来阅读，一次和二次分不同图纸表示。国内的经常一二次一起，交直流一起，行的意义不是很明显，所以可以将继电保护图纸中的控制块按照其功能逻辑进行模块的定义和分割。根据需求分析的不同，可以粗略地把某些控制块定义为模块，也可以细致地把触点定义为模块，模块之间的组合逻辑即可将图纸所表达的继电保护动作逻辑反映出来。
在基于模块的拓扑存储和搜索中，我们首先区分静态数据和动态数据。所谓静态数据就是在图纸上的状态是不变的，如一些电阻和一些连接线。所谓动态数据就是图纸上的状态可变元件，比如具有开关电路功能的元件（触点，熔丝等等）和不具有开关电路功能但是状态可变的元件（如继电器，光字牌等）。基于模块的拓扑存储只需考虑各模块中的动态数据，内存中可以用广义表的格式加以存储，搜索时以模块为单位进行广度或深度的优先搜索。这样的拓扑存储方式直接面对拓扑变化的核心问题，存储容量很小，搜索速度也大大加快。它可以克服继电保护图纸拓扑显示不规范的问题，同时也加强拓扑不良数据的辨识，程序的健壮性较好。假设已经预定义了模块及其属性并且已经形成了数据库，那么继电保护的搜索算法可以表示如下：
1) 预定义图纸上的模块及其属性，并将它们形成数据库。
2) 输入继电保护初始设置和故障代码。
3) 根据初始设置和故障代码在数据库中进行搜索，得到第一级启动的模块列表。
4) 对启动的每一个模块在数据库中进行广度优先的遍历，得到次级启动的模块列表。
5) 重复4)，直至有动作结束标志（如搜索到标志为出口继电器的模块）。如此便形成了遍历的动作逻辑树。
6) 以树形逻辑框图或者其它合适形式输出给用户。
此外，引入专家知识库也不失为一种解决继电保护二次拓扑的良策。由于篇幅所限，不予探讨。
5结论
电力系统继电保护信息管理的信息量飞速增加，各子系统的复杂程度加深。图形化平台是科学计算可视化的拓展，可以加快各专业的融合速度，便于工作人员对系统有更全局的把握。基于本文的图形化平台，可以实现电力系统继电保护的整定计算、参数管理、图纸管理、培训仿真，以及各种扩展功能如：数据统计，各种报表等，适当地引入多媒体（图形，动画，图像，声音）可以使系统更加友好。开发的广东沙角发电厂C厂和广州变电管理所继电保护信息管理系统在实际工作中有效地发挥了作用，取得了良好的效果。
参考文献
［1］李世国. AutoCAD高级开发技术ARX编程及应用［Ｍ］. 北京：机械工业出版社，1999.
［２］王晓武. Mapbasic程序设计［Ｍ］. 北京：电子工业出版社， 2000.
［３］孔华东，陈兴华，蔡泽祥，等. 面向对象的电力系统继电保护信息管理与培训系统［Ｊ］. 电力自动化设备. 2001， 21(4):33-36.
［４］潘爱民. COM原理与应用［Ｍ］. 北京：清华大学出版社， 2000.
［５］董张卓. 采用面向对象技术和方法的电力系统网络拓扑的快速跟踪（一）、（二）［Ｊ］. 中国电机工程学报，1998，18(3,4)：283～291.
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