專利名稱：一種水電站電氣一次部分cad系統及其設計方法
技術領域：
本發明涉及水電站設計技術領域，更具體地，涉及一種水電站電氣一次部分CAD 系統及其設計方法。
背景技術：
在電力系統中，電氣一次部分是指直接用于生產、輸送和分配電能的高壓電氣系統，例如發電機、變壓器、斷路器、隔離開關、輸電線路等。電氣二次部分是指針對所述電氣一次部分進行監測、控制、保護等操作的低壓電氣系統。在水電站的電氣設計計算中，同樣涉及電氣一次部分和電氣二次部分的設計、計算和分析。如圖1所示，電氣一次部分的設計主要包括接入系統方式的設計及相應投資運行費用比較，電氣主接線設計及相應投資運行費比較，電氣設備選擇，短路電流計算(包括計算電抗和短路電流)，廠變選擇，防雷接地等。電氣二次部分的設計主要包括發電機、變壓器及線路的控制、測量、保護及整定計算， 水機自動化設計、同期系統設計、信號系統設計等。水電站的電氣一次設計是水電站設計的一個重要組成部分。傳統的方法是采用靜態分析、經驗估算、近似設計、方案比較的框架，擬訂接入系統和水電站主接線方案，進行經濟技術比較；選擇短路點和計算短路電流；選擇、校驗電氣設備以及防雷接地的計算等。起初，隨著CAD技術的不斷發展，國內外水電行業引進和開發了若干CAD系統應用于實際工程設計中來進一步優化設計，并取得了明顯效果。在數據計算上，90%的設計計算工作量已由計算機完成，許多先進的設計單位甩掉圖板而代之以計算機和相應的軟件系統。但遺憾的是這些基于CAD的設計仍然缺少中小型水電站電氣設計的高效和優化方法， 圖紙的產生仍基于點、線、面的繪制方法中；數據的處理也仍停留在數據庫的建立和簡單的計算上；水電站數值計算與信息管理系統的開發基本還停留在單項開發的水平上。到了 70年代，隨著計算機價格大幅度的降低，CAD設計的誘人的威力，市場競爭日益激烈化，作為產品的開發和更新的第一關是如何極大的縮小設計周期、提高設計質量和設計成本，這已成為企業生存的生命線，從而引起廣大企業和設計師的高度重視。水電站電氣CAD設計系統和設計方法就是把計算機及相關技術與水電站電氣設計各環節有機的組成一個集科學計算、圖形設計、數字處理、分析檢驗于一體的水電站優化設計方法。它是在計算機硬件、軟件技術基礎上的，同時吸收了與設計技術相關的其他學科理論和技術如數據分析、計算幾何與圖形學、信息處理、優化理論、可靠性設計、系統工程以及設計方法學等。用系統的CAD設計理念來改造傳統設計方法，使水電站電氣設計在設計領域中開拓出新的途徑，這已成為競相研究和推廣并帶來重大變革的發展戰略。目前水電站電氣CAD設計的方法主要是在圖形處理方面已有了長足的發展，借助 AutoCAD、Protel等繪圖軟件的編輯元件模塊或添加庫元件的功能來繪制電氣圖已成為目前水電站電氣設計的主流。與其相比，在計算方面，由于早期的程序設計語言(像Basic、 Fortran等)不能提供兼顧面向對象的可視化窗口和易學易用的程序開發環境，也由于水電站電氣設計方案具有靈活的選擇性，用計算機程序設計語言構建通用的電氣設計計算模型還處在較低的水平；而且在數字處理方面還處在一個很低的水平，沒有建立與水電站電氣設計相適應的數據庫。特別是在運行電氣設計計算模塊時，從設計手冊中取用大量的技術數字必須通過人工查找后輸入到程序中，才能繼續完成計算任務。這給提高設計效率，縮短設計周期造成了諸多不利的影響，可以說現有的CAD設計系統和設計方法的不足已經成為制約水電站電氣系統設計發展水平的瓶頸。
發明內容
針對現有技術中的上述缺陷，本發明的主要目的是為了縮短設計周期，提高工作效率，改善水電站電氣設計技術，提供的一種水電站電氣一次部分CAD系統及其設計方法。本發明所述的水電站電氣一次部分CAD系統，其特征在于，包括電氣計算模塊，是基于選擇結構、Sub子過程和/或Function函數過程建立的結構化計算模塊，用于實現短路計算，電氣設備選擇、防雷接地及繼電保護整定計算以及投資運行費計算；水電站一次部分關系型數據庫，是通過將各種特性曲線數字化形成數字表格，并基于關鍵字段實現電氣一次各數字表格之間的一對一或一對多關系所建立的數據庫。優選地，所述電氣計算模塊包括基于選擇結構的短路計算模塊，基于Sub函數過程的設備選擇模塊、防雷接地模塊和繼電保護整定計算模塊，以及基于Function子過程的投資費和運行費模塊。進一步優選地，以上模塊是通用的獨立模塊，可以分別獨立進行調試、維護，并且可以分別作為獨立文件保存和作為獨立進程進行調用。優選地，所述水電站電氣一次部分CAD系統還包括基于VB實現的可視化運行界面。優選地，所述水電站一次部分關系型數據庫還包括輸入確認模塊，用于根據輸入確認規則對輸入所述數據表格的數字進行字段級和窗體級確認。優選地，所述水電站一次部分關系型數據庫還包括SQL查詢模塊，基于SQL標準化查詢語言使所述電氣計算模塊實現單值查詢、多值查詢與自動選擇功能。本發明還提供了一種水電站電氣一次部分CAD系統的設計方法，其特征在于，包括步驟1，基于選擇結構、Sub子過程和/或Function函數過程建立結構化的電氣計算模塊，用于實現短路計算，電氣設備選擇、防雷接地及繼電保護整定計算以及投資運行費計算；步驟2，通過將電氣一次部分的各種特性曲線數字化形成數字表格，并基于關鍵字段實現各數字表格之間的一對一或一對多關系，建立水電站一次部分關系型數據庫。優選地，所述步驟1包括基于選擇結構的建立短路計算模塊，基于Sub函數過程建立設備選擇模塊、防雷接地模塊和繼電保護整定計算模塊，以及基于Function子過程建立投資費和運行費模塊。優選地，所述設計方法還包括基于VB實現可視化運行界面。優選地，所述步驟2進一步包括通過統計所述數字表格確定輸入確認規則，根據輸入確認規則對輸入所述數據表格的數字進行字段級和窗體級確認。本發明首先是結合Visual Basic的可視化運行界面和結構化程序設計模式，構建了一種通用型的水電站CAD系統電氣計算模型，其中用VB建立的選擇結構的短路計算，Sub 子過程的電器設備選擇、防雷接地及繼電保護整定計算和Function函數過程的投資費、運行費三大結構化設計計算模塊，具有良好的通用性和可移植性。二是依據Visual Basic可視化數據庫的一對一關系和一對多關系，建立了水電站電氣一次部分關系型數據庫。該數據庫運用字段級、窗體級的輸入確認規則和SQL標準化查詢語言，即保證了數字正確性，提高了數字處理水平，又實現了數字自動查詢功能，減少了計算程序運行間斷點。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1是水電站電氣設計計算的內容結構圖；圖2是雙繞組變壓器計算電抗的可視化運行界面；圖3是本發明的結構化電氣計算模塊框圖；圖4是水電站電氣主接線節點設置圖；圖5是各元件計算電抗的塊If多分支結構流程圖；圖6是水電站電氣主接線等值電路圖；圖7是水電站電氣一次部分關系型數據庫的結構框圖；圖8是以系統額定電壓為關鍵字段的數據表格關系圖；圖9是水輪發電機運算曲線數字表格；圖10是斷路器自動查詢、選擇流程圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明的技術方案，并使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合實施例及實施例附圖對本發明作進一步詳細的說明。一.歸納水電站電氣設計計算內容，建立電氣計算模塊1.基于VB建立可視化運行界面Visual Basic是Windows系統使用Basic語言進行可視化程序設計的開發工具，是把預先建立的對象擺放在可視化的界面上，人機交互簡單、快捷，與Basic、Fortran, Matlab比較，它不需要編寫大量的程序代碼去設計界面的外觀和位置。本發明基于VB建立所述CAD系統的全部可視化運行界面。例如，建立一個如圖2所示的雙繞組變壓器計算電抗的可視化運行界面，包括以下步驟在窗體編輯窗口中先將Labell Label3的Caption 定義基準容量h、額定容量&、變壓器的短路電壓百分值Ud%為變量，其數據由“空”的Text 屬性給定。當點擊命名為“計算”的Command按扭，即運行程序代碼時，計算電抗X * BJ的值便由Label4. Caption顯示在窗口上。而對不同。、Se、Ud%的雙繞組變壓器，賦給其相應的數值，也可直接得到X*Bj的值，不需要再次輸入內部的程序代碼。這使得建立通用型電站設計界面窗口和程序代碼成為可能。2.結構化計算模塊的建立水電站電氣設計計算系統涉及內容龐大、計算類型繁多，為了建立一個具有良好通用性和移植性的計算模型，遵照結構化程序設計的原則，將水電站電氣一次部分的計算根據功能劃分為結構化的電氣計算模塊，包括基于選擇結構的短路計算模塊、基于Sub函數過程的設備選擇、防雷接地和繼電保護整定計算模塊和基于Function子過程的投資費和運行費模塊三大功能模塊，如圖3所示。以上三大模塊可以基于VB提供的選擇結構、Sub 函數過程和Function子過程來實現，通過VB提供的自定義過程將每個模塊定義為一個過程，供主系統事件過程調用。這種被定義的結構化模塊是獨立的，可分別進行調試和維護， 也可以以獨立文件的形式存在，可分別獨立地供其他程序調用，因此具有通用性和可移植性。3.選擇結構的短路計算模塊的建立短路計算是依據電力系統的電氣接線圖、運行方式和元件的技術數據等有關材料，計算發電機、變壓器、電抗器、輸電線路等元件的電抗，做出計算電路圖；然后，按網絡簡化規則對各短路點的等值電路圖進行簡化，求出相應的總的電抗，最后進行短路電流、短路容量的計算。由于設計電站的主接線方案、接入系統方式、元件數量和技術數據不同，所得到的各短路點的等值電路圖的形式也較為復雜。為此，在建立通用的短路計算模塊時，必須做如下處理(一 )在設計電站的電氣主接線圖上設置節點。節點1設在被設計電站發電機的中性點上，節點2設在此發電機出口側，最后一個節點設置在無窮大系統上。以圖4所示的水電站電氣主接線節點設置為例，包括發電機F1、F2，二相變壓器B1-B3以及三相變壓器 B4，其中設置節點1-9，構造二維數組A，維數為ηΧη，且η為最大節點數，本例中η = 9。( 二 )根據各元件的技術數據，利用VB的塊If多分支結構計算發電機、變壓器、電抗器、輸電線路等元件的電抗，并將各電抗按元件兩個端點的節點號作為數組的元素號存儲在A數組中，而且令非電抗元素均為0，如圖5的流程圖所示。為了計算方便，每個電抗的兩個節點號從小到大排列，如果幾個元件的節點號一樣，按并聯處理，并將結果在放回原來的元素中；如果計算電抗為0，按非電抗元素處理。以圖6的水電站電氣主接線等值電路為例，其計算電抗數組A為
權利要求
1.一種水電站電氣一次部分CAD系統，其特征在于，包括電氣計算模塊，是基于選擇結構、Sub子過程和/或Function函數過程建立的結構化計算模塊，用于實現短路計算，電氣設備選擇、防雷接地及繼電保護整定計算以及投資運行費計算；水電站一次部分關系型數據庫，是通過將各種特性曲線數字化形成數字表格，并基于關鍵字段實現電氣一次各數字表格之間的一對一或一對多關系所建立的數據庫。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述電氣計算模塊包括基于選擇結構的短路計算模塊，基于Sub函數過程的設備選擇模塊、防雷接地模塊和繼電保護整定計算模塊，以及基于Function子過程的投資費和運行費模塊。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述電氣計算模塊包括的各模塊是通用的獨立模塊，可以分別獨立進行調試、維護，并且可以分別作為獨立文件保存和作為獨立進程進行調用。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述水電站電氣一次部分CAD系統還包括基于VB實現的可視化運行界面。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述水電站一次部分關系型數據庫還包括輸入確認模塊，用于根據輸入確認規則對輸入所述數據表格的數字進行字段級和窗體級確認。
6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述水電站一次部分關系型數據庫還包括SQL查詢模塊，基于SQL標準化查詢語言使所述電氣計算模塊實現單值查詢、多值查詢與自動選擇功能。
7.一種水電站電氣一次部分CAD系統的設計方法，其特征在于，包括步驟1，基于選擇結構、Sub子過程和/或Function函數過程建立結構化的電氣計算模塊，用于實現短路計算，電氣設備選擇、防雷接地及繼電保護整定計算以及投資運行費計算；步驟2，通過將電氣一次部分的各種特性曲線數字化形成數字表格，并基于關鍵字段實現各數字表格之間的一對一或一對多關系，建立水電站一次部分關系型數據庫。
8.根據權利要求7所述的設計方法，其特征在于，所述步驟1包括基于選擇結構的建立短路計算模塊，基于Sub函數過程建立設備選擇模塊、防雷接地模塊和繼電保護整定計算模塊，以及基于Function子過程建立投資費和運行費模塊。
9.根據權利要求7所述的設計方法，其特征在于，所述設計方法還包括基于VB實現可視化運行界面。
10.根據權利要求7所述的設計方法，其特征在于，所述步驟2進一步包括通過統計所述數字表格確定輸入確認規則，根據輸入確認規則對輸入所述數據表格的數字進行字段級和窗體級確認。
全文摘要
本發明提供了一種水電站電氣一次部分CAD系統，包括電氣計算模塊，是基于選擇結構、Sub子過程和/或Function函數過程建立的結構化計算模塊，用于實現短路計算，電氣設備選擇、防雷接地及繼電保護整定計算以及投資運行費計算；水電站一次部分關系型數據庫，是通過將各種特性曲線數字化形成數字表格，并基于關鍵字段實現電氣一次各數字表格之間的一對一或一對多關系所建立的數據庫。本發明的電氣計算模塊具有良好的通用性和可移植性，數據庫運用字段級、窗體級的輸入確認規則和SQL標準化查詢語言，即保證了數字正確性，提高了數字處理水平，又實現了數字自動查詢功能，減少了計算程序運行間斷點。本發明還提供了上述CAD系統的設計方法。
文檔編號G06F17/50GK102521428SQ201110362549
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者何自立, 宋軍陽, 張寧, 張渭, 甘學濤, 陳帝伊, 馬孝義 申請人:西北農林科技大學