关键词：电力系统；继电保护；二次系统仿真
随着计算机技术的飞速发展，计算机在电力系统继电保护整定计算和数据库管理等方面的发展已相当成熟和普及［1］，但涉及继电保护二次系统的技术资料的计算机管理和仿真则相对滞后。
继电保护二次系统的实际构成既庞大又繁杂，技术要求高，而且不同发、变电站的二次系统有很大的区别。现阶段许多现场人员看不懂二次系统图，即使勉强看得懂，也对因系统故障而引起的继电保护装置的一系列连锁反应的具体过程不甚了解，这显然不利于现场运行人员对事故的迅速反应和正确及时的处理。
本文讨论电力系统继电保护二次系统的动作仿真，将保护二次展开图以每个继电器为基本单元进行计算机仿真，可以模拟因系统故障而引起的继电保护装置的具体连锁动作过程，可以设置继电器的不同状态（投信号或跳闸）和不同故障（误动、拒动等），可应用于现场人员读二次系统图，分析故障原因，比较保护配置方案及岗位培训等，从而提高运行人员的事故应变和处理能力。
1继电保护二次系统图的制作
与继电保护二次系统仿真相关的电力系统图形包括：电气主接线图、继电保护配置图和继电保护二次展开图。
电气主接线图本身虽然不属于继电保护二次系统图，但可以给操作人员一个所在电力系统的总体概念，这样现场人员在使用软件时，面对的是他非常熟悉的电气运行环境，能够方便地按照自己的思路进入各功能模块。
继电保护配置图提供了各元件的保护配置情况。通过保护配置图，用户可以查询和比较各保护的定值及原始参数，进入保护二次展开图。
继电保护二次展开图的管理既庞大又复杂，对现场人员的技术素质要求也最高。目前许多现场人员看不懂二次展开图，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，二次展开图形库不仅要将图纸输入计算机，更重要的是要建立各保护装置之间的关联关系，为现场人员阅读图纸和查找故障提供指导。这一工作也是本文系统的难点和特色。
1．1图形绘制工具
制作与继电保护管理相关的图纸必须有一个功能强大的绘图工具，而且绘制的图纸能被编辑，应具有通用公开的存储格式。文［2］采用自己配套开发的专用绘图工具，其优点是简单方便，仿真环境易于实现。但相应产生的一个很大的问题是，用这样软件绘制的图纸不能被其它通用绘图软件识别，在电力系统信息化管理的趋势下，这显然是不合适的。
本文采用通用绘图软件（如AutoCAD）作为绘图工具，绘制的图纸以标准的DXF文件格式存储，并与图形编辑软件和其它通用绘图软件接口。这种实现方式的优点是使本文的继电保护仿真系统独立于具体的绘图工具，具有很强的适应性和实用性。其难点在于要编制专门的图形编辑软件读取DXF文件，在仿真环境下重绘图纸，并将编辑后的图纸转化为DXF文件经绘图工具输出。
1．2基于AutoCAD的二次系统图绘制
AutoCAD是目前使用最广泛的计算机辅助设计软件，具有良好的工作界面以及强大的绘图与图形编辑功能。利用AutoCAD既可以以交互方式绘图（人机对话方式），也可以实现自动绘图（编程实现）。AutoCAD具有开放的体系结构，为用户进行二次开发提供了编程接口，并可以通过标准或专用的数据格式与其它CAD系统或CAM系统进行数据交换，支持众多的外设，而且很容易掌握，适用于各种层次的用户。
1．2．1AutoCAD软件的BLOCK功能［3］
AutoCAD提供了供用户自行扩充功能的BLOCK功能，本文利用这一功能建立电力系统继电保护二次系统相关的各类基本元件库，为图纸的制作和仿真带来很大方便。
a）建立图形库
在绘制图纸的时候，会遇到大量相同的零件，如发电机、变压器、断路器和隔离开关、继电器等等。如果把这些经常出现的图形定义成块（BLOCK），存放在图形库中，绘图时，从图形库中选择块，用插入块的方法直接使用它，可避免很多重复性的工作，从而减少图形设计的工作量，而且整张图纸上相应的各个零件大小比例相同。
b）便于修改
一张图纸的完成往往要经过多次反复修改。常常有这样的情况：其中一个零件在图中有很多个，中途需要对这个零件的大小或形状修改，那么修改的工作量就会很大。但是如果采用了块的话，只要重新对这个块进行定义，则所有的该零件都被自动修改了，比手工一个一个修改方便快捷得多。
c）节省空间
这是块的最大优点之一。图形中每一个实体在存储时都要占用存储空间，AutoCAD对每一个实体都要记录一些信息，显然实体越多所需的存储空间越大。使用了块以后，就可以大量节约磁盘和内存空间，缩短了文件的装入和调出磁盘的时间，从而大大地节约了系统的资源，有利于系统整体性能的提高。
1．2．2元件库制作
本文将图形库分为一次设备和二次设备两部分。每种设备如发电机、变压器、常开触点和常闭触点等的图形均被制作成图标，然后按照一次和二次设备分别归放到相应的工具栏中，这样用户在绘图时只需点击图标就能把相应设备的图形拖放到需要的地方，并能进行旋转、缩放以及添加属性等工作。
图形库是主要通过块操作及AutoLISP语言的编写来实现的。下面以制作变压器图标为例，说明其实现过程。为了便于管理，先在AutoCAD目录下创建目录“一次设备”及其子目录“一次设备＼DWG”、“一次设备＼BMP”、“一次设备＼LSP”。
首先，在AutoCAD2000环境下新建1个文件，在图中画出两个半径为10 mm的重叠的圆。为了使以后画出来的一整张图纸具有相同的比例，制作的每一个图标都应以相应的比例绘制。接着就要为变压器添加变比和接线的属性。键入“attdef”命令,就会弹出属性对话框。在TAG，PR- OMPT和VALUE栏中分别填入“变比”、“变比”、“10．6／6．3”，插入基点定为两圆的右部，高度为12 mm，旋转角度为零。以同样操作输入“接线”属性，VALUE一栏填入“Y／d”，插入基点定为两圆的左部。做好以上三部分以后就要定义块了。键入命令“wblock”，选中以上三部分，插入基点定为下圆的底部，文件名为transformer，目录可定为前述的“一次设备＼DWG”目录，最后确定。为了以后用户和系统寻找文件及确定路径的方便，可在tools菜单下点击options选项，在弹出的对话框中选择Files项，在“Support FileSearch Path”和“Work- ing Support File SearchPath”中加上（add）“＼一次设备”目录以下的几个子目录“＼DWG”、“＼BMP”、“＼LSP”。
接着我们就要定制工具栏及其按钮。进入菜单VIEW下的TOOLBARS项，点击“new”，于是就新建了一个工具栏，名字可设为“一次设备”。然后点击“customize”，并在下拉菜单中选择“custom”项，就会出现两个空白按钮，第1个是普通按钮，第2个是弹出式菜单。选择第1个按钮并拖放到刚才自定义的工具栏中。然后在该空白按钮上单击鼠标右键，就会弹出另一个对话框，“name”一栏代表的是该按钮的提示，可以键入“transformer”；“macro”一栏应填入该按钮的执行命令，它是用diesel函数编写的，这里填入“＾C＾C＿transformer”。跟着就要定制变压器的图标，点击“eidt”进入图标制作的环境，制作完后，把图标文件存放在子目录“一次设备＼BMP”中，这样一个简单的工具栏就做好了。
按钮虽然做好了，但是由于还没有连接代码，所以点击它是不会有反应的。下面介绍如何采用AutoLISP语言为其添加代码。点击菜单TOOLS＼AutoLISP＼VISUAL LISP EDITER项，进入VISUALLISP的编程环境。新建一个文件，并输入以下AutoLISP程序：
（defun c：transformer（）
（command“insert”“transformer”“s”“1”“r”“0”）
）
以上的程序表示为AutoCAD添加1个“transformer”的命令，该命令所做的工作就是在图中插入1个名为“transformer”的块，并且初定其比例不变和不旋转。
最后把文件存放在刚才新建的子目录“一次设备＼LSP”下，后缀名由系统自动设为“．LSP”，文件名可设为“transformer”。经过以上的工作，在AutoCAD的环境下执行菜单Tools＼Auto LISP＼Load命令，并把transformer．lsp文件装进内存后，“transformer”就能成为AutoCAD的一个命令。另外，把该文件放进“Startup suite”中，以后每次启动AutoCAD时，该文件就能自动装入内存中，更为方便。这样，变压器的图标就真正做好了。点击该图标，就可以把变压器拖到任意位置，并能横放或竖放，放大缩小，输入属性。
图形库的其他图标制作方法与上面所述基本相同。在图形库做好了以后，用户需要画有关电力系统的图纸时，只需要把做好的图形库按钮工具栏调出，画图时就能够轻松方便地在工具栏上找到各类型的图标，点击以后把它们拖放到所需的位置上。由此制作的电力系统继电保护图纸是应用通用格式存储的，可以被其他通用绘图软件和高级语言读取，因此便于计算机规范管理。
2面向继电器的图形编辑
由AutoCAD制作的图纸是不可编辑的，为了实现继电保护二次系统的动作仿真，必须使图中的每个元件“动”起来，即每个元件在图中是可以激活的。本文应用VC＋＋编制了接口程序，读取AutoCAD的DXF文件，将图纸在VC＋＋编制的图形编辑环境下重绘，实现仿真等功能。
AutoCAD可以通过几种途径与高级语言连接：SCR文件、CDF文件或DXF文件，本工程采用DXF文件。AutoCAD的图形数据库是以压缩的数据格式存储的，高级语言程序很难读龋为了实现AutoCAD与高级语言程序图形交换，必须用一种既严密、又易读的ASCII文本文件来描述AutoCAD的图形，这就是所谓的DXF文件，称为图形交换文件。AutoCAD与其它高级语言连接时先将其内部图形数据库转换成DXF文件，然后由其它高级语言程序来读取并处理。对于已生成的DXF文件，若要将其送回AutoCAD中去生成图形，须先转换为内部图形数据库格式的DWG文件。数据交换过程如图1所示。
DXF类型的图形交换文件是具有专门格式的ASCII文本文件，它便于用编辑软件进行阅读、修改和打印等处理，并且易于被高级语言程序进行读写。一个完整的DXF文件是由4个段（SECTION）和1个文件结尾按下列顺序构成的：
a）标题段（HEADER），由55个变量给出有关图形的各种参数和当前的设置；
b）表段（TABLES），由排定次序的7张表组成，即线型（LINETYPE）表和层（LAYER）表，字体式样（STYLE）表，视图（VIEW）表，用户坐标系（UCS）表，观察区配置（VPORT）表和绘图管理程序（DWGMGR）表；
c）块段（BLOCKS），包括图中所用块及其各块内所包含的实体的描述，如块名、层信息、实体内容等；
d）实体段（ENTITIES），描述图形的所有实体；
e）文件结尾（EOF），标志DXF文件的结束。
组是段的基本组成单位，每个段均由若干个组构成。每个组在DXF文件中占两行，第1行为组代码（GROUPCODE），第2行为组值（GROUPVALUE）。组值的数据类型取决于组代码的数值。
在AutoCAD的环境中，当要把DWG文件转换为DXF文件时，只需在屏幕提示COMMAND下键入命令“DXFOUT”，然后输入想要生成的DXF文件名就可以了。相反如果想把DXF文件转换为DWG文件，则应把命令换成“DXFIN”。
3继电保护二次系统动作仿真
本文提出面向单一继电器仿真的设计思想，即以一标准继电器为一基本仿真单元，在图形编辑软件中，建立了常用的继电器类型库，并具备用户自定义功能。
本文基于VC＋＋编程环境，将一标准继电器设计为1个类（Class）。每个类包括继电器的构成特征（如线圈组数、触点对数等）、动作条件、返回条件等。在仿真环境下，继电器满足条件动作时，其主辅触点也相应动作，与实际继电器动作情况完全一致。用户在绘制保护二次系统图时，将每个继电器作为一个整体，在按实际二次接线连接后，继电器和实际情况一样自动形成保护动作逻辑。
继电保护动作仿真包括保护装置定值校核和保护二次回路动作过程仿真，这一环境既提供了现场人员培训功能，又可以进行电力系统事故追忆和分析，研究保护方案的合理性。这一环境的实现是将系统各功能有机地联系在一起，提供一个接近实际运行过程的仿真环境。
在按单一继电器为基本仿真对象形成系统二次展开图后，仿真软件自动寻找继电器动作条件。本文的基本思路是：基于网络拓扑理论，在保护工作电源的直流母线之间寻找通路，每一条通路上连接的各个线圈所对应的继电器即满足动作条件，继电器类（Class）动作，形成新的网络拓扑，再进行下一次通路搜索，寻找满足动作条件的继电器，如此反复进行，直到保护动作过程结束。
本文提出的这种实现方式，适合于任意接线的二次系统，且不依赖于具体发电厂、变电所的具体保护动作逻辑，与目前现场运行人员分析二次回路的思路一致，因此仿真效果良好。
根据以上设计思想，本文开发了电力系统继电保护二次系统图的制作及仿真软件。目前实现的功能包括与电力系统继电保护技术管理相关的图纸制作、定值数据库查询、二次系统动作仿真等各项功能。系统完全在可视化的图形操作平台下运行，所有数据的维护都具有图形和文本两种方式，计算结果、报表、图形既可屏幕显示，也可打印输出。数据库访问可设立不同的访问权限，具有很高的数据安全性。整个软件具备良好的用户自定义功能，用户可自行扩充有关图形、报表等。
4结论
电力系统继电保护二次系统既庞大又复杂，对现场人员技术要求高。本文开发的基于通用绘图软件AutoCAD和VC＋＋编程环境的继电保护各类图纸的绘制、编辑和仿真系统，可以为现场人员阅读继电保护二次系统图纸，校核继电保护整定方案，人员培训等提供良好的计算机辅助分析平台，具有良好的通用性和实用性。
参考文献：
［1］田有文，朴在林．基于客户／服务器的继电保护整定及电气设备选择管理信息系统［J］．电网技术，1999，23（7）．
［2］王铁红，张炳达，沈捷．继电保护培训仿真系统［J］．继电器，1999，27（6）．
［3］余承飞，方勇．Auto CAD2000二次开发技术［M］．北京：人民邮电出版社，1999．
