专利名称：一种水电站电气一次部分cad系统及其设计方法
技术领域：
本发明涉及水电站设计技术领域，更具体地，涉及一种水电站电气一次部分CAD 系统及其设计方法。
背景技术：
在电力系统中，电气一次部分是指直接用于生产、输送和分配电能的高压电气系统，例如发电机、变压器、断路器、隔离开关、输电线路等。电气二次部分是指针对所述电气一次部分进行监测、控制、保护等操作的低压电气系统。在水电站的电气设计计算中，同样涉及电气一次部分和电气二次部分的设计、计算和分析。如图1所示，电气一次部分的设计主要包括接入系统方式的设计及相应投资运行费用比较，电气主接线设计及相应投资运行费比较，电气设备选择，短路电流计算(包括计算电抗和短路电流)，厂变选择，防雷接地等。电气二次部分的设计主要包括发电机、变压器及线路的控制、测量、保护及整定计算， 水机自动化设计、同期系统设计、信号系统设计等。水电站的电气一次设计是水电站设计的一个重要组成部分。传统的方法是采用静态分析、经验估算、近似设计、方案比较的框架，拟订接入系统和水电站主接线方案，进行经济技术比较；选择短路点和计算短路电流；选择、校验电气设备以及防雷接地的计算等。起初，随着CAD技术的不断发展，国内外水电行业引进和开发了若干CAD系统应用于实际工程设计中来进一步优化设计，并取得了明显效果。在数据计算上，90%的设计计算工作量已由计算机完成，许多先进的设计单位甩掉图板而代之以计算机和相应的软件系统。但遗憾的是这些基于CAD的设计仍然缺少中小型水电站电气设计的高效和优化方法， 图纸的产生仍基于点、线、面的绘制方法中；数据的处理也仍停留在数据库的建立和简单的计算上；水电站数值计算与信息管理系统的开发基本还停留在单项开发的水平上。到了 70年代，随着计算机价格大幅度的降低，CAD设计的诱人的威力，市场竞争日益激烈化，作为产品的开发和更新的第一关是如何极大的缩小设计周期、提高设计质量和设计成本，这已成为企业生存的生命线，从而引起广大企业和设计师的高度重视。水电站电气CAD设计系统和设计方法就是把计算机及相关技术与水电站电气设计各环节有机的组成一个集科学计算、图形设计、数字处理、分析检验于一体的水电站优化设计方法。它是在计算机硬件、软件技术基础上的，同时吸收了与设计技术相关的其他学科理论和技术如数据分析、计算几何与图形学、信息处理、优化理论、可靠性设计、系统工程以及设计方法学等。用系统的CAD设计理念来改造传统设计方法，使水电站电气设计在设计领域中开拓出新的途径，这已成为竞相研究和推广并带来重大变革的发展战略。目前水电站电气CAD设计的方法主要是在图形处理方面已有了长足的发展，借助 AutoCAD、Protel等绘图软件的编辑元件模块或添加库元件的功能来绘制电气图已成为目前水电站电气设计的主流。与其相比，在计算方面，由于早期的程序设计语言(像Basic、 Fortran等)不能提供兼顾面向对象的可视化窗口和易学易用的程序开发环境，也由于水电站电气设计方案具有灵活的选择性，用计算机程序设计语言构建通用的电气设计计算模型还处在较低的水平；而且在数字处理方面还处在一个很低的水平，没有建立与水电站电气设计相适应的数据库。特别是在运行电气设计计算模块时，从设计手册中取用大量的技术数字必须通过人工查找后输入到程序中，才能继续完成计算任务。这给提高设计效率，缩短设计周期造成了诸多不利的影响，可以说现有的CAD设计系统和设计方法的不足已经成为制约水电站电气系统设计发展水平的瓶颈。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明的主要目的是为了缩短设计周期，提高工作效率，改善水电站电气设计技术，提供的一种水电站电气一次部分CAD系统及其设计方法。本发明所述的水电站电气一次部分CAD系统，其特征在于，包括电气计算模块，是基于选择结构、Sub子过程和/或Function函数过程建立的结构化计算模块，用于实现短路计算，电气设备选择、防雷接地及继电保护整定计算以及投资运行费计算；水电站一次部分关系型数据库，是通过将各种特性曲线数字化形成数字表格，并基于关键字段实现电气一次各数字表格之间的一对一或一对多关系所建立的数据库。优选地，所述电气计算模块包括基于选择结构的短路计算模块，基于Sub函数过程的设备选择模块、防雷接地模块和继电保护整定计算模块，以及基于Function子过程的投资费和运行费模块。进一步优选地，以上模块是通用的独立模块，可以分别独立进行调试、维护，并且可以分别作为独立文件保存和作为独立进程进行调用。优选地，所述水电站电气一次部分CAD系统还包括基于VB实现的可视化运行界面。优选地，所述水电站一次部分关系型数据库还包括输入确认模块，用于根据输入确认规则对输入所述数据表格的数字进行字段级和窗体级确认。优选地，所述水电站一次部分关系型数据库还包括SQL查询模块，基于SQL标准化查询语言使所述电气计算模块实现单值查询、多值查询与自动选择功能。本发明还提供了一种水电站电气一次部分CAD系统的设计方法，其特征在于，包括步骤1，基于选择结构、Sub子过程和/或Function函数过程建立结构化的电气计算模块，用于实现短路计算，电气设备选择、防雷接地及继电保护整定计算以及投资运行费计算；步骤2，通过将电气一次部分的各种特性曲线数字化形成数字表格，并基于关键字段实现各数字表格之间的一对一或一对多关系，建立水电站一次部分关系型数据库。优选地，所述步骤1包括基于选择结构的建立短路计算模块，基于Sub函数过程建立设备选择模块、防雷接地模块和继电保护整定计算模块，以及基于Function子过程建立投资费和运行费模块。优选地，所述设计方法还包括基于VB实现可视化运行界面。优选地，所述步骤2进一步包括通过统计所述数字表格确定输入确认规则，根据输入确认规则对输入所述数据表格的数字进行字段级和窗体级确认。本发明首先是结合Visual Basic的可视化运行界面和结构化程序设计模式，构建了一种通用型的水电站CAD系统电气计算模型，其中用VB建立的选择结构的短路计算，Sub 子过程的电器设备选择、防雷接地及继电保护整定计算和Function函数过程的投资费、运行费三大结构化设计计算模块，具有良好的通用性和可移植性。二是依据Visual Basic可视化数据库的一对一关系和一对多关系，建立了水电站电气一次部分关系型数据库。该数据库运用字段级、窗体级的输入确认规则和SQL标准化查询语言，即保证了数字正确性，提高了数字处理水平，又实现了数字自动查询功能，减少了计算程序运行间断点。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是水电站电气设计计算的内容结构图；图2是双绕组变压器计算电抗的可视化运行界面；图3是本发明的结构化电气计算模块框图；图4是水电站电气主接线节点设置图；图5是各元件计算电抗的块If多分支结构流程图；图6是水电站电气主接线等值电路图；图7是水电站电气一次部分关系型数据库的结构框图；图8是以系统额定电压为关键字段的数据表格关系图；图9是水轮发电机运算曲线数字表格；图10是断路器自动查询、选择流程图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。一.归纳水电站电气设计计算内容，建立电气计算模块1.基于VB建立可视化运行界面Visual Basic是Windows系统使用Basic语言进行可视化程序设计的开发工具，是把预先建立的对象摆放在可视化的界面上，人机交互简单、快捷，与Basic、Fortran, Matlab比较，它不需要编写大量的程序代码去设计界面的外观和位置。本发明基于VB建立所述CAD系统的全部可视化运行界面。例如，建立一个如图2所示的双绕组变压器计算电抗的可视化运行界面，包括以下步骤在窗体编辑窗口中先将Labell Label3的Caption 定义基准容量h、额定容量&、变压器的短路电压百分值Ud%为变量，其数据由“空”的Text 属性给定。当点击命名为“计算”的Command按扭，即运行程序代码时，计算电抗X * BJ的值便由Label4. Caption显示在窗口上。而对不同。、Se、Ud%的双绕组变压器，赋给其相应的数值，也可直接得到X*Bj的值，不需要再次输入内部的程序代码。这使得建立通用型电站设计界面窗口和程序代码成为可能。2.结构化计算模块的建立水电站电气设计计算系统涉及内容庞大、计算类型繁多，为了建立一个具有良好通用性和移植性的计算模型，遵照结构化程序设计的原则，将水电站电气一次部分的计算根据功能划分为结构化的电气计算模块，包括基于选择结构的短路计算模块、基于Sub函数过程的设备选择、防雷接地和继电保护整定计算模块和基于Function子过程的投资费和运行费模块三大功能模块，如图3所示。以上三大模块可以基于VB提供的选择结构、Sub 函数过程和Function子过程来实现，通过VB提供的自定义过程将每个模块定义为一个过程，供主系统事件过程调用。这种被定义的结构化模块是独立的，可分别进行调试和维护， 也可以以独立文件的形式存在，可分别独立地供其他程序调用，因此具有通用性和可移植性。3.选择结构的短路计算模块的建立短路计算是依据电力系统的电气接线图、运行方式和元件的技术数据等有关材料，计算发电机、变压器、电抗器、输电线路等元件的电抗，做出计算电路图；然后，按网络简化规则对各短路点的等值电路图进行简化，求出相应的总的电抗，最后进行短路电流、短路容量的计算。由于设计电站的主接线方案、接入系统方式、元件数量和技术数据不同，所得到的各短路点的等值电路图的形式也较为复杂。为此，在建立通用的短路计算模块时，必须做如下处理(一 )在设计电站的电气主接线图上设置节点。节点1设在被设计电站发电机的中性点上，节点2设在此发电机出口侧，最后一个节点设置在无穷大系统上。以图4所示的水电站电气主接线节点设置为例，包括发电机F1、F2，二相变压器B1-B3以及三相变压器 B4，其中设置节点1-9，构造二维数组A，维数为ηΧη，且η为最大节点数，本例中η = 9。( 二 )根据各元件的技术数据，利用VB的块If多分支结构计算发电机、变压器、电抗器、输电线路等元件的电抗，并将各电抗按元件两个端点的节点号作为数组的元素号存储在A数组中，而且令非电抗元素均为0，如图5的流程图所示。为了计算方便，每个电抗的两个节点号从小到大排列，如果几个元件的节点号一样，按并联处理，并将结果在放回原来的元素中；如果计算电抗为0，按非电抗元素处理。以图6的水电站电气主接线等值电路为例，其计算电抗数组A为
权利要求
1.一种水电站电气一次部分CAD系统，其特征在于，包括电气计算模块，是基于选择结构、Sub子过程和/或Function函数过程建立的结构化计算模块，用于实现短路计算，电气设备选择、防雷接地及继电保护整定计算以及投资运行费计算；水电站一次部分关系型数据库，是通过将各种特性曲线数字化形成数字表格，并基于关键字段实现电气一次各数字表格之间的一对一或一对多关系所建立的数据库。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电气计算模块包括基于选择结构的短路计算模块，基于Sub函数过程的设备选择模块、防雷接地模块和继电保护整定计算模块，以及基于Function子过程的投资费和运行费模块。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电气计算模块包括的各模块是通用的独立模块，可以分别独立进行调试、维护，并且可以分别作为独立文件保存和作为独立进程进行调用。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水电站电气一次部分CAD系统还包括基于VB实现的可视化运行界面。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水电站一次部分关系型数据库还包括输入确认模块，用于根据输入确认规则对输入所述数据表格的数字进行字段级和窗体级确认。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水电站一次部分关系型数据库还包括SQL查询模块，基于SQL标准化查询语言使所述电气计算模块实现单值查询、多值查询与自动选择功能。
7.一种水电站电气一次部分CAD系统的设计方法，其特征在于，包括步骤1，基于选择结构、Sub子过程和/或Function函数过程建立结构化的电气计算模块，用于实现短路计算，电气设备选择、防雷接地及继电保护整定计算以及投资运行费计算；步骤2，通过将电气一次部分的各种特性曲线数字化形成数字表格，并基于关键字段实现各数字表格之间的一对一或一对多关系，建立水电站一次部分关系型数据库。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括基于选择结构的建立短路计算模块，基于Sub函数过程建立设备选择模块、防雷接地模块和继电保护整定计算模块，以及基于Function子过程建立投资费和运行费模块。
9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括基于VB实现可视化运行界面。
10.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括通过统计所述数字表格确定输入确认规则，根据输入确认规则对输入所述数据表格的数字进行字段级和窗体级确认。
全文摘要
本发明提供了一种水电站电气一次部分CAD系统，包括电气计算模块，是基于选择结构、Sub子过程和/或Function函数过程建立的结构化计算模块，用于实现短路计算，电气设备选择、防雷接地及继电保护整定计算以及投资运行费计算；水电站一次部分关系型数据库，是通过将各种特性曲线数字化形成数字表格，并基于关键字段实现电气一次各数字表格之间的一对一或一对多关系所建立的数据库。本发明的电气计算模块具有良好的通用性和可移植性，数据库运用字段级、窗体级的输入确认规则和SQL标准化查询语言，即保证了数字正确性，提高了数字处理水平，又实现了数字自动查询功能，减少了计算程序运行间断点。本发明还提供了上述CAD系统的设计方法。
文档编号G06F17/50GK102521428SQ201110362549
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者何自立, 宋军阳, 张宁, 张渭, 甘学涛, 陈帝伊, 马孝义 申请人:西北农林科技大学