繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究

肖鋒，梅顏

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

電力系統(tǒng)運行的基本要求是安全、可靠，然而各種故障總是不可避免地時有發(fā)生，設(shè)置于系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置就是用于快速切除故障，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。如何準(zhǔn)確判別和分析事故發(fā)生的原因，確定故障點的準(zhǔn)確定位，從根本上排除故障是電力系統(tǒng)管理與決策部門十分重要的工作。要準(zhǔn)確進(jìn)行故障分析，可從繼電保護(hù)的動作行為和裝設(shè)在系統(tǒng)中的故障錄波器所記錄的電網(wǎng)在故障期間的動態(tài)過程綜合分析得出。

文獻(xiàn)[1]提出了電網(wǎng)繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)的總體框架、功能定位以及主站和子站的設(shè)計方案，特別對各種裝置接入的復(fù)雜性、與監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)方式、系統(tǒng)的安全可靠性和數(shù)據(jù)流向分析及控制進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[2]提出了故障信息系統(tǒng)的主站和子站的通信協(xié)議采用IEC60870-5-103和FTP組合的協(xié)議方案，以及子站系統(tǒng)內(nèi)部采用以太網(wǎng)，并分析了故障信息系統(tǒng)兼容或采用IEC60850標(biāo)準(zhǔn)的問題。文獻(xiàn)[3]提出在不同設(shè)備或者系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的一個突出問題，即通信規(guī)約的一致性和兼容性，制定了詳盡的通信與接口規(guī)范。文獻(xiàn)[4]依據(jù)IEC60850和IEC61970等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對系統(tǒng)的總體設(shè)計思想及其安全性、接口的可擴(kuò)展性等進(jìn)行研究，提出了繼電保護(hù)及故障信息系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并開發(fā)了一套繼電保護(hù)及故障信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)能適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)較分散的運行特點，可以根據(jù)收集到的設(shè)備信息對全網(wǎng)范圍內(nèi)的保護(hù)設(shè)備進(jìn)行各種行為分析，還可以對故障時的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確定位故障點，快速查出故障設(shè)備及故障出現(xiàn)的原因。目前電力局管轄的所有變電站內(nèi)的繼電保護(hù)和故障錄波器雖然大部分已經(jīng)更換成了微機(jī)型的繼電保護(hù)和故障錄波器，而且也具備通信功能，但是這些微機(jī)型的繼電保護(hù)和故障錄波器分散在各個廠站里，基本上屬于獨立運行。電網(wǎng)發(fā)生事故時，只能依靠人工分別在繼電保護(hù)和故障錄波裝置中收集所有的事故打印報告，人工判斷事故發(fā)生的原因，事故的具體類型，并利用磁盤從故障錄波器后臺復(fù)制來的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行故障定位。

這一現(xiàn)狀為電力局運行管理人員分析故障原因并進(jìn)行故障定位帶來很多問題：

1）實時性差 系統(tǒng)故障后，供電公司的生產(chǎn)管理部門和領(lǐng)導(dǎo)決策機(jī)關(guān)不能及時、準(zhǔn)確獲取事故現(xiàn)場第一手信息資料，降低了管理效率和工作質(zhì)量。

2）故障錄波器廠家軟件互不兼容 有些故障錄波器雖已具有遠(yuǎn)傳功能，但分析功能極不完善。各廠家軟件也不兼容，甚至有的軟件對同一廠家不同型號的裝置也不兼容，使用起來極不方便，管理也非常困難，無法構(gòu)成統(tǒng)一有效的網(wǎng)絡(luò)。

3）資源利用率低 微機(jī)保護(hù)及故障錄波器錄取的故障數(shù)據(jù)中含有豐富的故障信息。對這些信息資源的進(jìn)一步開發(fā)，可應(yīng)用于保護(hù)動作特性分析、故障再現(xiàn)、準(zhǔn)確故障測距、保護(hù)新原理研究和繼電保護(hù)運行經(jīng)驗積累等方面。但目前尚無軟件能實現(xiàn)上述功能。

4）缺乏歷史資料查詢功能 目前故障錄波器錄取的數(shù)據(jù)未能統(tǒng)一形成數(shù)據(jù)庫文件，為歷史資料查詢帶來極大困難。

5）信息資料管理模式落后 長期以來，基層單位一直向上報送的是打印出來的錄波圖，未能形成電子數(shù)據(jù)，造成日積月累后錄波圖保存和管理異常困難，致使故障錄波數(shù)據(jù)利用率不高。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通信服務(wù)器的主要功能是接收和采集子站端 （廠站端）的數(shù)據(jù)，并提供與其他服務(wù)器的通信。在正常情況下，通信服務(wù)器還接收 GPS標(biāo)準(zhǔn)時間，并向整個網(wǎng)絡(luò)廣播時鐘。 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器完成處理和保存所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通信服務(wù)器接收和采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析過濾后完整地保存在磁盤列陣中，便于技術(shù)人員隨時調(diào)用和分析歷史數(shù)據(jù)，完整地掌握整個電網(wǎng)的運行情況。由于調(diào)度主站端的數(shù)據(jù)量在長年運行中將變得非常大，所以需要選用一個大的磁盤列陣。

WEB服務(wù)器用于整理發(fā)布數(shù)據(jù)，并完成整個系統(tǒng)的管理功能：擁有各種權(quán)限的用戶均可以瀏覽到WEB服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)；擁有系統(tǒng)管理員身份的用戶能通過 WEB服務(wù)器上的系統(tǒng)管理模塊管理和維護(hù)系統(tǒng)的服務(wù)器和各種功能模塊；擁有操作員和系統(tǒng)管理員身份的用戶能通過通信模塊訪問到子站端（廠站端）上繼電保護(hù)和錄波器的各種實時數(shù)據(jù)，包括保護(hù)的定值、故障報告、自檢報告、模擬量、采樣值、開關(guān)量和錄波器上的錄波文件、文件列表等。根據(jù)需要，有足夠權(quán)限的用戶還能夠遠(yuǎn)程對微機(jī)保護(hù)進(jìn)行定值整定。在WEB服務(wù)器的分析模塊中，還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，準(zhǔn)確地得到故障類型、故障測距等各種故障參數(shù)值。

考慮到調(diào)度主站端的重要性，需要將數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和通信服務(wù)器建立備份服務(wù)器，在正常情況下，系統(tǒng)會自動選擇一個服務(wù)器投入運行，當(dāng)有一個服務(wù)器出現(xiàn)故障時，另一個服務(wù)器會自動投入運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。

為了整個系統(tǒng)的安全性，防止黑客和病毒的攻擊，在系統(tǒng)所有對外部的路由上均布置防火墻。

2 主站端（調(diào)度端）功能

2.1 數(shù)據(jù)采集處理

系統(tǒng)實時采集各個變電站繼電保護(hù)的模擬量、事件報告、故障報告、異常告警信息、自檢報告，并定時周期性地采集繼電保護(hù)的定值、開關(guān)量和錄波器的錄波文件。采集到的數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)和相關(guān)人員調(diào)用查看。在有事故時，采集各種故障信息（故障時間、故障地點、故障類型、保護(hù)動作情況、重合閘動作情況、2日內(nèi)開關(guān)動作次數(shù)等），并自動采集錄波數(shù)據(jù)，調(diào)用分析模塊，通過對信息和數(shù)據(jù)的綜合分析判斷，得出事故產(chǎn)生的原因及保護(hù)動作是否正確，利用專家系統(tǒng)，提供事故后的處理方案。對原始信息、原始數(shù)據(jù)（采樣數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)生成波形圖）、分析后的信息和事故的建議處理方案形成報表，發(fā)布在WEB瀏覽頁面上，并通過語音、網(wǎng)絡(luò)廣播、電子郵件等方式通知有關(guān)人員。

2.2 WEB信息發(fā)布功能

在WEB頁面發(fā)布所有的設(shè)備運行信息、歷史事故信息、事故處理信息和所有廠站的基本數(shù)據(jù)，相關(guān)人員能使用該功能檢索各種信息、報表并進(jìn)行查看、打印和下載保存等操作。

2.3 實時數(shù)據(jù)瀏覽監(jiān)控功能

實時數(shù)據(jù)瀏覽監(jiān)控系統(tǒng)為 GIS系統(tǒng)，正常運行時為整個電網(wǎng)的地理接線圖，通過該圖能看到所有變電站的運行情況。用戶可以通過點擊某個廠站的圖標(biāo)進(jìn)入該廠站的接線圖，即可對該廠站中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作，如：召喚定值、召喚故障報告、召喚實時采樣值、召喚開關(guān)量、定值整定等，并能對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、下載、打印等操作。

當(dāng)繼電保護(hù)發(fā)出事故信息時，在電網(wǎng)的地理接線圖中，該繼電保護(hù)所在的廠站圖標(biāo)閃爍顯示，點擊進(jìn)入該廠站的接線圖，即彈出該事故的詳細(xì)報告 （包括事故的原始信息、數(shù)據(jù)、綜合分析后的事故信息、建議處理方案等），該廠站的接線圖中相應(yīng)的繼電保護(hù)圖標(biāo)也將閃爍顯示。

2.4 高級分析功能

在事故發(fā)生后，系統(tǒng)將自動調(diào)用高級分析模塊綜合分析判斷事故，并得出事故產(chǎn)生的原因、時間、地點、故障測距、各種故障量（有效值、直流分量、諧波分量、阻抗的大小及相位等），并有根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制的波形圖、相量圖、表格等圖形。

2.5 系統(tǒng)管理維護(hù)功能

系統(tǒng)的管理員可以利用該功能進(jìn)行日常管理維護(hù)、并形成維護(hù)日志。

1）系統(tǒng)參數(shù)管理系統(tǒng)參數(shù)包括廠站參數(shù)、線路參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)配置參數(shù)等，這些參數(shù)均可以修改，系統(tǒng)將實時地反應(yīng)用戶的修改，并將廠站端的配置參數(shù)向各廠站端發(fā)送，以保證系統(tǒng)參數(shù)的統(tǒng)一性。

2）故障數(shù)據(jù)管理 該部分?jǐn)?shù)據(jù)包括實時數(shù)據(jù)管理和歷史故障數(shù)據(jù)管理，用戶不能修改該部分?jǐn)?shù)據(jù)，只能查看、整理和分類。用戶還可以對歷史故障數(shù)據(jù)添加故障的分析結(jié)果、處理方案、處理結(jié)果等。

3）報表管理 管理標(biāo)準(zhǔn)報表和用戶自定義報表，并能添加、修改各種報表中的數(shù)據(jù)項，補(bǔ)充因系統(tǒng)覆蓋范圍原因造成數(shù)據(jù)的不足。

4）用戶管理 系統(tǒng)管理員可以利用該功能全面地管理系統(tǒng)中的用戶。可以對系統(tǒng)中的用戶進(jìn)行添加、刪除、鎖定、權(quán)限分配等操作，使在系統(tǒng)安全得到保證的同時，讓各相關(guān)人員能通過本系統(tǒng)獲取其需要的信息。

5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù) 該功能模塊能讓系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行日常備份，并在緊急情況發(fā)生時（如數(shù)據(jù)庫意外損壞）恢復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

6）系統(tǒng)日志維護(hù) 在整個系統(tǒng)中，用戶的每個操作和系統(tǒng)的每個事件都有日志記錄，這些日志數(shù)據(jù)均不可修改，目的是讓系統(tǒng)管理員能在意外事故發(fā)生后檢查事故發(fā)生的原因和過程。

系統(tǒng)管理員可以檢索各種日志數(shù)據(jù)，并進(jìn)行查看、下載保存、打印等操作。

2.6 自檢和升級功能

系統(tǒng)可以定時周期性地進(jìn)行系統(tǒng)自檢，包括系統(tǒng)功能完整性自檢、系統(tǒng)文件自檢（文件內(nèi)容、文件大小、文件日期、時間等）、通信自檢等。各模塊將根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的自檢指令進(jìn)行自身的檢查，如果發(fā)現(xiàn)本模塊的功能和文件發(fā)生變化，馬上向主站發(fā)送告警，并提示系統(tǒng)管理員重新更新該模塊。該自檢功能設(shè)置了開關(guān)和周期，用戶可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉該功能并設(shè)置自檢的周期。利用該功能，系統(tǒng)的更新和升級將變得十分方便，只要將系統(tǒng)的升級包導(dǎo)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動向主站的各服務(wù)器和各廠站端發(fā)送升級更新命令，需要更新的服務(wù)器和廠站端將向主站升級系統(tǒng)下載需要升級的文件并自動完成升級更新。系統(tǒng)的每次更新或升級，系統(tǒng)將保留升級日志，并可以根據(jù)需要取消更新或升級，恢復(fù)更新或升級前的狀況。

2.7 通信模塊和數(shù)據(jù)處理存儲模塊的雙備份功能

主站在本系統(tǒng)中具有重要地位，同時主站的通信模塊和數(shù)據(jù)處理存儲模塊又是主站端的兩大重要模塊，肩負(fù)著采集、處理、保存各廠站端數(shù)據(jù)的重要任務(wù)，所以需要對這兩個模塊進(jìn)行雙備份。

雙備份也稱熱備份，即一個重要系統(tǒng)有另一個功能一樣的系統(tǒng)作為備份，并能在主系統(tǒng)癱瘓時，備份系統(tǒng)自動啟動頂替主系統(tǒng)進(jìn)行工作。在本系統(tǒng)中，通信模塊和數(shù)據(jù)處理存儲模塊有一個相同布置在另外一個服務(wù)器上的模塊作為備份，兩個模塊并沒有物理上的主次之分，投入的模塊稱為主模塊，退出的模塊為備份模塊，備份模塊能檢測主模塊的運行情況，如果發(fā)現(xiàn)主模塊退出運行，備份模塊自動投入運行。

3 子站端（廠站端）功能

子站在整個繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)中像一座橋梁，一端連著各種保護(hù)裝置和故障錄波器，一端連著調(diào)度值班人員，在發(fā)生復(fù)雜電網(wǎng)事故特別在出現(xiàn)繼電保護(hù)異常動作后，子站系統(tǒng)傳送的繼電保護(hù)事故信息，為調(diào)度值班人員進(jìn)一步恢復(fù)電網(wǎng)提供支持，也是制定反事故措施的基礎(chǔ)，從而提高電網(wǎng)安全運行水平，所以繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)子站在變電站自動化系統(tǒng)中是不可替代的[5-6]。

3.1 實時數(shù)據(jù)采集

子站端實時采集連接的繼電保護(hù)模擬量、事件報告、故障報告、異常告警信息、自檢報告，并定時周期性地采集繼電保護(hù)的定值、開關(guān)量和錄波器錄波文件。采集到的數(shù)據(jù)存儲到子站端實時數(shù)據(jù)庫，并實時向主站遠(yuǎn)傳。所有的通信數(shù)據(jù)均可以進(jìn)行原始數(shù)據(jù)監(jiān)控。 在事故發(fā)生時，子站端就地顯示事件信息，打印輸出事件報告（根據(jù)需要）。

3.2 支持所有型號的微機(jī)保護(hù)和錄波器

系統(tǒng)對保護(hù)和錄波器的通信均有單獨的模塊插件進(jìn)行處理，并可以統(tǒng)一管理這些插件，對一種具有新規(guī)約的設(shè)備，只要編寫相應(yīng)的通信插件即可，所以說系統(tǒng)可以擴(kuò)展到支持所有型號的微機(jī)保護(hù)和錄波器。

目前系統(tǒng)支持的規(guī)約有：南瑞 LFP規(guī)約、南自 94規(guī)約、四方規(guī)約、許繼規(guī)約、103規(guī)約、DNP規(guī)約、SEL規(guī)約等。

3.3 定值、軟壓板監(jiān)視

系統(tǒng)定時周期性地采集保護(hù)保護(hù)定值、軟壓板位置，并和原有的用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，一有變化，將作為系統(tǒng)告警上傳到主站。

3.4 微機(jī)保護(hù)GPS時鐘同步

微機(jī)保護(hù)的時鐘采用電力專用GPS進(jìn)行同步，并可以根據(jù)需要選用硬對時和軟對時。硬對時指GPS直接和微機(jī)保護(hù)相連接，用分脈沖或秒脈沖進(jìn)行對時。軟對時指子站端系統(tǒng)向每個保護(hù)廣播對時報文進(jìn)行對時。如果選用軟對時，可以設(shè)置對時周期，范圍為 1 s～1 d。

4 結(jié)束語

本文提到的繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)克服了以往子站系統(tǒng)運行、功能簡單等缺點，充分滿足了用戶的需求，并已在淮北多個廠站投入運行。系統(tǒng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所列。

表1系統(tǒng)支持的主子站數(shù)Tab.1 The number of main-sub station support by the system

表2信息傳輸時間Tab.2 Information transmission time

故障信息系統(tǒng)的應(yīng)用，能及時取得二次設(shè)備的運行參數(shù)及故障信息，對電網(wǎng)故障信息進(jìn)行綜合分析，提高事故分析處理的時效性和正確性；同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了故障信息資源的全系統(tǒng)共享，解決了目前電網(wǎng)故障信息傳遞速度慢、可靠性差，只能用于事后離線分析的落后狀況。隨著系統(tǒng)的不斷完善、不斷發(fā)展，系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性將不斷提，大大提高保護(hù)專業(yè)管理水平，提高電網(wǎng)自動化水平，為電網(wǎng)事故的分析處理提供技術(shù)支持和有效方法，提高電力生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理水平。

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