福州EMS一體化繼電保護整定計算系統功能設計新探

摘要：現有EMS系統逐步向一體化發展，探討了如何結合一體化EMS系統將繼電保護整定功能融合，以實現繼電保護整定計算功能。系統主要分為系統架構設計、子功能模塊設計、接口設計三方面。

關鍵詞：電力調度；一體化；整定計算；功能設計

作者簡介：陳凌（1980-），女，福建福州人，福州供電公司信通公司，工程師。（福建 福州 350001）

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0211-03

一、系統架構

系統應全面運用最新的分布式軟件體系，并在體系上考慮到數據交換、數據存儲、數據訪問的需求，以實現繼電保護基礎數據、應用數據應用于源端維護、全網共享以及各種繼電保護專業的目標。系統在每個機構內所配置的功能、結構上應是相同的，且不同機構配置的系統之間應是對等的。系統的整體結構圖建議如下圖1所示。

系統的物理部署連接示意圖如下圖2所示。

二、分布式繼電保護基礎數據維護子系統

分布式繼電保護維護子系統應包含數據交換服務、RDF數據訪問服務、數據斷面管理、電網一次建模、繼電保護類型及軟件版本管理、保護配置管理等功能。

1.數據交換服務

通過網絡彼此相連，用于福州地區和其他地區交換接口等值數據。

2.RDF數據服務

通過提供數據訪問服務將數據環境呈現給客戶端，允許用戶通過應用客戶端瀏覽、下載和修改數據，包含由EMS（CC2000）和OMS系統中導入的數據。數據訪問服務應滿足以下要求：支持同時部署任意多個數據訪問服務。數據訪問服務可以靈活部署，既可以同在一臺物理服務器/工作站上，也可以在多個物理服務器/工作站上。提供CIS接口方法以及擴展接口方法，使應用接口直接操作數據對象。允許多人同時訪問數據，并進行資源粒度和圖形粒度的即時協作。數據訪問服務具有完全的獨立性，即在不連接交換服務和存儲服務的情況下獨立運行。允許多人同時瀏覽同一個資源對象，例如一臺變壓器、一條線路；同一時刻若多人修改了同一個資源對象的屬性，最后提交人的修改有效。允許多人同時瀏覽同一個電網/廠站圖形；同一時刻若多人修改了同一個電網/廠站圖形，最后提交人的修改有效。[2]支持建立整定計算所涉及的所有設備參數：根據用戶提供的參數需求建立整定計算應用所需的數據臺賬，并支持電網一次建模導入使用。

3.數據斷面版本管理

對數據按地域、按應用、按版本進行管理，同時能夠根據數據的版本信息建立應用所需的數據環境，加載到RDF中來對應用提供服務。[3]系統應提供一個數據服務管理工具供用戶管理各項數據服務，并滿足以下要求：能夠根據指定的類型、區域、時間點等條件，查詢存儲在本地的數據。支持用戶根據需要生成任意時期、任意范圍的數據，甚至是沒有出現過的研究態數據，并具有數據的備份和提交功能。支持數據訪問服務的創建、刪除、查詢等操作，可配置數據訪問服務的端口。提供備份與恢復界面工具（不需手工敲命令），根據預定的策略自動對系統中所有的數據庫能以“全部”、“增量”方式持續備份，保證在福州地區EMS一體化繼電保護整定計算系統崩潰后重新啟動時，所有的操作系統、應用程序和業務數據能迅速恢復到故障前的指定時段。同時，支持手工備份操作。可預設定時由EMS（CC2000）和OMS系統及服務導入數據。

4.電網一次建模

支持瀏覽、編輯電網參數，包括系統一次設備的電氣參數，電網的拓撲連接關系，廠站的運行方式、線路互感、基準值等。能通過圖形化建模等手段管理電力系統中整定計算所涉及的所有設備。參數管理用于管理電網中故障計算和整定計算所用到的設備參數。

（1）參數管理范圍應該包括故障計算和整定計算所涉及的所有電力設備的實測參數、計算參數的有名值和標么值。

（2）支持電網全數據模型的建模，即支持開關、刀閘等無阻抗元件的建模，數據模型符合IEC61970-CIM模型。

（3）設備參數的計算均應基于額定電壓進行計算。

（4）線路。應能適應不同型號線路段級連的情況，并能按每段輸入參數。能適應T接線的情況，允許在一根線路上有多個T接線的情況，并允許T接線上再T接的情況。能輸入線路互感，包括多重互感和普通互感，互感組數不受限制?？筛鶕€路長度和導線型號（參數庫維護），自動生成線路參數，亦可輸入實測線路參數。

（5）變壓器。變壓器參數主要包括廠站名稱、主變名稱、型號、容量、各側電壓、接線方式、各種短路阻抗、零序實測短路或開路阻抗、各側短路阻抗標么值等。零序參數計算應提供零序與正序成比例計算和根據實驗數據計算兩種方法。變壓器各側接地方式可以獨立設置。

（6）發電機。發電機參數主要包括廠站名稱、發電機名稱、額定電壓、額定容量、額定有功功率、額定功率因數、次暫態電抗的有名值和標么值。

（7）補償器（電抗器、電容器）。補償器參數主要包括廠站名稱、補償器名稱、類型、額定電壓、額定電流、補償器阻抗百分數以及正序、零序電阻和電抗，分裂電抗器。利用互感系數把分裂電抗器拆分為三條支路處理。

（8）接地變（含接地站用變）。廠站名稱、主變名稱、型號、容量、各側電壓、接線方式、接地變經小電阻或消弧線圈接地的阻抗（各種短路阻抗、零序實測短路或開路阻抗、各側短路阻抗標么值等）。

（9）等值電源。參數主要包括廠站名稱、額定電壓、正、負、零序電阻和電抗。

（10）母線。參數包括母線名稱、電壓等級、廠站名稱等。

（11）能夠對全網設備參數及網絡拓撲結構進行正確性和合理性檢查。

（12）支持參數報表的生成，參數報表格式可自定義，并可導出Excel格式。

（13）電網規模不受限制。

5.圖形系統

建立電網結構，便于進行圖形化操作和各種參數的錄入、數據的標注與顯示。

（1）電網建模方式采用圖形化建模，且既能由圖形生成模型，也能由模型生成圖形。

（2）圖形具有分層分區功能。圖形應分為電網層和廠站層，電網層又可以按照不同供電區域來劃分。允許一個變電站可以出現在兩個不同的電網層圖形上，即圖形只是資源的表現形式。

（3）按照電網的層次結構和區域結構建立電網資源樹，電網資源樹應與電網圖形動態連接，實現資源樹導航、定位功能。

（4）能靈活添加、刪除、修改各元件，能實現圖形的移動、拖動、旋轉、著色、拷貝、粘貼等，元件在移動過程中，元件之間的拓撲關系不發生改變。

（5）整個圖形畫面能夠任意放大、縮小及恢復，在縮放時圖中標注也同步縮放。

（6）能實現以上各種圖形的打印輸出，可全部或局部打印，能方便進行打印預覽，能根據打印紙的大小進行圖形的放大縮小，能通過各種打印機輸出（激光、噴墨）。

（7）圖形文件可以脫離程序支持查看或可導出圖片格式。

（8）圖形大小不受限制。

6.繼電保護類型及軟件版本管理

提供了對各種保護的裝置類型、版本、定值清單以及相應的說明書的管理功能。裝置類型管理提供對電網中所用到的二次設備的相關信息的管理[1]：提供保護裝置廠家、型號、軟件版本的管理、統計，也可根據導入的定值單內的裝置廠家、型號、軟件版本納入管理；支持由模塊版本直接生成軟件版本；支持保護裝置定值清單的輸入，并支持按照一定格式通過Excel表格直接導入；支持定值清單的復制、粘貼等功能；支持保護裝置說明書的導入、導出；為方便建模應支持保護裝置整體信息（含保護裝置廠家、型號、軟件版本）的導入、導出，方便保護裝置信息的共享。[4]

7.保護配置功能

主要管理各種設備所配置的保護裝置以及保護裝置的版本，管理用戶廠站中用到的保護屏以及保護屏中的各種壓板，該模塊依賴于一次建模工具和裝置類型管理模塊?？蓪⒁呀浗⒌哪撤N型號的保護裝置配置到被保護對象，并可在圖形上顯示線路、主變及母線的保護配置情況；支持保護屏的配置；支持保護屏壓板等相關信息的輸入；支持直接從圖形上配置相關保護；支持保護配置圖形的生成并可導出；支持二次臺賬信息的生成，并可導出Excel格式。

三、繼電保護整定計算應用

繼電保護整定計算應用子系統應包含短路故障計算、整定配合計算和裝置級定值計算管理、運行方式設置功能子模塊。

1.短路故障計算功能

適用于所有電壓等級的故障計算，故障計算的電網規模不受限制，且計算核心基于精確模型計算，并可計算開關、刀閘等無阻抗元件的電氣量。采用規范化的補償計算方法，支持任意重任意復雜的故障計算，支持電網的等值計算，支持弧光電阻（過渡電阻）的輸入，故障計算設置均以圖形化的方式表示。計算分析的電氣量可自定義，并提供計算結果的可視化表示，同時可根據用戶設置對計算結果進行篩選或統計列表輸出?？扇我庠O置系統方式，方式組合靈活方便，方式個數不受限制。短路電流計算作為整定計算的基本功能，應能完成各種簡單、復雜的縱向和橫向故障計算的功能，能計算線路上任意點發生故障，經過渡電阻故障，能輸出任意支路的故障電流、電壓，且故障計算對電網規模和運行方式不作限制。支持接地系統、不接地系統、經小電阻接地及經消弧線圈系統的故障計算：計及各支路的電阻分量，按復數運算。

計算的分析量可定義；支持圖形化操作，并可支持計算結果的圖形化顯示；支持無阻抗元件電壓、電流等分析量的計算；短路故障計算：單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路；斷線故障計算：單相斷線、兩相斷線；平行雙回線故障計算：平行雙回線間的各種跨線故障；復雜故障計算計算：不同設備上發生的多重故障及同一設備上不同點的多重故障以及如下故障組合情況——簡單故障+跨線故障，跨線故障+縱向故障；能適應經過渡電阻的故障、互感線路掛檢的情況，能適應平行雙回線、環網結構的情況，能適應接地系統、不接地系統、經小電阻接地系統及消弧線圈接地的情況；支持線路相繼動作的情況；支持預設本線路多點連續故障，并以文本輸出及圖形輸出；故障計算結果可根據需要輸出有名值或者任意基準容量下的標么值；能夠對故障計算結果進行最大、最小的篩選，并可以選擇最大、最小前幾名以方便排除無效的運行方式，提供豐富的計算結果輸出功能，可以以文本輸出及圖形輸出，輸出內容可選擇含故障點及非故障點的所有故障量；對故障計算輪斷達到N-N，輪斷開關可預設。

2.整定配合計算模塊

應支持自定義整定配合原則，程序應自動識別用戶定義的配合原則進行計算。整定配合計算過程采用自動計算（計算前可預設配合原則等）或自動計算與人工干預相結合的方式，自動計算時程序將按照用戶定義的配合原則自動進行計算，用戶可根據自動計算的結果結合電網實際情況和用戶經驗進行調整，包括調整配合關系、配合計算條件或者最后的定值，調整配合關系時程序應自動檢查出無限循環并提示用戶修改。程序始終遵循人工操作優于計算機操作的原則，即人工調整的結果不會被程序的自動計算過程所修改，且計算過程中用戶所做調整均會記錄。

整定原則可根據用戶需要進行定義：計算的保護類型可定義；整定規則可定義；配合原則可定義；配合原則的計算方法可定義；定值的計算公式可定義；定值的取值原則可定義；提供豐富的定值顯示顏色、格式的定義；根據用戶選定的保護類型（相間距離、接地距離、零序電流等）、選擇的范圍或區域進行定值的配合計算；定值配合計算中的方式設置功能與故障計算中方式設置功能具有相同功能，能經過故障計算的結果再現配合計算的結果，以便對配合計算進行校核；在定值的計算過程中，可根據需要對自動計算的結果修改故障計算方式；配合計算完成后給出各段定值的取值范圍，并根據取值原則自動給出最后的定值；各段定值能人為指定，并能自動計算附近受影響的定值；能根據配合計算過程，自動生成整定計算書，記錄自動或手工選擇的配合方式、配合元件、助增系數、計算公式等中間過程及最終取值，并對取值結果進行分析總結，指出存在的問題和運行中應注意的事項；整定計算書應能進行存檔及打??；具有原定值管理功能；能夠自動生成定值配合圖；提供豐富的計算結果輸出功能，可以以文本輸出及圖形輸出。

3.裝置級定值計算功能

管理各種保護裝置類型的定值單模板、各定值項的計算方法，實現與整定配合計算系統的無縫銜接，完成定值單的自動計算、輸出、流轉等。用戶通過公式編輯器可以定義各種定值項的計算方法，且計算方法庫可復用。可保留長期的歷史定值，與工作流服務相結合可支持定值單的流轉、批復、發布等，定值單的發布格式支持XML、HTML、PDF等。裝置定值計算：原理級定值的整定計算只是整定計算工作的第一個環節，第二個環節就是面向不同型號保護裝置的整定。裝置定值計算是在原理級定值計算結果基礎上，根據建模時配置的保護型號和保護裝置型號庫中的定單模版，直接形成定值單。

可針對不同的保護裝置定義不同的定值單模板；定值單每個定值項的計算方法可自定義；能夠保存長期的歷史定值單；定值單可發布，并能導出HTML、XML、EXCEL等格式方便與其他系統結合。

4.運行方式設置

運行方式設置提供靈活的電網運行方式管理工具，系統應能以方式樹的形式創建、編輯、存儲、調用、展示各種運行方式。方式樹應與圖形動態連接，快速切換，各種方式的停役元件應能著色展示。方式設定能在圖形上完成。

廠站方式：系統應提供電網中各個廠站運行方式的設置，設置應通過操作開關、刀閘來實現，并能方便實現線路的斷開、變壓器的停用等操作；廠站方式個數不受限制。

系統方式：系統應提供對整個電網運行方式的設置；系統方式個數不受限制；電力元件的計算模型可擴展，以提供對未來新型電力元件的計算能力；具備智能電網建設所需的系統整合能力，支持與其他應用系統的二次數據共享和交換。

四、與EMS（CC2000）系統數據交互子系統

該系統應能夠自動增量導出改動的電網模型數據。數據交互子系統支持從兩系統約定的位置讀取CC2000系統導出的一次設備的拓撲信息。支持對于多次導出數據的一次性讀取，讀取完成后，能夠及時刪除已經讀取的過時數據。

五、與EMS（CC2000）系統數據解析子系統

基于交互接口讀取的一次設備拓撲信息數據，數據解析接口子系統負責還原出一次設備的模型和它們之間的拓撲連接關系。解析接口模塊完全支持電網圖形標準SVG格式、電網模型cim-XML格式，同時解析接口支持對增量導出的數據解析功能，能夠準確高效地實現和EMS（CC2000）系統的數據交互識別問題。

六、與OMS數據交互子系統

OMS數據交互接口子系統應支持從約定的位置讀取OMS導出的參數，并實現和從EMS讀取的電網模型數據的匹配。OMS數據交互接口子系統支持對數據的一次導出，多次讀取，實現對過時數據的清理功能。

參考文獻：

[1]1IEC61850-6變電站通信網絡和系統系列標準第6部分：智能裝置通信配置描述語言（SCL）[Z].

[2]IEC61970-301能量管理系統應用程序接口第301部分：公共信息模型（CIM）[Z].

[3]IEC61970-501能量管理系統應用程序接口第501部分：描述CIM的資源描述框架定義格式（CIM-RDF Schema）[Z].

[4]IEC61970-503 能量管理系統應用程序接口第503部分：CIM模型數據交換格式（CIM-XML）[Z].