電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的設計與研究

摘要：近年來全社會的電力需求與日俱增，這對電力系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運行提出了更高的要求，然而目前電力系統(tǒng)對各種故障的原因記錄和故障分析等方面還存在著很多缺陷，導致難以準確、及時地確定電力系統(tǒng)發(fā)生的事故原因，這給電力事故的防范和處理帶來了很大的難度。設計和開發(fā)了一個完善的繼電保護及故障信息系統(tǒng)，以便將不同廠家、不同類型的錄波裝置和微機保護裝置進行統(tǒng)一管理，對各種故障信息統(tǒng)一分析和處理。

關鍵詞：繼電保護；故障信息系統(tǒng)；電力系統(tǒng)

作者簡介：盧盛平（1990-），男，遼寧普蘭店人，沈陽工程學院電力學院本科生。（遼寧 沈陽 116200）

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）20-0207-02

近年來各種微機保護系統(tǒng)、自動化裝置和故障錄波器在我國得到了大力的推廣和應用，由于電力系統(tǒng)中的微機繼電保護裝置和故障錄波器都是單個產(chǎn)品，不同廠家間的設備難以順利地進行信息和數(shù)據(jù)的交流與互換，并且不同廠家的軟件和通訊方式各不相同，這使得在廠站的擴建中會造成硬件設備的重復建設和數(shù)據(jù)管理的不便。[1]在這種背景下，構建一個完善的電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)對不同廠家和不同類型的微機保護裝置與故障錄波裝置進行統(tǒng)一管理，提高數(shù)據(jù)的處理速度和故障的分析能力，就顯得尤為重要。

一、電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

目前國外已有很多繼電保護及故障信息系統(tǒng)投入到實際應用中，并且取得了較好的效果，但我國對電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的研究還處于起步階段，雖然具備較完善的理論知識，但是實踐經(jīng)驗卻比較少。[2]

現(xiàn)階段電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)建設的迫切任務是為系統(tǒng)的功能定位、規(guī)劃和實施確定一種合理的框架，同時確定數(shù)字式保護和故障錄波器的數(shù)據(jù)處理方式、所支持的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，以及對各種信息的定義和動作時間的描述方式。[3]

二、電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的設計

1.電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的結構分析

電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的結構見圖1，整個系統(tǒng)由主站層、通信層、子站層和設備層構成，其中主站層由調度管理系統(tǒng)、調度工作站、數(shù)據(jù)服務器和打印機等設備構成，主要功能是分析和處理上傳信息，并與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和共享；[4]通信層的功能是將子站收集和預先處理過的信息上傳到主站層，便于工作人員進行查看和管理；子站層的功能是對設備層采集到的各種信息進行簡單的預處理，然后經(jīng)通信層傳遞給主站層；設備層由微機保護、故障錄波器和GPS等設備構成，主要功能是對現(xiàn)場故障信息進行采集。

2.電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)的設計原則

（1）開放性和兼容性。系統(tǒng)設計時，除了要考慮到對原有軟、硬件設施的兼容，還要考慮到未來各種應用系統(tǒng)的互操作性，確保用戶能夠保持原有的操作習慣，同時保證系統(tǒng)在未來有良好的可擴展性。

（2）可維護性。系統(tǒng)盡量要在可視的前提下進行各種功能的維護，同時各種功能的維護都可以通過可視化窗口和元件來操作。

（3）可靠性。系統(tǒng)的自我恢復和容錯能力要強，具備較強的可靠性和安全性，從而確保整個電力系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地運行。

3.電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)硬件環(huán)境的開發(fā)

（1）主站系統(tǒng)結構的開發(fā)。系統(tǒng)將采用主站分布式結構，這樣各主站系統(tǒng)會以專線或者是通信網(wǎng)絡的方式連接到各自所管轄的子站上，對子站的數(shù)據(jù)信息進行分別存儲和處理，并和其他主站間進行數(shù)據(jù)的共享。[5]

利用專門的通信前置機，主站系統(tǒng)和所管轄的子站系統(tǒng)之間能夠順利地進行數(shù)據(jù)交換與通信。利用Web服務器，某個主站系統(tǒng)可以向其他主站系統(tǒng)提供Web數(shù)據(jù)服務。通過在Web服務器和其他SCADA/EMS、MIS網(wǎng)絡間安裝系統(tǒng)防火墻，能夠防止未授權用戶對系統(tǒng)進行訪問，從而極大地提高系統(tǒng)的安全性。通過在不同的工作站中安放不同的功能同時可以配置一些如整定計算和專業(yè)工作站，來滿足不同用戶的需求。

（2）主站系統(tǒng)結構的開發(fā)。電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)中的設備的種類和數(shù)量繁多，子站系統(tǒng)需要解決的問題是如何將這些設備連接到系統(tǒng)中，同時還要能對這些設備進行管理和遠程維護，因此系統(tǒng)的設計必須解決裝置的通信接口問題。本系統(tǒng)通過采用光電隔離器和多串口的通信設備相連，來解決RS-422、RS-485和RS-232的串口問題。一般設備通過集線器或交換機接入到工控機上，LONWORK設備通過專門的LON卡連接到工控機上，采用CAN總線接口的設備通過專門的轉換裝置連接到相應子站的工控機上。通過子站系統(tǒng)，設備層所采集到的信息能夠傳輸給子站的后臺設備和各級主站，子站后臺需要擁有初級的數(shù)據(jù)處理和人機界面功能。除了特殊情況，一般是不提倡建立子站后臺的，因為會增加系統(tǒng)的維護和運行成本。

4.電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)軟件環(huán)境的開發(fā)

（1）軟件環(huán)境的結構開發(fā)。圖2為軟件系統(tǒng)的結構開發(fā)圖。本文所涉及的電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息系統(tǒng)以分布式系統(tǒng)和CORBA技術為基礎，整個系統(tǒng)由多個分布式系統(tǒng)組成，多個分布式系統(tǒng)又分別由多個位于不同位置的獨立對象組件構成，這樣可以確保網(wǎng)絡上的任意一臺計算機都能夠實現(xiàn)即插即用，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的可維護性、可擴展性和開放性。

（2）操作系統(tǒng)平臺和對象持久化接口服務器的開發(fā)。為了確保操作系統(tǒng)平臺無關性的實現(xiàn)，整個系統(tǒng)必須支持多用操作系統(tǒng)平臺，其中客戶端系統(tǒng)必須支持Windows的一系列操作系統(tǒng)；服務器端系統(tǒng)必須支持LINUX、Windows和UNIX系統(tǒng)等。作為一種獨立設計的通用接口服務器，對象持久化接口服務器分布在數(shù)據(jù)庫服務器和上層應用間，在系統(tǒng)所采取的關系型數(shù)據(jù)庫和面向對象的應用程序間建立連接，從而完成各種故障信息的轉換和匹配。

（3）可擴充的應用系統(tǒng)結構。作為基本的人機界面框架，可擴充的應用系統(tǒng)結構具有通用圖形，可以操作數(shù)據(jù)。通常情況下，可擴充的應用系統(tǒng)結構應包含以下功能：具有面向的方式，能夠操作地理連線形和系統(tǒng)圖；具有以對象組織關系為基礎的窗口操作功能；具有良好的人機界面，運行工作人員對系統(tǒng)進行操作和管理。

（4）事件通知服務。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護及故障信息系統(tǒng)的子站要能夠及時采集和處理故障信息，并將處理后的信息上傳給相應的主站系統(tǒng)。系統(tǒng)的子站事件處理程序將采集IED設備所產(chǎn)生的事件信息，并將這些信息轉化為一種預先定義的事件信息結構，然后通過公關請求代理結構中的“事件通知服務”，采用標準的接口調用主站系統(tǒng)的事件通知服務器接口，將事件信息傳遞給主站系統(tǒng)，讓主站進行進一步的分析。本系統(tǒng)必須具備對事件進行預先過濾的功能，因此系統(tǒng)中的事件格式是結構化的。

（5）數(shù)據(jù)采集器和二次設備對象組件集合的介紹。作為一種獨立的對象組件程序，數(shù)據(jù)采集器的構建基礎是對象持久化接口服務器，其功能是收集和存儲各種數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集器任務的展開需要事件服務器為其提供一定的事件通道，然后選擇一定的數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)庫會對數(shù)據(jù)采集器收集的數(shù)據(jù)信息進行存儲，并與相關的設備進行關聯(lián)，從而形成針對性的事件日志。本系統(tǒng)需要通過分布式公共請求代理結構，與現(xiàn)場的所有二次設備（如繼電保護裝置和故障錄波器等）進行連接，同時與一個公共請求代理結構服務器對象組建進行連接，從而為用戶提供各種特殊的應用程序。

（6）設備對象的網(wǎng)關設置。設備對象調用代理服務可以將每一個硬件設備變成相應的功能對象，設備功能對象的訪問會引起硬件設備的訪問。對設備對象的引用會存儲到數(shù)據(jù)庫中，并與相應設備在數(shù)據(jù)庫中的記錄進行關聯(lián)。使用對象發(fā)行機制利用設備號進行查詢，能夠從設備的完整對象中獲取該設備的功能對象，同時也能夠從設備的功能對象中間接得到該設備的完整對象。因此，利用設備的完整對象可以直接訪問設備的當前狀態(tài)和設備的靜態(tài)屬性，同時無論設備的功能對象是否存在，設備的各項操作都能被調用。

（7）主站數(shù)據(jù)庫的設計。主站數(shù)據(jù)庫對采集的信息進行分析和處理，然后將處理過的數(shù)據(jù)進行存儲，并與其他主站間進行數(shù)據(jù)的交換和共享，同時采用關系型數(shù)據(jù)庫來作為與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交流的平臺。關系型數(shù)據(jù)庫由表、表之間的索引、表具有的字段等三個部分構成，通過表之間的索引來描述設備間的關系。由于關系型數(shù)據(jù)庫中表與表間不能建立一對多的索引，因此必須在CIM中選擇合適的關聯(lián)方向來與關系型數(shù)據(jù)建立映射關系，從而描述關系表。

（8）數(shù)據(jù)的分類、訪問和存儲。繼電保護及故障信息系統(tǒng)所采集和提供給管理者的信息是復雜多樣的，包括時間信息、故障信息、系統(tǒng)自檢信息和開關量信息等。雖然故障數(shù)據(jù)間有一定的關聯(lián)性，但是系統(tǒng)的保護裝置和故障錄波器在傳輸數(shù)據(jù)時不能保證一并傳輸所有相關聯(lián)的數(shù)據(jù)，因此需要子站系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)信息進行分析和過濾，從而確保將有用的信息傳遞給主站和管理者。子站系統(tǒng)對采集到的信息進行分析時，會根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度和使用者進行過濾，過濾后的信息會分為等待訪問的數(shù)據(jù)和主動上傳的數(shù)據(jù)，其中主動上傳的數(shù)據(jù)會及時傳輸給主站，確保管理人員能對系統(tǒng)故障進行及時的了解和判斷。

三、小結

本文所開發(fā)的繼電保護及故障信息系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測和采集現(xiàn)場設備的運行數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)進行分析和處理后提供給管理人員，對子站上傳的各種信息進行存儲，并且能夠確保系統(tǒng)的良好通信，為電網(wǎng)系統(tǒng)的安全和可靠運行提供了良好的保障。當然本系統(tǒng)仍然存在一些不足，如保護設備的更新、對各種故障信息還需進一步分類和儲存、二次設備所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在內(nèi)容和格式上尚需進一步規(guī)范等，這需要日后進行更深入的研究。

參考文獻：

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[3]何鳴，王皓，黃禮文.繼電保護故障信息子站建立的調試方法和應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，（10）.

[4]夏國明.繼電保護故障信息系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術，2011，（5）.

[5]汪源生.基于Web的繼電保護信息管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2001，25（5）.

（責任編輯：孫晴）