基于新疆繼電保護故障信息系統的思考與深化應用

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(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2. 國網新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 83002；3. 國網新疆電力公司檢修公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨著對電力系統調度自動化要求的不斷提高，作為其中重要部分的繼電保護故障信息系統得到了長足的發展。目前，中國大部分省網公司都建立了繼電保護故障信息系統。該系統為繼電保護及安全自動裝置提供了統一的分析平臺,有利于調度部門迅速掌握電網實際故障狀況以及繼電保護動作行為，及時分析電網事故、迅速做出正確判斷進行事故處理并快速恢復系統。同時有助于掌握繼電保護設備運行狀況，有效地分析繼電保護動作行為，提高調度管理及運維水平[1]。在對繼電保護故障信息系統普及應用的同時，對其在電力系統中的深化應用逐漸成為人們關心的另一個方面。可見深化應用不僅是對智能電網發展的契合，更是對調度人員處理相關問題的有力幫助。

1 發展歷程及研究現狀

近年來，隨著計算機技術、通訊技術和網絡技術的飛速發展，數據采集與監視控制系統 (supervisory control and data acquisition，SCADA)技術進入了一個快速發展階段。繼電保護故障信息系統已經普遍地應用于國內高電壓等級電網中，功能也越來越豐富，系統結構和配置發生了很大的變化。在繼電保護故障信息系統建設初期還存在著多種問題，例如數據共享交互不完善、工作站維護過于頻繁、規約和接口不統一等，隨著對繼電保護故障信息系統功能的不斷完善，上述問題得到了有針對性的解決。建立覆蓋區域更廣泛的信息站內網，統一信息傳輸形式，有利于數據的廣泛共享。繼電保護故障信息系統嵌入到現代調度管理當中，不同的站點由不同的調度層級負責，大大提高了故障處理的效率。由文獻[12]得知，經過對繼電保護故障信息系統軟件和硬件的改造，繼電保護故障信息系統在日常運行當中已經達到了一個比較合理規范的工作模式。

隨著智能電網的提出和發展，對當前的繼電保護故障信息系統提出了更高的要求，提高故障的處理速度，降低電力系統故障發生率是建立堅強智能電網的必然要求。所以對繼電保護故障信息系統進一步發展提出了新的要求，從數據的可視化展示到數據信息專家系統的建立都在不斷的賦予繼電保護故障信息系統以新的功能。

2 定義及組成結構

2.1 定義

繼電保護故障信息系統是電力系統下的一個子系統用以處理各種故障信息，并兼有分析判斷功能。文獻[13]指出電力繼電保護故障信息系統采集電力系統中各繼電保護裝置和故障錄波器的實時或非實時運行、故障和配置信息, 進行故障分析和處理、運行狀態監視和配置信息管理, 是現代電網繼電保護系統的重要組成部分。文獻[14]指出繼電保護故障信息系統是為了提高電網調度信息化、智能化，實現對電網繼電保護和錄波裝置的運行狀態監視及電網故障后的及時診斷，是電網調度迅速掌握故障時的保護動作行為。文獻[15]指出繼電保護及故障信息管理系統主要對保護裝置進行監視、控制和管理；提供為保護裝置服務的計算、分析手段;并對保護裝置產生的信息進行綜合分析和利用。以往的文章對繼電保護故障信息系統的定義大多是從功能出發，敘述了它在電力系統中的作用，并沒有給出明確定義。通過現場實際工作，并結合常規以及智能化變電站繼電保護設備運行工況，這里給出如下定義：繼電保護故障信息系統是在電力系統調度自動化概念的基礎之上提出的，是對電力系統故障情況的一種處理措施并收集故障及控制操作信息向上級傳輸。

現代應用中的繼電保護故障信息系統還兼有信息分析處理等功能，且不斷的被賦予新的功能，使之更加完善。繼電保護故障信息系統從概念上分為兩部分：一部分是安裝在一次設備上的各種繼電保護裝置；另一部分是基于自動化對故障信息的采集，通過傳輸線路的傳送，由中心調度對故障信息進行分析處理并下達管理信息。建設繼電保護故障信息系統的意義不僅僅停留在對保護動作報告和故障錄波文件的信息搜集和分類管理,更重要的是能夠及時準確分析保護動作行為,大大提高信息和故障綜合分析處理能力,并通過對變電站故障信息的綜合分析,使調度部門可以及時、快速了解電網故障情況,并進行事故分析、故障定位等,以做出正確的分析和決策,從而確保電網的安全、穩定運行。

2.2 組成結構

理解繼電保護故障信息系統的組成結構是理解系統功能定義和提出深化應用的前提基礎，繼電保護故障信息系統的結構從提出到現在逐漸發生著變化，在不同的變化當中可以看出，繼電保護故障信息系統的功能分級管理更加地明確，新設備接入系統越來越自如，系統更加的完善。但是繼電保護故障信息系統的本質功能并沒有隨著這一切的變化而偏離。反而，新增加的功能是對基本功能的補充和完善。文獻[16]對電網繼電保護故障信息系統結構做介紹的同時，只是把整個繼電保護故障信息系統簡單的分為子站和廣義上的主站，然后分別討論了子站與主站的結構構成。文獻[17]中同樣指出繼電保護故障信息系統結構上分為主站與子站，并指出主站隸屬于中心調度，子站是各個場站的統稱。文獻[13]指出繼電保護故障信息系統由主站、輔站和子站組成，但并沒有指出各個環節與整個調度的嵌入關系。

繼電保護故障信息系統是依托電力系統調度而建立起來的，所以繼電保護故障信息系統的結構與電力調度方式密不可分。繼電保護故障信息系統就是嵌入到調度模式中的一個子系統，對應中心調度、地調以及各個場站，分層分區域管理。繼電保護故障信息系統由中心站、輔助站和子站組成，每個站點都由硬件設備和軟件分析輔助設備構成，子站偏向于現場變電站實時監控，數據的在線采集以及場站人員對中心站和輔助站命令的執行；輔助站主要負責自己所屬地區場站上傳數據的系統分析處理、日常監控和緊急情況處理等任務；中心站負責自己管轄場站的日常監控和緊急情況處理，同時還負責各個子站以及輔助站上傳的各類信息分析處理，并對故障處理或者日常調整決定下發到各個子站及輔助站，對整個繼電保護故障信息系統的運行起到系統把握作用。

圖1 系統結構圖

依托電力系統調度自動化對該系統分層、分級的結構，有利于明確各個層級所負責的中心任務。對整個系統的運行而言，使各個負責單位明確自己的職責能夠更加高效地解決發生的問題，提高對突發事件的處理能力，從而降低個別故障引起的對整個系統的沖擊和影響。

3 功能定義

繼電保護故障信息系統能夠提供強有力的事故處理措施，保證較高的安全水平。在滿足電力系統調度自動化為主要任務的前提下，提出了繼電保護故障信息系統新的功能要求。

(1)圖形顯示功能

中心站主機可顯示全網地理接線圖，通過點擊地理接線圖中任一變電站可調出該變電站的主接線圖及保護、錄波裝置的配置圖，點擊任一裝置即可調出該裝置的歷史數據。當系統發生故障，有報告傳到中心站時，變電站主接線圖中有明顯標志自動顯示故障報告的存在。圖形具有方便的編輯功能，如添加、刪除設備等。

(2)故障信息的管理統計功能

繼電保護故障信息系統不僅需要獲取在線運行裝置的故障信息、運行狀態、開關動作情況以及趨勢(即將形成什么動作狀態)和其他一次設備的操作信息，而且需要對二次設備的運行情況、錄波狀態以及其他信息進行收集、分析。對于信息不足或不能夠獲取足夠的有用信息進行分析時，利用已有的數據庫和模型，結合現有少量的數據進行分析。對系統的故障做出接近準確的判斷，把因分析錯誤而引起的二次系統沖擊降低到最小。對于大型網絡，由于設備眾多，提供給主站的信息過于繁雜時，中心站利用信息綜合，結合已有模型、數據庫和以往典型故障類型，對海量信息進行篩選，來減少調度人員的工作量，能夠及時準確地找出有用的信息，對發生的故障進行有效的分析。

對于存儲的數據進行多種方式的標示，例如按照單位、廠站、線路名、開關號、保護及錄波裝置型號等，便于調取和查詢。同時系統軟件具備與辦公軟件相兼容，方便調度人員對數據的管理操作。

(3)報警功能和信息發布功能

繼電保護故障信息系統的報警功能是對故障已經發生或者超越安全控制線的一種提示。分為現場報警和主、輔站的系統報警，分別提醒現場操作人員以及終端管理人員系統所處的危險境況。信息發布功能既是對當前發生故障信息的一個在線發布，也是對訂購信息再處理分析結果的發布。

4 深化應用

4.1 數據的可視化處理

繼電保護故障信息系統涉及的信息量非常龐大，這些信息大致可以分為：保護裝置的運行信息、保護動作信息、保護定值信息、保護錄波信息、網絡通道信息、保護開關量信息等。不同種類的數據信息進行簡單的分類顯示，已不能滿足操作人員對于效率的追求，而且隨著數據可視化技術的不斷發展，使其在繼電保護故障信息系統信息顯示中的應用成為發展趨勢。

傳統的繼電保護故障信息系統信息圖示化包含了簡單的圖形功能。圖形維護模塊能繪制各種簡單圖形，在繪制普通圖形的基礎上通過組合的方式能形成各種保護設備、母線、變壓器、線路、開關、電抗器等圖元，用來形象地顯示電氣元件。數據的可視化在包含傳統數據圖示化的基礎上更加直觀、形象地呈現數據；挖掘、突出呈現數據的關聯性；增強數據呈現的藝術效果，符合審美；實現用戶與數據的交互、增強用戶對數據的控制。

數據的可視化在繼電保護故障信息系統中的應用以簡潔、易懂、省時高效的方式呈現數據內容并理解數據含義為目的，最終滿足調度人員的需求。數據的可視化技術在繼電保護故障信息系統信息處理中的高級應用以3方面來闡述：①呈現多維混搭信息的可視化應用，結合存儲模塊對故障信息的發生時間、地點和故障的類型進行多維混搭呈現，可提高分析對比時間；②揭示數據關聯趨勢的可視化應用，可對調度人員在使用數據可視化應用分析時前后不同時刻頻繁瀏覽的數據類型自動關聯呈現，并且提供手動選擇和刪除數據類型關聯呈現；③可記憶數據可視化應用，把調度人員對某些數據的分析進行簡單的操作記憶起來，并用不同于初始的呈現方式在原始數據中顯示出來。對下一次分析提供幫助。數據的可視化展示見圖2。

圖2 數據的可視化展示

數據可視化技術在系統中的應用極大地提高了調度人員分析檢測系統的工作效率，也是兩個不斷發展的科學技術很好的耦合，并且發揮了新的作用。

4.2 采集信息的深入挖掘與應用

繼電保護故障信息系統所采集的信息作為電力系統中信息的一部分，對其深入的價值挖掘以及應用顯得越加重要。需要對其采集信息進行如下的深入挖掘與應用。

(1)利用實時數據對新能源發電模型進行優化

新能源并網發電有別于傳統的火電和水電，具有相同的特點就是終端能源消耗的不可控性，從而對系統的故障特性帶來了新的問題。

由繼電保護故障信息系統采集的各個風電廠、光伏電廠的故障信息進行綜合篩選，反饋給研究人員，利用這些實測的信息，結合試驗模擬仿真，對等值風電廠、光伏電廠模型進行優化，使其更加真實地反應實際電廠特性。利用改進的模型對新能源電廠進行分析和模擬，能夠起到對故障的預判作用。試驗仿真信息再次與繼電保護故障信息系統反饋的有用信息相比較，進一步對模型進行優化，依此循環，能夠形成一個比較準確的模型，提供對系統的分析準確性。

(2)利用故障分析結構進行故障反演

繼電保護故障信息系統信息的采集，生產報告傳輸到調度中心，經過專家系統的分析，對故障過程及結構的準確再現，為相關從業人員的培訓提供了很好的素材。對已完成分析的典型故障類型，進行整理、總結形成故障反演的培訓資料。在此資料中可以進行故障展示，從保護動作的再現結合所導致的后果，分析得出故障產生的原因。

故障反演整體設計過程包括如下步驟。

圖3 故障反演結構圖

主要元件的建模和仿真數據的輸入所需要的數據，采用實際系統提供的參數，對于系統不能夠提供的數據，參考典型數據以及實時采集的數據進行補充。

生動的故障反演不僅能使受培訓人員對故障有更加清晰的認識，而且能夠加深對于故障的理解，從根本上杜絕故障再次發生時的誤操作。

4.3 專家系統的優化

繼電保護故障信息系統的深化應用除了對于信息的再利用之外，還有新型功能的開發。在繼電保護故障信息系統信息分析層面，能夠實現自動分析功能的專家分析系統有著重要的實用意義。

專家系統是繼電保護故障信息系統各個功能模塊中的高級應用。故障分析專家系統是一種基于規則和事例的智能計算機程序，它利用知識庫和預設推理結構完成邏輯分析判斷，求解涉及專業知識的高難度問題。實現專業問題智能化處理，是現代分析軟件升級應用的一種趨勢化嵌入模塊。

故障分析專家系統作為繼電保護故障信息系統的高級應用核心內容，它是對子站上傳信息的一種智能分析，信息的上傳采用中心站向子站對數據信息進行訂購，保護系統中的任何一個信息都可以成為被訂購對象，同樣主站也可以對數據進行分類訂購，直接訂購某一種或幾種類型的數據，實現擇優選取。專家系統的加入為繼電保護故障信息系統的模塊組成結構注入了新的定義，由信號采集與存儲模塊、電網故障觸發模塊和故障綜合分析模塊組成。結合這種模塊組成結構傳統的信息篩選做法是把信息的篩選功能賦予了故障綜合分析模塊當中，讓故障綜合分析模塊執行有用數據篩選的分析判斷。這樣延誤了故障分析處理的時間，而且不能夠自定義多種信息選取方式，單純地依據所要分析的故障進行篩選，會導致有用信息依然沒被篩選處理單獨存儲、或者有用信息在特定的故障分析中被無用化而刪除。而且傳統的信息甄別篩選條件太過固定且單一，容易漏選重要信息。

為此提出了在電網故障觸發模塊之后加入信息篩選模塊。信息篩選模塊是信息的智能化分析處理模塊，為故障綜合分析模塊的信息處理提供所需信息匹配供應。在系統正常情況：采用按需求上傳指定信息。在系統故障情況下，能及時上傳故障簡要信息，包括故障發生的時間、地點、類型等基本故障信息。簡要信息還應該包含詳細內容的鏈接，如果調度人員對簡報的某個信息的詳細內容感興趣，通過點擊能夠在短時間內獲取相關信息，從而提高了繼電保護故障信息系統的實用化。信息篩選模塊可以根據用戶的要求設置數據信息上傳的優先級，還可以設置不同的接口以應對繼電保護故障信息系統中安裝的不同廠家生產的不同通信協議的設備。信息篩選模塊對存儲模塊還應該有反饋功能，對分析過后的數據組別中無用信息范疇打包反饋給存儲模塊，以便于存儲模塊對無用信息及時刪除，釋放存儲空間。加入信息篩選模塊后故障綜合分析流程如圖4。

故障診斷專家系統是將專家系統應用到故障診斷之中,可以利用領域知識和專家經驗提高故障診斷的效率。故障診斷專家系統在繼電保護故障信息系統中的應用是依據分析人員預設的規則或形成的模型對上傳的保護信息進行預想分析，分析過程還可以加入智能的并行分析，來提高分析速度，從而提高工作人員的研究效率。

在故障診斷專家系統對保護信息分析完成之后，進一步增加系統的功能，使其能夠自動對描述數據特性的信息產生報告。

圖4 故障綜合分析流程

4.4 繼電保護故障信息系統與EMS的融合

能量管理系統(EMS)是以計算機為基礎的現代電力系統的綜合自動化系統，主要針對發電和輸電系統，用于大區級電網和省級電網的調度中心。EMS的信息化，即能夠精確高效地集成、共享和利用各類信息,實現電網運行狀態及設備的實時監控和電網聯合優化調度，和智能電網對EMS精確優化的事故預測功能的要求，為繼電保護故障信息系統和EMS的融合提高了天然的切入點。

繼電保護故障信息系統與EMS的融合能夠強化繼電保護故障信息系統的基本功能，EMS是一個相對成熟的平臺，可以為繼電保護故障信息系統提供強大的數據支持；EMS還提供了強大的在線圖形顯示功能，可以及時準確地查看到故障發生地點附近其他設備的運行情況；EMS具有完備功能全面、設計周密的各種公共服務,包括圖形管理工具、報表工具、權限服務、告警服務、web服務和系統管理等等。集成繼電保護故障信息系統可直接利用這些成熟的公共服務功能,既避免了大量重發開發的工作,又更能滿足用戶的使用習慣。

繼電保護故障信息系統和能量管理系統的相互交互可以體現在如下兩個方面。

(1)信息交互。繼電保護故障信息系統把故障信息傳輸給EMS，使智能調度與輔助決策系統通過對數據的分析處理，協助調度員對電網進行更合理的調度以提高輸電效率、電能質量及處理事故的能力。電力系統中某處發生故障，繼電保護故障信息系統采集的信息上傳專家系統，與此同時，EMS把故障處附近的線路、變壓器等設備的電氣信息傳輸給繼電保護故障信息系統，以輔助專家系統對故障進行分析，提高分析判斷故障的準確性。

(2)預報警功能。繼電保護故障信息系統采集的故障信息，一方面可以為EMS提供準確的故障定位，讓調度人員迅速作出決策，避免已發生故障擴大的連鎖反應，把故障影響降到最低；另一方面，由于繼電保護故障信息系統是專業的故障分析系統，對電力系統中已發生的故障有準確判斷作用，繼電保護故障信息系統和EMS的融合之后，解決了電網發生故障時，EMS在系統故障發生后會將所有報警信息不加處理地提供運行人員,數以萬計的數據涌入調度控制中心,并且還經常會伴隨誤報警的現象，幫助調度人員做出正確的故障處理決策。

5 結 論

分析研究了繼電保護故障信息系統的系統原理、組成結構、功能以及一些規范化的應用。未來電網中接入的場站越來越多，面對不斷增加的場站帶來的龐大信息量分別提出了三方面的建議：首先，針對大量信息的存儲和便于調用，提出了增加信息篩選模塊；其次，基于數據的呈現形式，提出了繼電保護故障信息系統信息的可視化應用，提高可讀性、更對相關聯數據模塊和頻繁交互瀏覽的數據模塊進行綜合呈現、智能化組合；最后，對繼電保護故障信息系統與能量管理系統的融合可能性、優越性以及結合的切入點進行了分析探討。所提出的基于繼電保護故障信息系統的深化應用，是結合實際問題提出的可行性解決方案，對解決此類實際問題提供了一種思路，有實際應用價值。

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