新一代繼電保護及故障信息管理主站的設計與實現

祁 忠，篤 竣，張海寧，李 楓，馮佳男，劉煥志

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102)

近年來，為了實現對繼電保護裝置和故障錄波裝置的實時監視、遠程控制，實現對電網故障的實時分析，各級電力調度中心相繼建設了繼電保護及故障信息管理（以下簡稱保信）系統，該系統對提高電網運行管理水平、提高事故的處理速度發揮了重要作用，已經成為繼電保護運行管理、輔助分析和決策不可或缺的技術支持系統[1-5]。隨著電網二次系統建設的不斷發展，應用水平的不斷提高，對保信主站提出了更高的要求。現有的保信主站普遍存在以下幾個問題：

（1）功能設計簡單，僅僅實現了對保護裝置和故障錄波裝置的數據采集、監視、故障信息歸檔等基本功能，缺乏對數據的深入分析，對電網故障分析的智能化程度低。

（2）大部分保信主站獨立設計，沒有遵循統一的建模規范，缺少標準的數據交換接口，與能量管理（EMS）系統間信息交互困難，容易形成信息孤島，不能充分發揮保信系統的作用。

（3）在調度集控一體化的情況下，需要將EMS系統與保信系統進行有效的整合，實現EMS/ 保信系統的橫向融合和一體化運行[6，7]。

由于傳統保信主站沒有構建在統一的支撐平臺之上，沒有考慮與EMS 系統的一體化設計，無法適應EMS/保信一體化建設的需求。

1 保信主站的設計要求

現代電網日益趨于復雜，一個區域的保信主站通常要面對幾百座不同電壓等級變電站的接入，需要采集和處理幾千臺二次設備的信息，對二次設備的信息要進行綜合分析，還要與EMS 系統進行數據交互，獲取電網模型和電網實時運行狀態。保信系統具有數據和信息結構復雜、功能復雜、跨系統、可靠性和安全性要求高等特點，因此新一代保信主站在設計時，至少遵循以下的設計原則：

（1）保信主站應支持不同的硬件平臺和不同的操作系統，能夠跨平臺混合運行；采用分布式系統設計，滿足大規模子站接入的需要；采用模塊化設計，方便系統功能的擴展。

（2）保信主站應采用平臺化結構，在基礎平臺上構建保信主站應用，從應用功能、圖模庫維護、人機界面展示等方面考慮與其他應用系統的一體化設計，實現應用系統之間的相互融合和信息集成，逐步實現更多的綜合智能應用功能；

（3）保信主站應基于IEC 61970 標準構建保信應用模型，實現電網一二次設備模型及參數的全景建模，滿足保信系統高級應用的需要。作為獨立保信系統，應提供標準的服務接口，支持以CIM/XML 文件進行電網模型的交互，支持以SVG 格式文件進行電網圖形的交互，支持以E 格式文件進行電網實時斷面的交換，實現保信系統與外部系統（如EMS 系統）之間模型與數據的共享。

（4）保信主站應支持信息的充分獲取和共享，具有智能化的信息處理、展示及分析決策手段，能夠實現基于電網運行信息的智能故障診斷等功能。

2 主站架構設計

2.1 主站軟件結構

保信主站采用如圖1 所示的軟件體系架構，由統一應用支撐平臺和基于該平臺一體化設計的保信應用組成。保信主站支持現今流行的各種硬件平臺和操作系統。通用中間件層屏蔽操作系統的差異，使得保信主站能夠運行在多種操作系統和硬件平臺上，具有很好的可移植性。統一應用支撐平臺層構筑在通用中間件層之上，包括面向對象數據庫管理平臺、網絡通信管理平臺、圖形開發平臺等，為各類電力系統應用軟件的開發提供網絡通信、數據庫、圖形等方面的支持。保信應用軟件在統一支撐平臺層之上，實現前置通信、模型管理、告警及事件記錄、定值管理、在線監視、Web 發布、智能故障分析等功能。

圖1 保信主站軟件結構

2.2 主站硬件結構

保信主站有2 種運行模式：獨立保信主站系統，EMS/保信一體化系統。

獨立保信主站典型硬件結構如圖2 所示。它由主備前置服務器、主備數據服務器、維護工作站、繼保工作站、Web 服務器等硬件組成。通信服務器、數據服務器采用雙機熱備用方式運行，當值班機故障時，系統自動進行切換，由備機升為值班機運行，保證系統功能正常使用。主站設置專門的通信前置機與子站進行通信，實現了主站系統網絡與調度數據網的隔離。主站通信網絡采用雙網冗余結構，雙網采用均衡流量管理，有效地保證了網絡傳輸的實時性和可靠性。按照“電力二次系統安全防護規定”，主站數據服務器與Web 服務器之間通過單向隔離裝置建立連接，將數據單向提供給Web 服務器，保證數據信息的單向流通，保證保信系統的安全性。通過防火墻，與EMS 系統進行數據交互。

圖2 獨立保信主站硬件結構

EMS/保信一體化系統典型硬件結構如圖3 所示。由于保信主站需要處理波形文件、定值等較大的數據，為了不影響EMS 系統的實時性，保信應用通常單獨配置前置服務器、數據服務器，但與EMS 系統共用歷史服務器、Web 服務器、維護工作站等硬件。一體化系統利用應用分布式技術部署遠動采集和保信采集任務在EMS 前置服務器和保信前置服務器上，配置不同規約插件和數據模型插件，分布式采集遠動數據和保信數據，保證了采集的實時性、可靠性和安全性。對于電網規模較小、子站數量有限的一體化系統，可以把保信主站的前置采集任務部署在EMS 前置服務器上，保信主站的數據處理任務部署在EMS的數據服務器上，這樣無需為保信應用單獨配置服務器，可以簡化系統結構，節省硬件投資。

圖3 EMS/保信一體化系統硬件結構

3 數據庫設計

保信系統建模涉及到一次設備模型、二設備模型。IEC 61970 是電力一次系統的建模國際標準，完整定義了一次設備參數和電網拓撲結構，是EMS 系統數據庫的設計基礎，但IEC 61970 標準中關于二次設備的建模比較簡單[8]，不能夠滿足保信主站的應用需求。因此保信主站數據庫在設計時，以IEC 61970 標準為基礎并進行擴展，實現對電網一次、二次設備及其關聯關系的全景建模。保信主站數據庫結構如圖4 所示，采用這種結構，既便于獨立保信系統從EMS 系統導入電網模型，又便于一體化系統的統一建模，能夠滿足保信高級應用對電網模型的需求。

4 應用功能設計

4.1 模型管理

4.1.1 模型建立

圖4 保信主站數據庫結構

保信系統的模型通常在子站端維護，主站通過103 規約通用分類服務的方式向子站召喚配置信息，獲取保信模型。子站建立的模型包括一次設備模型、二次設備模型以及一次、二次設備的關聯關系，但一次設備模型并不完整，只包含了最基本的一次系統配置信息，缺少一次設備參數和電網拓撲結構，在進行智能故障分析時，這些信息并不可用的。所以保信主站不僅要從子站獲取一次、二次設備模型，又要從EMS 系統獲取完整的電網一次模型，并對保信子站模型與EMS 模型進行整合。新一代保信主站采用如下的建模步驟：

（1）如果是獨立保信主站，從EMS 系統獲取CIM/XML 電網模型文件，并導入到數據庫中，生成一次設備模型；如果是一體化系統，EMS 系統的圖模一體化繪圖工具在填庫時，會將電網一次設備模型和參數填入到保信應用的數據庫中，這樣保信主站的電網一次設備模型與EMS 系統是一致的。

（2）從保信子站召喚模型，先召喚站級配置，再召喚裝置的配置，召喚成功后，生成子站的模型文件。

（3）導入子站模型。導入時先處理子站的一次設備模型，通過一次設備名稱或編碼，在主站數據庫中查找是否有相同的一次設備存在，如果存在則記下對應的主站一次設備對象，如果不存在則通過手工匹配方式，將子站的一次設備與主站的一次設備對象建立關聯；再處理子站的二次設備模型，將裝置、定值、軟壓板、狀態量、模擬量等信息導入數據庫中；最后處理一次、二次設備的關聯關系，二次設備的屬性結構中包括有子站一次設備編號，通過該編號可找到對應的子站一次設備，也就能找到對應的主站數據庫中一次設備對象，從而在數據庫建立一次、二次設備的關聯關系。

如果是獨立保信系統，并且不能從EMS 系統獲得電網模型，在這種情況下，子站的一次設備模型全部導入到主站數據庫中，主站利用子站的一次設備模型，實現基本的信息展示功能。

4.1.2 模型查看和對比

由于保信子站的模型經常發生改變，主站需要重新召喚并重導模型。為了便于模型的維護，保信主站開發了模型查看、對比功能。模型查看按照“廠站→裝置→信息組→信息點”的層次關系顯示二次模型，并能查看每個對象的詳細屬性，便于檢查子站模型的正確性。模型對比是將保信子站的二次設備模型與主站數據庫中的二次設備模型進行對比，對比分層進行，先對比裝置配置，再對比裝置的定值、軟壓板、狀態量、模擬量等信息配置，如有變化，給出提示。這樣在重導子站模型時，可以挑選部分模型有變化的裝置導入，不用重導整個子站模型，提高導入的效率。

4.2 前置通信

前置系統采用實時、多任務、并行的通訊方式，與不同廠家不同型號的子站系統進行通信，實時采集子站上送的各類信息，并能下發各種查詢和控制命令。前置系統采用分布式應用設計，將前置采集任務按通道部署在多個節點上，不僅能夠滿足大規模子站接入的要求，而且提高了采集的實時性和可靠性。前置系統支持實時通道、非實時通道的通訊方式，非實時通道專用于傳輸錄波文件，實時通道傳輸除波形文件以外的所有信息，在主站操作界面上進行波形文件召喚或定值召喚時，無需選擇哪個通道，由前置系統根據不同的命令類型，自動選擇不同的通道下發給子站。

4.3 可視化運行監視

利用統一支撐平臺的圖形系統，實現保護信息的可視化監視。保信主站所需的地理接線圖、廠站主接線圖等都可從EMS 系統獲取。獨立保信主站從EMS 系統導入SVG 格式圖形文件，生成保信主站的圖形。一體化系統保信主站與EMS 系統共享廠站主接線圖等畫面文件，通過切換畫面應用，來分別顯示保護信息和EMS 信息。

EMS 系統的廠站主接線圖上只有一次設備的運行狀態，缺少二次設備的運行狀態，而對保信應用來說，這是必不可少的。利用數據庫中一次、二設備的關聯關系，保信主站在廠站主接線圖上一次設備圖元附近自動生成相關二次設備的狀態圖元。該圖元通過不同的形狀和顏色表示二次設備的不同運行狀態，分別為“正常”、“告警”、“動作”、“通訊中斷”、“檢修”。由于一個一次設備可能關聯有多個二次設備，這里的狀態是多個相關二次設備合成狀態。點擊該狀態圖元，利用畫面模板技術，自動生成二次設備的運行狀態監視圖，顯示詳細的保護運行狀態信息。在廠站主接線圖上，還可通過一次設備在線查詢相關二次設備信息，包括保護定值、定值區號、壓板狀態、模擬量、狀態量、告警事件、波形文件等內容，實現EMS/保信一體化監視。

4.4 定值管理

定值是繼電保護裝置的一個重要內容，是繼電保護正確動作的依據。針對繼保專業管理人員的實際需求，設計開發了以下定值管理功能：（1）定值召喚功能。能夠在線召喚保護裝置的當前運行定值，可分CPU 號召喚定值，也可分區號召喚定值。（2）基準定值設定功能。能夠將召喚上來的保護裝置的當前運行定值，經過人工核對無誤后，設置為基準定值，基準定值帶有時標。（3）定值巡檢功能。可設定定值巡檢周期和巡檢范圍，定期召喚保護裝置的當前運行定值，與數據庫中的基準定值進行對比，當出現不一致時，給出告警提示。（4）歷史定值單功能。可將已經執行過的保護裝置定值單保存為歷史定值單，每個歷史定值單帶有時標、定值單編號等信息，提供歷史定值單的檢索和查詢功能，可將保護裝置的當前運行定值與歷史定值單進行對比。

4.5 保護遠方控制

保護遠方控制功能包括遠方修改保護定值、遠方切換運行區號、遠方投退軟壓板，開展繼電保護裝置的遠方控制，可以減少停電次數，提高供電可靠性，減輕運行維護的工作量。保護遠方控制的安全性、可靠性、穩定性是設計該功能時首要考慮的問題。為此，保信主站采用順序化流程的遠方控制技術，操作過程互相鎖定，必須嚴格按照“召喚→操作人驗證→操作對象驗證→修改→審核人驗證→下發修改→返校確認→執行修改→再次召喚→結果校核”的流程進行，并形成完整的操作記錄，操作記錄的內容包括操作人、定值單號、修改原因、審核人、修改前后定值、操作是否成功等信息，可供日后查詢。用戶權限分為責任區權限和功能權限，每個用戶既要設置“區域”、“廠站”、“電壓等級”等責任區權限，又要設置“召喚”、“修改”、“校核”、“瀏覽”等功能權限，只有同時具備責任區權限和功能權限，才能對保護裝置進行遠方控制。

4.6 智能故障分析

在電網發生故障時，大量的故障信息涌入保信主站，以往保信主站只是對告警事件和故障錄波文件進行簡單的展示和歸檔，由于缺少電網一次系統的完整模型，缺少故障發生時的開關動作情況、電網實時運行狀態等信息，無法進行深入的故障分析，無法及時準確的診斷出電網故障元件。新一代保信主站智能故障分析模塊綜合利用保信系統的暫態數據、EMS 系統的穩態數據，在故障發生時，迅速進行電網故障診斷，確定故障位置，分析故障性質，給出處理方案[9-11]。智能故障分析邏輯如圖5 所示。

（1）快速故障診斷。在事故發生后，根據實時所獲得的保護動作事件、開關變位事件、事故前后電網運行方式等信息，利用通用保護模型知識庫，基于保護動作鏈的方法進行快速故障分析，按照設備故障—保護動作—開關變位的因果邏輯分析，分析保護動作與開關變位信息的因果關系，判斷出不合理的保護動作信息和不明原因的開關變位信息，形成快速電網故障診斷報告，包括跳閘時間、故障元件、可疑故障元件集、保護動作順序事件信息、開關變位順序事件信息、保護動作和開關變位是否合理等。

圖5 智能故障分析邏輯圖

（2）故障點詳細分析。根據快速故障診斷結果，召喚相應錄波裝置或保護裝置的故障錄波文件進行故障分析。對于確定的故障設備，分析出故障類型，故障相別、故障電流、故障電壓等信息。對于可疑的故障設備，通過波形分析，檢驗是否確實發生故障。對區外故障引起的開關越級動作或誤動事件，通過波形分析并結合相關的保護動作信息，明確事故的具體原因。

（3）保護動作正確性和完整性分析。對雙重化配置情況下兩套保護裝置的動作行為進行互校，在行為不一致情況下區分正確動作和不正確動作。基于故障錄波文件的分析，對保護動作的完整性進行判斷，對可疑的動作元件和可疑的遺漏元件進行提示。

（4）具有友好的可視化界面，全方位展示故障信息數據。

5 結束語

本文研制的新一代保信主站系統已經成功應用于青海電網、云南電網、香港CLP 電力公司、東莞電網等多個省地調的保信系統中。青海省調為獨立保信主站系統，共接入了50 多座變電站，覆蓋了網內750 kV，330 kV，110 kV 3個電壓等級，共接入保護裝置及故障錄波器裝置超過3000 余套，保護信息點超過60 萬點。青海保信主站運行穩定可靠，實現了對繼電保護裝置、故障錄波裝置的實時監視和遠程管理，多次正確獲取保護動作信息、故障錄波文件、電網故障報告，實現了遠程實時分析事故，提高了電力系統事故分析的效率。東莞地調為EMS/ 保信一體化系統，基于一體化電網智能綜合運行平臺，實現了EMS/ 保信系統的一體化建設和信息集成，實現了一體化采集、一體化建模、一體化監視、一體化存儲等功能，為電網綜合智能告警、電網故障的在線診斷等高級應用功能提供了數據和模型服務。

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