高壓直流輸電控制保護定值智能管理輔助系統設計

邱志遠，李道豫，馮文昕，姚 納，龍超城

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴州貴陽 550081；2.貴陽銳泰電力科技有限公司，貴州 貴陽 550002）

高壓直流輸電是實現電力大規模輸送的重要方式。直流控制保護裝置設定的保護定值是設備正確動作的依據，決定保護能否準確反映電網的各類故障，對電網的安全運行具有至關重要的意義[1-5]。

在裝置定期檢修、站點擴建、電網運行方式調整等情況下，直流控制保護裝置的定值均需要作相應的調整[6-8]。但目前直流輸電工程定值管理仍依賴人工校核的方式，智能化水平低[9-10]，工作量大，且不可避免地存在一些偏差，定值校核的準確性無法得到保證。甚至導致直流控制保護裝置誤動、拒動，造成大范圍的電網故障，嚴重影響電網的安全、穩定運行[11-13]。

因此，文中開展高壓直流輸電控制保護定值智能管理輔助系統設計研究，以期實現智能化、精細化定值管理，并提升運維效率。

1 定值智能管理輔助系統架構設計

1.1 B/S架構

典型的瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構，如圖1 所示[14-15]。該網絡結構系統的核心功能實現主要集成于Web 服務器上，將Web 瀏覽器作為與用戶交互的接口，實現客戶端的統一，簡化系統的開發，方便運行維護。在該網絡結構下，當客戶端需要調用系統數據完成相應的業務時，向服務器發送請求，服務器則響應客戶端請求，客戶端與服務器之間采用HTTP 協議進行通信。

圖1 典型的B/S架構

1.2 定值智能管理系統架構

基于上述B/S 架構，文中設計的高壓直流輸電控制保護定值智能管理輔助系統結構，如圖2 所示。該系統包括交互層、邏輯層與數據層[16-18]。

圖2 定值智能管理輔助系統結構

數據層采用數據服務組件對定值智能管理輔助系統的數據進行封裝儲存，并實現數據庫的便捷訪問、增加刪減、檢索修改等。數據來源包括用戶信息、定值信息、定值操作記錄、系統操作記錄和便攜校核裝置信息等。

邏輯層是實現高壓直流輸電控制保護定值智能管理系統功能的核心，采用Spring boot 框架服務組件實現與數據層、交互層的更新及映射。完成定值校核業務應用的具體功能包括查看、修改定值、定值單導入、查詢、打印、故障分析、臺賬管理、操作記錄查看、便攜裝置管理等。

交互層是實現高壓直流輸電控制保護定值校核工作人員與系統人機交互的接口，一方面包括工作人員通過Web 頁面請求定值查看、定值校核等業務，而系統Web 服務分發組件并不是將所有的Web 請求服務進行分發處理；另一方面系統對便攜校核裝置進行授權訪問和數據同步，數據同步實現便攜式智能定值校核裝置與Web 瀏覽器的通信連接，并下發定值校核任務、上傳便攜式智能校核裝置任務完成情況及操作記錄的上傳。

2 定值智能管理輔助系統功能設計

2.1 系統功能方案設計

如圖3 所示，高壓直流輸電控制保護定值智能管理輔助系統的主要功能為輔助定值校核工作人員完成定值校核工作，實現定值校核的智能化管理。該系統的主要功能包括定值模板管理、定值單管理、定值單導入及導出、安全管理、數據傳輸。

圖3 定值智能管理輔助系統功能

1）定值模板管理

定值模板管理功能主要方便用戶對定值單進行管理，通過前期對定值模板信息的定義，使得用戶在后期可以根據定值模板直接生成具體的定值單。定值模板信息包括：1）定值模板的創建，各定值組、定值區等信息的定義；2）定值模板中定值項的創建及變更。其定值模塊管理功能模塊流程，如圖4 所示。

圖4 定值模塊管理功能模塊流程

2）定值單管理

定值單管理功能主要針對系統中已存儲的定值單進行管理，包括：1）定值單的創建與保護裝置的關聯；2）定值單下發到PA 便攜裝置及回傳；3）多個定值單間的比對；4）歷史定值單的導入與導出。

3）定值單的導入及導出

定值單的導入及導出功能是為了避免新建定值單時用戶手動輸入可能存在的錯誤。用戶只需要事先對規定格式的定值文檔進行編輯，然后通過定值導入功能便可實現將定值單文檔完整導入到后臺系統中。當前系統主要支持PDF 與EXCEL 格式的定值文檔的導入；為方便用戶對定值單的查看，系統可以導出定值單的文檔，當前主要支持PDF、EXCEL 與XML 格式的導出。其定值單解析存儲流程，如圖5所示。

圖5 定值單解析存儲流程

4）安全管理

系統使用者涵蓋系統管理員、安全審計員及普通用戶三方不同的身份，針對不同身份設定了相應的權限。系統管理員具有常規操作維護及用戶管理權限；安全審計員具有日志查閱與編輯權限；普通用戶則僅有與用戶角色自身相符的常規普通權限。

為進一步防止用戶對定值單的隨意修改，其普通用戶將增加或修改的定值單存為草稿，并經過系統管理員的審核后，才能增加或更新定值單。

定值智能管理輔助系統在完成定值單解析后，將解析的定值數據下發至定值校核手持終端中，數據傳輸過程采用特定的加密技術。支持商密SM4 通信加密及MAC 身份認證，如圖6 所示。

圖6 數據傳輸過程

2.2 定值校核方案設計

定值智能管理輔助系統對數據進行標準化處理，并存入數據庫中，且針對不同的直流控制保護設備建立表單。該典型設備類型，如表1 所示。

表1 控制保護設備匯總

1）直流控保定值校核方案

直流控保定值校核流程，如圖7所示。首先，從上級調度系統下發的定值單中解析出裝置信息及定值數據，并儲存至數據庫中。然后連接定值校核手持終端，將定值單中的定值數據打包下發至手持終端。

圖7 直流控保定值校核流程

現場進站后定值校核手持終端連接直流保護定值管理軟件，通過SFTP 安全文件傳輸協議獲得直流控保裝置的運行定值及設備參數，并獨立存儲于數據庫中。最終啟動校核任務，對定值描述先進行精確匹配，并校核定值；若定值描述存在異常則啟用模糊匹配，由操作人員確認后進行定值的校核，校核結束后生成校核報告并存儲。

2）閥控系統告警信息方案

由于閥控設備定值信息在系統安裝時已固化并在設備中無法修改、讀取，現通過閥控設備HMI 人機操作顯示設備對實時告警及歷史告警信息進行讀取并存儲。其HMI 設備運行Windows10 LTSC 版本，可配置網絡文件共享方式獲取告警xls 文件。并通過對xls 告警數據文件進行解析獲取具體告警信息，匯總后入庫供后期分析。

3）閥冷控制系統定值校核方案

閥冷控制系統使用的關鍵控制設備為西門子S7-400，其數據通信主要為Profibus協議，可通過HMI人機接口查看并修改定值參數信息。由于Profibus 協議的封閉性，在具體實現上通過加裝Modbus-RTU 通信模塊實現閥冷控制定值參數的輸出，具體通信協議為Modbus-RTU，從站地址1，波特率9 600 bps，數據位8位，停止位1位，無奇偶校驗，功能碼03，每套閥冷系統配置1 個通信接口供定值校核裝置的接入。

3 算例分析

文中采用某換流站的實際環境與軟硬件配置進行定值智能管理輔助測試，以驗證所提出的系統設計方案的有效性。

3.1 系統功能測試

該文采用黑盒測試法對定值智能管理輔助系統進行功能測試，針對不同功能編制相應的測試用例。如表2 所示，測試過程中發現漏洞共122 個。經過修改后，漏洞修復率達100%，系統功能完善，未再發現安全漏洞。

表2 系統功能測試結果

3.2 系統性能測試

該文模擬了多個虛擬用戶同時訪問定值智能管理輔助系統，以檢驗系統的并發處理性能，測試結果如表3 所示。

由表3 可知，隨著并發用戶數的增加，系統最大響應時間與平均響應時間也隨之增加，最小效應時間維持在0.5 s 左右。當并發用戶數為200 時，系統最大響應時間為1.378 s，平均響應時間為1.069 s，均小于1.5 s，所以滿足系統響應時間要求。

表3 系統性能測試結果

4 結束語

文中開展了高壓直流輸電控制保護定值管理輔助系統設計研究，提出了系統架構與功能設計方案。通過實際換流站測試環境檢驗系統的功能和性能，發現系統漏洞122 個。經修復后系統功能完善，未再發現其他漏洞，系統最大響應時間小于1.5 s，并發能力和響應時間滿足使用需求。但該文設計定值管理輔助系統僅適用于PC 端，為進一步提升定值校核智能化水平，未來將開發設計相應的移動端系統。