繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孟 榮,褚 罡

(河北省電力公司超高壓輸變電分公司，石家莊 050070)

繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)的主要任務(wù)是對繼電保護(hù)所涉及的數(shù)據(jù)、圖形、報告進(jìn)行采集、傳送、查詢、瀏覽和分析。各地的繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)已基本建立，各項應(yīng)用功能，如運(yùn)行監(jiān)視、歷史事件統(tǒng)計等已基本實現(xiàn)[1]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)運(yùn)行狀況與系統(tǒng)故障都呈現(xiàn)出復(fù)雜性，使現(xiàn)有的繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)在運(yùn)行中暴露出一些問題，例如：主站與子站之間大量且頻繁的通信問答使繼電保護(hù)或故障錄波器產(chǎn)生“信息爆炸”，變電站擴(kuò)建或者軟硬件升級時主站、子站的維護(hù)工作量大等。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

河北省南部電網(wǎng)500 kV變電站繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)在設(shè)計中除了考慮電力信息化的發(fā)展趨勢外，還應(yīng)考慮繼電保護(hù)專業(yè)管理的要求及系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件采用性能可靠、工作穩(wěn)定的計算機(jī)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件和有關(guān)的接口設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)符合國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足繼電保護(hù)專業(yè)的故障信息采集、管理和分析應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求和業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的特殊功能要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1。該系統(tǒng)通過河北省電力公司調(diào)度通信中心的公共數(shù)據(jù)平臺獲得EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)或其他連接在該平臺上的應(yīng)用系統(tǒng)的交換數(shù)據(jù)；通過正向隔離裝置與Web服務(wù)器連接；與子站經(jīng)過VPN連接，主站系統(tǒng)與子站系統(tǒng)之間采用IP認(rèn)證加密裝置隔離。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)軟件采用分層結(jié)構(gòu)，源于繼電保護(hù)信息系統(tǒng)仍然是一個發(fā)展中的系統(tǒng)。分層結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，避免系統(tǒng)技術(shù)框架的頻繁改動，減少維護(hù)成本；分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計還使業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)分離，使軟件具有安全性、易維護(hù)性和快速響應(yīng)性。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意

1.3 信息模型

通過河北省電力公司調(diào)度通信中心的公共數(shù)據(jù)平臺，獲取EMS系統(tǒng)CIM模型文件和SVG圖形文件，在全網(wǎng)CIM模型中截取當(dāng)前變電站的一次模型，該系統(tǒng)導(dǎo)入EMS系統(tǒng)的CIM模型和SVG圖形，并與二次設(shè)備關(guān)聯(lián)形成該系統(tǒng)的信息模型，其系統(tǒng)信息模型見圖3。

圖3 系統(tǒng)信息模型

2 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫

由于Oracle數(shù)據(jù)庫具有較強(qiáng)處理海量數(shù)據(jù)的能力，并采用多層次網(wǎng)絡(luò)計算、支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以該系統(tǒng)選擇Oracle 9i作為數(shù)據(jù)平臺[2]。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是直接影響系統(tǒng)性能，根據(jù)繼電保護(hù)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求分析構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括公用字典類數(shù)據(jù)庫、變電站設(shè)備類數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、高級應(yīng)用庫等。各庫利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行建模，每一個庫都定義成一個對象，并以此來構(gòu)成一個類，類又由具有相同特征的一組對象組成，該類的相同特征用屬性來描述[3]。該系統(tǒng)將資源分為網(wǎng)絡(luò)類、設(shè)備類、信道類和接口類，并定義了類對象及屬性。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫設(shè)計核心在于將對象模型向數(shù)據(jù)庫模型的映射，可以通過2種方式實現(xiàn)。

a. 將單個對象映射成表，對象名映射為表名，對象的屬性映射成表的屬性。例如：網(wǎng)絡(luò)對象映射成表后為網(wǎng)絡(luò)ID、網(wǎng)絡(luò)類型ID、組網(wǎng)設(shè)備型號、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b. 將對象間的二元關(guān)聯(lián)映射成表。例如：設(shè)備與接口的關(guān)聯(lián)映射為一個新表，為設(shè)備ID、接口ID、用途。

2.2 通信協(xié)議選擇與通信設(shè)置

子站與主站傳送大量的實時信息，主要包括錄波文件和繼電保護(hù)裝置信息。錄波數(shù)據(jù)的特點是信息量大，為了數(shù)據(jù)分析時的交換方便，按照COMTRADE暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式。保護(hù)裝置普遍采用103繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層采用TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并且104標(biāo)準(zhǔn)制定了將103協(xié)議所定義的ASDU與TCP/IP相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)訪問標(biāo)準(zhǔn)[4]。以上協(xié)議能滿足向主站主動傳送及主站調(diào)用故障信息的要求，也能滿足按用戶需要設(shè)定不同類型數(shù)據(jù)，采用不同優(yōu)先級有序傳送的要求，并且在通信協(xié)議上做到了有機(jī)組合。通信擁塞的問題主要通過以下兩方面的設(shè)置來解決：

a. 主站支持從子站或直接從繼電保護(hù)、故障錄波器召喚定值或波形2種方式，對于一般性質(zhì)的查詢，要從子站存儲中調(diào)閱信息，避免有大量、頻繁的通信問答時影響系統(tǒng)的通信速度。當(dāng)保護(hù)定值變化時，子站采用主動報告的模式，避免定值核對功能產(chǎn)生大量的查詢操作。

b. 主站支持可配置的錄波數(shù)據(jù)召喚策略，避免在故障時通信頻繁的時間段召喚錄波文件，可自動中斷當(dāng)前錄波數(shù)據(jù)傳送過程，在以后的相對通信空閑時刻恢復(fù)；另外系統(tǒng)還具有斷點續(xù)傳功能，即使上傳的波形不完整，系統(tǒng)仍能對波形片斷進(jìn)行分析。

2.3 系統(tǒng)擴(kuò)展與維護(hù)

當(dāng)進(jìn)行老站改造或者新站接入時，應(yīng)在遵循有關(guān)規(guī)范的前提下盡可能自動實現(xiàn)新接入子站的所有配置信息的上傳和入庫，實現(xiàn)“主站免維護(hù)，子站分散維護(hù)”的理念。對新建子站系統(tǒng)，先采用規(guī)約測試工具進(jìn)行全面的測試后再接入主站系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的工程調(diào)試難度和維護(hù)工作量，避免新接入的子站影響已投入運(yùn)行的系統(tǒng)。如果已經(jīng)投運(yùn)子站配置發(fā)生變化，子站上送配置變化信號后，主站可自動召喚子站配置并相應(yīng)修改數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。子站配置變化作為事件被錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，主站系統(tǒng)可以配置是否需要人工干預(yù)數(shù)據(jù)庫更新過程。設(shè)計時還考慮到從外部導(dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫定義功能、在線數(shù)據(jù)庫修改功能，為主站免維護(hù)功能提供技術(shù)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)采用.xml文件作為導(dǎo)入、導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的交換文件，所有一次設(shè)備和二次設(shè)備模型、圖形、通信配置、系統(tǒng)配置均可導(dǎo)入創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和導(dǎo)出為文件。

2.4 系統(tǒng)安全

根據(jù)二次安全防護(hù)的要求，該系統(tǒng)通過安全區(qū)隔離、數(shù)據(jù)源安全、防病毒入侵、權(quán)限與用戶管理四方面來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全。

a. 安全區(qū)隔離。對內(nèi)數(shù)據(jù)通信服務(wù)器采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)方式隔離2個系統(tǒng)，并采用單向隔離裝置保證數(shù)據(jù)的單向訪問，可以有效保證2個系統(tǒng)的安全性，同時對內(nèi)數(shù)據(jù)通信服務(wù)器屏蔽了主站系統(tǒng)雙服務(wù)器、雙網(wǎng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，方便了外部系統(tǒng)的接入。

b. 數(shù)據(jù)源安全。定期進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，需要時恢復(fù)系統(tǒng)。

c. 防病毒入侵。配置Norton等防病毒軟件，調(diào)試維護(hù)工作站可兼作防病毒中心服務(wù)器，其他機(jī)器配置防病毒客戶端，完成系統(tǒng)全網(wǎng)的整體病毒防御。

d. 權(quán)限與用戶管理。對操作權(quán)限進(jìn)行了細(xì)致劃分，操作權(quán)限可以按照角色進(jìn)行分組管理。用戶必須使用密碼進(jìn)行登錄，密碼采用128位加密算法，加密后保存。

3 實際應(yīng)用情況

河北省南部電網(wǎng)500 kV變電站繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)在河北省電力公司超高壓輸變電分公司設(shè)置主站，現(xiàn)已接入11個子站。投運(yùn)2年來運(yùn)行良好，實現(xiàn)了各項應(yīng)用功能，沒有發(fā)生由于通信堵塞造成數(shù)據(jù)中斷或設(shè)備死機(jī)問題，并且經(jīng)歷了重大電網(wǎng)事故的考驗。系統(tǒng)擴(kuò)建過程中維護(hù)的工作量小，沒有影響該系統(tǒng)正常運(yùn)行及正常運(yùn)行必須具備的功能。

4 建議

為進(jìn)一步提高電網(wǎng)故障的分析水平和事故處理效率，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在今后系統(tǒng)的升級改造中應(yīng)增加以下功能：

a. 主站增加基本的網(wǎng)管功能，以便于對整個系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)視，確保系統(tǒng)的可用性；

b. 充分利用系統(tǒng)采集的大量實時與非實時信息，加強(qiáng)后期對數(shù)據(jù)分析處理，完善高級應(yīng)用，實現(xiàn)事故推理，提供優(yōu)化的事故處理方案；

c. 對未來可能實行的主站對子站的定值下裝、壓板投退等操作控制功能的安全性、可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的研究與論證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張志清．管理信息系統(tǒng)實用教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

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[3] 徐曉丹,賈 泂．基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計[J]．計算機(jī)與現(xiàn)代化，2002(7):36-38.

[4] DL/T 667-1999，遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng) 第5部分 傳輸規(guī)約 繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)[S].