淺析繼電保護及故障信息子站系統(tǒng)的方案設計

李橋

(四川省電力公司自貢自流井供電局，四川 自貢 643000)

目前，電力系統(tǒng)對繼電保護故障信息子站系統(tǒng)雙機的切換要求越來越高，不僅要求保護故障信息子站系統(tǒng)在其中每臺出現(xiàn)問題故障時能做到雙機切換，而且需要在切換過程中保證數(shù)據(jù)的安全、完整、可靠性必須完全正確。電子系統(tǒng)調(diào)度自動化（SCADA/EMS）系統(tǒng)和相關技術在目前已經(jīng)非常完善，電力網(wǎng)絡一次系統(tǒng)運行監(jiān)控、管理、分析的自動化水平也已經(jīng)得到了卓越的發(fā)展和進步。

根據(jù)電力系統(tǒng)結構的本身特點，且電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)應該具備層次化的結構特性，其結構應該包括有：監(jiān)控管理中心主站系統(tǒng)；置于變電站內(nèi)的子站系統(tǒng)；保護、錄波器等二次裝置。顧及到大量保護及錄波器等二次裝配的復雜及多樣性，在變電站內(nèi)設置了繼電保護與故障信息子站系統(tǒng)（又稱為PRFIS 子站系統(tǒng)）將是PRFIS系統(tǒng)實現(xiàn)成功的關鍵。并且根據(jù)IEC 61850 等相關技術標準、采用OMG分布式系統(tǒng)和CORBA設計實現(xiàn)高性能的PRFIS 子站系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)設計目標

作為構成繼電保護及故障信息系統(tǒng)的變電站層子站系統(tǒng)的PRFIS 子站系統(tǒng)，它主要設計的目標可以概括為：

1、數(shù)據(jù)匯集與轉發(fā)；實現(xiàn)主站與二次設備之間的有效數(shù)據(jù)通信是在二次設備與PRFIS 子站系統(tǒng)互聯(lián)的“通信網(wǎng)關”下在節(jié)省通信資源及減小通信的前提下進行的。

2、數(shù)據(jù)的緩沖：內(nèi)部配有小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的緩沖處理，從而增強整個PRFIS系統(tǒng)的安全可靠性。

3、數(shù)據(jù)預備處理：信息的預處理部分可以實現(xiàn)，比如信息過濾等等。既可以減輕主系統(tǒng)的壓力，又可以提高處理數(shù)據(jù)的效率。

4、多樣性設備的阻擋，整個PRFIS系統(tǒng)的可維護和可擴張性的提高：PRFIS 子系統(tǒng)可以連接“即插即用”式的不同廠家及型號的二次設備的通訊規(guī)約庫，可以對主站阻擋連接多樣性的二次設備，確而保證整個PRFIS系統(tǒng)的可維護性、可擴張性和開放性。

5、遠程維護：在授權充分的條件下遠程維護就如身臨在現(xiàn)場，特別對于沒有值班人員時，對系統(tǒng)的維護及管理帶來了極大的方便。

6、對時：二次裝置的時鐘源需要具備硬對時與軟對時的功能。

7、具有自檢能力的子站系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生自檢報告，向主站系統(tǒng)上報。

8、強大的就地功能。用戶可以使用便攜式計算機、子站后臺及站內(nèi)監(jiān)控后臺等方式使用維護接口及維護軟件的對系統(tǒng)進行維護。子站系統(tǒng)可以安裝任何工具軟件以實現(xiàn)對子站系統(tǒng)的管理。

二、硬件平臺

采用目前最先進的嵌入式硬件系統(tǒng)的思想設計的PRFIS 子站系統(tǒng)主機硬件系統(tǒng)，全部的硬件系統(tǒng)不僅小巧，并且可靠及耐用。模塊化和分層分布式是嵌入式子站管理機采用的結構，裝置是由多個智能模塊組成，模塊類型主要有主管模塊、交換機模塊和裝置接入模塊、I/O 模塊、電源模塊、GPS對時模塊、等。各個智能模塊之間通過高速背板總線交換著數(shù)據(jù)，不僅僅每個智能模塊間可以自由的正常工作，其它模塊之間也可以充分的相互配合。PRFIS 子站系統(tǒng)的特點主要有：

1、主機裝置化，只有2U 高度的整個系統(tǒng)，有典型的裝置化特點。尺寸的要求符合機柜的要求，可直接安裝在機柜上。2、功耗低。全部裝置消耗不超過15W，無需任何散熱設施。3、可以連接鍵盤、顯示器。根據(jù)要求使用標準的顯示器和PS2 鍵盤。4）支持220V交直流電。5）多種通訊方式可兼容?？稍谕ㄟ^不同連接方式，通過一個端口實現(xiàn)多種通訊方式的兼容，無需任何跳線。6）光電隔離設計。運用在所以的通信端口，保證PRFIS 子站系統(tǒng)主機運行時不會受到外界干擾，同時芯片也采用了防靜電設計，可抵抗高達1500V的靜電。7）RJ45 接口，既方便又可靠。此接口專業(yè)用在高速以太網(wǎng)連接的接口。8）可擴充性?？梢酝ㄟ^裝置本身本身自帶的USB 接口和網(wǎng)口，可連接各種標準擴展設置。

三、軟件系統(tǒng)設置。

軟件系統(tǒng)的設計從軟件系統(tǒng)設計、操作系統(tǒng)平臺、端口處理線程與“即插即用”、主處理進程、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、基于IEC61850的CORBA服務器、PRFIS 子站系統(tǒng)應用工具軟件體現(xiàn)。

1、軟件系統(tǒng)設計

PRFIS 子站系統(tǒng)關鍵的軟件結構包括：端口處理線程、主處理進程、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、事件處理程序、基于IEC61850的CORBA服務器

2、操作系統(tǒng)平臺

PRFIS 子站主機系統(tǒng)采用的是嵌入式操作系統(tǒng)。此系統(tǒng)比現(xiàn)代系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、高效、安全并且易維護，供給了強大的網(wǎng)絡功能，便于遠程管理。

采用此系統(tǒng)的內(nèi)置標準數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為故障信息的處理、管理與使用提供了有力保障。

3、端口處理線程與“即插即用”

本線程由主處理進程系統(tǒng)啟動時，據(jù)存貯在數(shù)據(jù)庫中的信息自動啟動，一個通信端口相對應端口處理線程，負責處理相應端口上所以智能二次設備的通信程序，端口處理線程會根據(jù)配置好的信息確定相應的通信規(guī)則，并配置相應的規(guī)約處理程序。對應的端口處理線程會處理和全部保護及錄波器等的二次裝置的通信任務，支持二次裝置的即插即用是其規(guī)約處理程序的可配置性致使PRFIS子站在軟件體系結構。

4、主處理進程

PRFIS 子站軟件系統(tǒng)復位啟動時的入口程序之一有主處理進程，它的功能主義包括了：根據(jù)系統(tǒng)配置信息自動啟動和管理端口處理線程，分別實現(xiàn)了各端口處理線程、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、CORBA服務器、事件處理器之間的異步通信，并且也可作為核心調(diào)度程序實現(xiàn)信息中轉。

5、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理端口處理線程收集并且處理的數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一提供訪問與安全管理機制，方便故障信息的處理和共享。也可經(jīng)過數(shù)據(jù)庫集中的管理產(chǎn)品系統(tǒng)參數(shù)配置，可提高產(chǎn)品的運行于維護的方便。穩(wěn)定、可靠及高效。

6、事件處理程序

若電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，PRFIS 子站系統(tǒng)一方會自主的搜集關于設備的故障信息，另一方面會將搜集到的信息傳遞到主站系統(tǒng)，形成非常完整事件的處理流程，事件的處理程序是在IEC61580 標準中面向對象的通用變電站事件信息結構定義和通用變電站事件模型設計的。

子站系統(tǒng)所連接二次裝置中所產(chǎn)生事件的記錄信息是由事件處理程序負責，并轉換成為GOOSE 定義的事件信息結構，再采用標準的事件通知服務技術，然后服務接口調(diào)用運行于PRFIS 主站系統(tǒng)的時間通知服務器的接口任務，將事件推向主站系統(tǒng)，從而實現(xiàn)二次裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息主動送上。

四、基于IEC61850的CORBA服務器

1、關于 IEC61859

IEC61850 作為變電站通信和系統(tǒng)技術標準，它的核心內(nèi)容規(guī)范要建立在信息模型上的抽象通信接口服務的變電系統(tǒng)的信息模型。但是其實質的目的是實現(xiàn)變電站系統(tǒng)與其他自動化系統(tǒng)開放地互聯(lián)及互相操作與變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部智能設備之間開放的信息互操作。IEC61850 所規(guī)定變電站系統(tǒng)的信息模型和抽象通信接口服務，并且全部采取面向對象的思想構思，因此需要經(jīng)過映射處理。

2、OMG分布式系統(tǒng)標準與CORBA技術的實現(xiàn)

網(wǎng)絡化硬件環(huán)境是PRFIS 子站的軟件系統(tǒng)的基礎，但是應用程序在網(wǎng)絡環(huán)境下也是需要分散的。因而組成全部軟件系統(tǒng)的各個組成部分分別運行在網(wǎng)絡內(nèi)不同計算機平臺上的，并且能夠協(xié)調(diào)運行。分布式系統(tǒng)可以使用網(wǎng)絡和計算器資源得到充分有效的運用，但其就像本系統(tǒng)開發(fā)的背景一樣，通常具有不同的硬件平臺及操作系統(tǒng)，因此在這些分布式網(wǎng)絡環(huán)境下，采取傳統(tǒng)軟件思想開發(fā)分布式系統(tǒng)非常困難且易于出錯，并且會不可避免的重復工作。

CORBA是種國際標準及規(guī)范，只有根據(jù)這個標準，所有廠家采用任何語言開發(fā)的都能實現(xiàn)交互操作（運用對象組件）。

3、IEC61850 標準是由IEC61850 模型映射到CORBA服務器要以CORBA技術實現(xiàn)的，需要做到以下工作：1）面向對象的信息模型是將標準規(guī)定的信息模型映射成的。2）將ACSI 映射成CORBA服務器接口考慮到現(xiàn)場二次裝置的復雜性和多樣性，PRFIS 子站的CORBA服務器同時實現(xiàn)了ACSI 以外的多接口，以支持過渡性的系統(tǒng)構造方案。

五、系統(tǒng)的應用

該系統(tǒng)已經(jīng)成功運用某變電站，站內(nèi)保護的設備及故障錄波器設備通過網(wǎng)絡接入到了該系統(tǒng)。在本身有的的網(wǎng)絡的基礎上，將保護設備與故障錄波器設備統(tǒng)一接連至PRFIS子站系統(tǒng)，通過光纖網(wǎng)絡送到局端，可實現(xiàn)局端對站設備的管理維護，運行表明了系統(tǒng)具有以下功能特點：

1）在電力系統(tǒng)運行及故障的情況下全部都能夠按真實情況反映、記錄數(shù)據(jù)并且告警系統(tǒng)的相關信息，包含了電網(wǎng)運行的參考數(shù)據(jù)、設備通訊的狀況、保護壓板投切、開關動作、定值區(qū)切換、故障錄波、保護動作等。

2）系統(tǒng)供給了簡單并且直接的查詢方法，可以對保護設備、故障錄波設備進行管理，同時提供對電力系統(tǒng)運行信息的快速有效的查詢。

3）根據(jù)需定義各個層次的用戶操作權限，權限定義可與設備相關聯(lián)，用戶登錄、注銷及操作在系統(tǒng)中都有記錄，可預備查詢。

小結

系統(tǒng)根據(jù)IEC61850 等其他相關標準設計，并且采用CORBA技術映射其抽象通信服務接口。系統(tǒng)采取層次化的體系結構，可以與任何廠家、型號的保護等二次設備的"即插即用"。系統(tǒng)采用了嵌入式軟、硬件平臺技術，安全、可靠、耐用、支持通用、標準的軟硬件產(chǎn)品配套，系統(tǒng)整體設計先進、功能完善實用、具有良好的可維護性、擴充性及開放性。

隨著電網(wǎng)迅速的發(fā)展，保護死區(qū)問題造成的危害愈來愈大，所以，希望引起電網(wǎng)管理部門的重視，及時采取防范的措施。

[1] 陳玉，劉成林.繼電保護故障信息系統(tǒng)雙機互備的方案和應用 [D].電力系統(tǒng)通信，2011（230）.

[2] 陳澤青，吳廣寧，李延，馬珩毅.嵌入式繼電保護故障信息處理系統(tǒng)子站管理機的設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010（20）.

[3] 王振樹，張波，孟昭勇.電力系統(tǒng)繼電保護及故障信息子站系統(tǒng)的方案設計[J]繼電器，2006（7）.