繼電保護故障信息系統的設計與實現

孟 榮,褚 罡

(河北省電力公司超高壓輸變電分公司，石家莊 050070)

繼電保護故障信息系統的主要任務是對繼電保護所涉及的數據、圖形、報告進行采集、傳送、查詢、瀏覽和分析。各地的繼電保護故障信息系統已基本建立，各項應用功能，如運行監視、歷史事件統計等已基本實現[1]。隨著電網規模的不斷擴大，電網運行狀況與系統故障都呈現出復雜性，使現有的繼電保護故障信息系統在運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或故障錄波器產生“信息爆炸”，變電站擴建或者軟硬件升級時主站、子站的維護工作量大等。

1 系統總體結構設計

河北省南部電網500 kV變電站繼電保護故障信息系統在設計中除了考慮電力信息化的發展趨勢外，還應考慮繼電保護專業管理的要求及系統運行中可能出現的問題。

1.1 硬件結構

該系統硬件采用性能可靠、工作穩定的計算機硬件系統。系統硬件和有關的接口設備技術性能指標符合國際工業標準，并能滿足繼電保護專業的故障信息采集、管理和分析應用系統的功能要求和業務范圍內的特殊功能要求，系統硬件結構示意見圖1。該系統通過河北省電力公司調度通信中心的公共數據平臺獲得EMS系統數據或其他連接在該平臺上的應用系統的交換數據；通過正向隔離裝置與Web服務器連接；與子站經過VPN連接，主站系統與子站系統之間采用IP認證加密裝置隔離。

圖1 系統硬件結構示意

1.2 軟件結構

該系統軟件采用分層結構，源于繼電保護信息系統仍然是一個發展中的系統。分層結構能夠提高系統的適應性，避免系統技術框架的頻繁改動，減少維護成本；分層結構的設計還使業務邏輯和數據分離，使軟件具有安全性、易維護性和快速響應性。系統軟件結構示意見圖2。

圖2 系統軟件結構示意

1.3 信息模型

通過河北省電力公司調度通信中心的公共數據平臺，獲取EMS系統CIM模型文件和SVG圖形文件，在全網CIM模型中截取當前變電站的一次模型，該系統導入EMS系統的CIM模型和SVG圖形，并與二次設備關聯形成該系統的信息模型，其系統信息模型見圖3。

圖3 系統信息模型

2 系統技術實現

2.1 數據庫

由于Oracle數據庫具有較強處理海量數據的能力，并采用多層次網絡計算、支持多種工業標準，所以該系統選擇Oracle 9i作為數據平臺[2]。數據庫的設計是直接影響系統性能，根據繼電保護信息系統的數據需求分析構成系統的數據結構，包括公用字典類數據庫、變電站設備類數據庫、實時數據庫、歷史數據庫、高級應用庫等。各庫利用面向對象技術進行建模，每一個庫都定義成一個對象，并以此來構成一個類，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]。該系統將資源分為網絡類、設備類、信道類和接口類，并定義了類對象及屬性。面向對象的數據庫設計核心在于將對象模型向數據庫模型的映射，可以通過2種方式實現。

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：網絡對象映射成表后為網絡ID、網絡類型ID、組網設備型號、拓撲結構。

b. 將對象間的二元關聯映射成表。例如：設備與接口的關聯映射為一個新表，為設備ID、接口ID、用途。

2.2 通信協議選擇與通信設置

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裝置信息。錄波數據的特點是信息量大，為了數據分析時的交換方便，按照COMTRADE暫態數據交換通用格式。保護裝置普遍采用103繼電保護設備信息接口配套標準，通信協議網絡層采用TCP/IP協議標準，并且104標準制定了將103協議所定義的ASDU與TCP/IP相結合的網絡訪問標準[4]。以上協議能滿足向主站主動傳送及主站調用故障信息的要求，也能滿足按用戶需要設定不同類型數據，采用不同優先級有序傳送的要求，并且在通信協議上做到了有機組合。通信擁塞的問題主要通過以下兩方面的設置來解決：

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

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

2.3 系統擴展與維護

當進行老站改造或者新站接入時，應在遵循有關規范的前提下盡可能自動實現新接入子站的所有配置信息的上傳和入庫，實現“主站免維護，子站分散維護”的理念。對新建子站系統，先采用規約測試工具進行全面的測試后再接入主站系統，降低系統的工程調試難度和維護工作量，避免新接入的子站影響已投入運行的系統。如果已經投運子站配置發生變化，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修改數據庫內容。子站配置變化作為事件被錄入系統數據庫，主站系統可以配置是否需要人工干預數據庫更新過程。設計時還考慮到從外部導入和導出數據庫定義功能、在線數據庫修改功能，為主站免維護功能提供技術基礎。該系統采用.xml文件作為導入、導出數據庫結構的交換文件，所有一次設備和二次設備模型、圖形、通信配置、系統配置均可導入創建數據庫和導出為文件。

2.4 系統安全

根據二次安全防護的要求，該系統通過安全區隔離、數據源安全、防病毒入侵、權限與用戶管理四方面來實現系統的安全。

a. 安全區隔離。對內數據通信服務器采用數據網關方式隔離2個系統，并采用單向隔離裝置保證數據的單向訪問，可以有效保證2個系統的安全性，同時對內數據通信服務器屏蔽了主站系統雙服務器、雙網的實現細節，方便了外部系統的接入。

b. 數據源安全。定期進行數據備份，需要時恢復系統。

c. 防病毒入侵。配置Norton等防病毒軟件，調試維護工作站可兼作防病毒中心服務器，其他機器配置防病毒客戶端，完成系統全網的整體病毒防御。

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

3 實際應用情況

河北省南部電網500 kV變電站繼電保護故障信息系統在河北省電力公司超高壓輸變電分公司設置主站，現已接入11個子站。投運2年來運行良好，實現了各項應用功能，沒有發生由于通信堵塞造成數據中斷或設備死機問題，并且經歷了重大電網事故的考驗。系統擴建過程中維護的工作量小，沒有影響該系統正常運行及正常運行必須具備的功能。

4 建議

為進一步提高電網故障的分析水平和事故處理效率，保證電網的安全穩定運行，在今后系統的升級改造中應增加以下功能：

a. 主站增加基本的網管功能，以便于對整個系統進行有效的監視，確保系統的可用性；

b. 充分利用系統采集的大量實時與非實時信息，加強后期對數據分析處理，完善高級應用，實現事故推理，提供優化的事故處理方案；

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、可靠性進行進一步的研究與論證。

參考文獻：

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

[2] 薩師煊,王 珊．數據庫系統概論[M]．北京：高等教育出版社，2001.

[3] 徐曉丹,賈 泂．基于面向對象技術的數據庫管理系統設計[J]．計算機與現代化，2002(7):36-38.

[4] DL/T 667-1999，遠動設備及系統 第5部分 傳輸規約 繼電保護設備信息接口配套標準[S].