基于IEC61970-CIM的繼電保護定值配置可視化管理系統

李正新，趙武智，羅琨，陳斗沙，劉麗，李波，郝東方

(1.貴州電網有限責任公司畢節供電局，貴州 畢節 551700；2.貴州電網有限責任公司電力調度控制中心, 貴州 貴陽 550000； 3.貴州電網有限責任公司畢節市郊供電局，貴州 畢節 551700)

電力系統為人們的生產、生活提供了所需要的電力能源，因此保障電力系統保持正常運行至關重要。在電力系統保護中，繼電保護裝置是最常見也是最關鍵的保護手段之一，將其與電力系統相連，一旦電力系統發生故障，該設備能夠及時察覺，并發出警告，同時控制斷路器開合，以防止故障影響擴大，及時止損[1]。在繼電保護系統正式工作前，其整定工作是不可缺少的一步，該工作主要內容是負責配置保護定值，以協調電力系統中各個繼電保護裝置運行，充分發揮保護裝置的效能，最大限度地保障電力系統運行。近年來，隨著電力系統的升級和改造，電網規模越來越大，結構也越來越復雜，各個分支電路交互重疊，這給繼電保護定值配置工作帶來了巨大的難度[2]。

面對上述情況，繼電保護定值配置系統應運而生，在繼電保護整定工作中發揮了很大的作用。關于該系統在很多文獻中都進行了相關研究。例如，文獻[3]中符云、吳偉明、陳大華等人基于目前繼電保護整定計算及定值單管理系統存在的計算與管理不同的問題，結合智能優化算法研究開發一種繼電保護整定系統。該系統以海南省為研究對象，按照其省、地、縣的供電模式進行分析設計，基于自適應算法設計電網動態分區統一建模系統，并用該系統完成電網繼電保護的整定計算，為加快算法的計算速度，其還引用了智能優化算法，使其整定計算的速度大大提升，除此之外，該系統當中包含了圖形化建模、故障計算、定值整定計算和仿真、定值防誤校核以及數據管理等多個功能模塊，可提高整定計算的計算速度和計算精度。該系統具有一定創新性，但是其系統操作復雜，計算存在不穩定性，無法在電網系統中安全運行。文獻[4]中，孔德全，黃瀛，王鵬飛等人主要針對電網系統繼電保護地調定值取值不準確問題進行開發研究，最后基于網拓撲機構優化理論和頻率控制的通用機電保護地調定值自動控制系統設計。該系統主要通過嵌入式ARM處理器進行核心功能模塊及外圍結構的設計，然后建立等效電路模型，計算模型中輸出功率和電壓之間的差值，然后以此為基礎利用狀態反饋校正方法計算裝置的保護定值，并結合二次調頻控制器對得到的定值進行校準和優化，以此實現系統的設計開發。該系統操作簡單，信息處理效率高，具有一定開發價值，但是其計算比較復雜，運行時間較長，且自適應性不高，不宜大量推廣應用。文獻[5]中，劉大偉、宋爽、馬泉等人針對電力系統繼電保護裝置檢測精度低、檢測速率慢問題，基于云策略理論和MMS協議研究智能繼電保護裝備智能檢測系統。該系統為提升其檢測精度，引入云儲存技術和物聯網技術，獲取待保護裝置的相關參數，自動生成測試列表，為提升運算效率，還將MMS協議添加在系統之中，可讓系統實現自動保護裝置定值、自動設置測試參數，自動完成測試過程。該系統可提高檢測效率，提升電網運行的安全性。該系統具有一定實用性，但是該系統穩定性不高，且檢測精度較低，不能在電網系統中大量應用。

以往設計的系統雖然在繼電保護整定發揮了應有的作用，但是同樣存在兩個缺點，一是繼電保護定值配置操作復雜程度和煩瑣程度高，系統反應慢，不能實現即點即用與所見即所得；二是保護定值隨著設備參數的變化，保護定值變更生成缺乏自適應性。針對上述問題，基于IEC61970-CIM的繼電保護定值配置可視化管理系統，以期提高電網調度工作效率和技術水平，支撐智能化調度，提升電網運行安全性和供電可靠性。

1 繼電保護定值配置可視化管理系統設計

繼電保護裝置，顧名思義就是能對電力系統運行起到保護作用的設備。一旦發生故障，繼電保護裝置會馬上發現，并同時控制斷路器開合，最大程度降低影響程度。在繼電保護裝置工作前，保護定值配置是關鍵，該工作主要是對繼電保護裝置的工作參數進行設置。通過設置能夠讓繼電保護裝置運行更加協調，提高工作質量。然而，現有的繼電保護定值配置系統隨著電力系統結構的復雜性，逐漸無法滿足需求。為此，基于IEC61970-CIM的繼電保護定值配置可視化管理系統，在該系統中操作人員可以直接利用可視化的組件和流程控制進行定值計算的設計和模擬，實現了繼電保護定值配置可視化管理。

1.1 系統框架設計

眾所周知，IEC61970為能量管理系統應用程序接口標準，在該標準中還提供了一套公共信息模型，該模型可用于描述電力系統，本文選用的IEC61970-CIM就是遵循這一標準的CIM模型，該模型可實現電網系統各調度系統電網模型信息的共享與交換。本文將借鑒B/S架構設計基于IEC61970-CIM的繼電保護定值配置可視化管理系統框架，如下圖1所示。

圖1 系統框架Fig.1 System framework

系統框架分為數據訪問層、業務邏輯層以及可視化顯示層。各層功能如下：

(1)數據訪問層

數據訪問層主要負責訪問各個數據源，并從中抽取相關保護定值信息，實現本系統與數據源之間的交互[6]。

(2)業務邏輯層

業務邏輯層是系統核心層，主要負責不同業務流程自動化的實現，包括建立電網網絡模型、模擬操作、專家系統推演分析、防誤校核、故障分析、圖形建模、定值計算等[7]。

(3)可視化顯示層

可視化顯示層負責向用戶展示繼電保護定值配置模擬過程，實現配置結果的可視化顯示[8]。

1.2 系統硬件設計

繼電保護定值配置可視化管理系統硬件組成框圖如下圖2所示。

圖2 系統硬件組成框圖Fig.2 System hardware block diagram

本系統選用單片機型號為C8051F040，基于該單片機完成系統硬件設計。利用IEC61970-CIM接口電路與各個數據源相連，從中抽取相關保護定值信息，然后經過數據處理電路進行清理、濾波以及轉換等，接著通過RS232串行通訊接口，將數據傳輸到本地系統。在本地系統上，高速SAS端口與網絡服務器相連，將數據存儲到光盤庫上。當系統需要運算各個業務邏輯時，借助光盤驅動器接口讀取光盤上的數據[9]。然后利用單片機進行各種業務處理，建立電網網絡模型、模擬操作、專家系統推演分析、防誤校核、故障分析、圖形建模、定值計算等，最后通過LCD接口電路實現業務邏輯處理過程和結果的可視化[10]。RS-232-C是一種標準的串行物理接口，具有快速傳輸、穩定耐用、傳送距離較遠等特點。同時，提供+/-K靜電保護功能，確保RS-232-C接口高速傳輸[11]。

1.3 系統功能模塊設計

系統實現的關鍵技術主要包括五種，即IEC61970-CIM標準化技術、信息庫同步技術、專家決策系統、指令模擬操作與防誤校驗技術、可視化技術。下面針對這五種關鍵技術設計系統功能模塊。

(1)基于IEC61970-CIM的數據集成/交互模塊

IEC61970-CIM是應用程序接口規范，能夠為系統設計提供統一的數據模型，解決了繼電保護整定工作所需要的集成數據的異構性，實現數據源與系統之間的數據有效交互，為整定提供了數據支撐。IEC61970-CIM中包括了公共信息模型(CIM)、組件接口規范框架(CIS)以及CIS 技術映射，功能分別如下：CIM作為抽象邏輯模型促進了異構電力系統之間的信息交互與集成，描述公共類和屬性之間的關系；CIS規定一些接口，定義數據交換的標準的方式；CIS技術映射定義了每一個接口到每一種技術的映射標準。基于IEC61970-CIM設計本系統與其數據源之間的集成/交互方案，如下圖3所示。

圖3 基于IEC61970-CIM的數據集成/交互方案Fig.3 Data Integration/interaction scheme based on IEC61970-CIM

(2)基于同步技術的定值信息庫更新模塊

為實現定值信息庫與數據源的同步，構建與OMS自動化保持一致的管理定值信息庫(包括定值單號和具體定值文件)，與IEC61970-CIM標準化技術相互配合，然后基于人機交互與兼容OMS系統松/緊耦合的多源冗余匯聚構建并校準機制，實現定值單的錄入、修改、刪除等工作[12]。另外，結合工作需求及應用場景，開展定值信息庫的可視化及互操作性研究，為后期保護定值配置提供準確、及時、全面的數據參考。

(3)基于專家決策系統的繼電保護定值計算模塊

專家系統通過模擬專家思維，實現全圖形化向導式模擬操作、推演分析與輔助決策，進行保護整定智能計算，當電網運行方式發生變化時，自動生成繼電保護定值配置變更通知單，并依據專家規則提示關鍵事項，為調度員與變電運行維護人員對電網發生故障時的事故判斷和事故處理提供輔助決策[13]。基于專家系統的繼電保護定值計算流程如下圖4所示。

圖4 基于專家決策系統的繼電保護定值計算流程Fig.4 Relay protection setting calculation flow based on expert decision system

結合圖4可知，當系統運行時會先選取電網系統的故障點，然后根據算法邏輯規則設置故障類型，進行故障類型的分析和計算，最后顯示故障量，進而完成專家決策系統的保護配置及整定計算推理，將該系統的保護配置及整定計算推理邏輯用于修正整定公式。在繼電保護定值計算時會先選定需要進行整定計算設備，對其進行檢查并重新編輯參數，然后根據設備的模型進行系統圖繪制，輸入相關參數，最后進行網絡拓撲的檢查，如該結構與實際系統相符就可通過整定公式進行計算，得出定值，得到定值后需求相關參數，對故障量或定值并存盤進行打印，得出結果[14-15]。

(4)指令模擬操作與防誤校驗技術

為了給繼電保護整定提供定值配置圖，實現可視化操作，構建繼電保護定值配置操作的模擬環境。本文使用matlab仿真軟件對該系統進行模擬，在模擬環境中，進行整定全過程虛擬的計算。在系統中建立本文系統的網絡拓撲結構，選取輸入系統中的故障點，設置故障類型，根據算法分析計算故障類型，得到可顯示的故障量，完成保護配置及整定計算推理，將其輸入至整定公式中。得到完整的運算系統后進行整定計算的模擬。在指令模擬操作結束后，針對得到的結果進行防誤校驗，包括對系統中的承受的負荷、變壓器、開關狀態、中性點、接地開關分合狀態等進行校核及提示，確認無誤后即可證明該系統設計完成，可進行實驗測試。

(5)可視化技術

為實現繼電保護定值配置過程的可視化，以SVG格式公共圖形標準，應用靜態建模功能和運行態功能，實現與不同數據源系統和對象的交互式使用，以滿足不同業務的需要[16-18]。在可視化系統之中，可采用和人機交互工具將系統的圖形界面和整定計算相結合，將人工干預與整定系統相結合，工作人員可采用人工干預的方式參與整定計算全過程，讓其整個系統運行均可結合工作人員的經驗，保證系統運行的正確性和穩定性，提高整定計算的精度。在設計時應將圖形界面與計算機界面連接在同一電網之中，讓其讀取相同電網的參數，借此保證系統運行的一致性，使工作人員可利用充分系統。在圖形界面之中應該包括操作單、雙擊元件、成組選中元件、右鍵菜單、工具欄等內容，方便工作人員操作修改。除此之外，還應該通過分層分區拓撲結構來構建可視化系統，嚴格管控各員工的權限。在系統中可按照層級關系對電網拓撲進行管理，讓其具備一些修改、顯示功能，便于工作人員隨時更改系統的運行狀態。應以圖形化的方式繪制管理電網系統的保護配置，在一次結構圖中可進行整定計算，保證整定計算結果可以以圖形的形式正常輸出。工作人員可通過該系統將整定計算的運算結果粘貼在接線圖中，或者將結果以Tip的方式在圖片中顯示[19-21]。

2 系統實現與測試

為測試系統的性能，以基于智能優化算法的繼電保護裝置整定系統以及通用繼電保護地調定值自動校準系統為對比項，在MATLAB工具上進行仿真測試。

2.1 測試內容

針對以往繼電保護裝置整定系統存在的缺陷，本系統測試包括兩個方面的內容，即：

(1)系統反應延遲問題，這關系到系統的操作流暢度，是否在實現繼電保護定值可視化展示的基礎上，降低繼電保護定值高級業務功能操作的復雜和煩瑣程度[22]。

(2)系統的繼電保護定值計算功能的實現問題，即保護定值是否能夠隨著設備參數的變化而自動調整

2.2 電網拓撲圖形建立

按照下述流程構建電網拓撲圖形，過程如下：

步驟1：圖形文件載入；

步驟2：遍歷圖形文件的全部圖元，利用vg圖元的Setproperty Value控件對圖元端口進行賦值；

步驟3：根據圖元端口號進行連接線檢查[23]；

步驟4：遍歷所有圖元，利用vg圖元的 Getproperty Value獲取圖形文件數據，并通過邏輯處理程序保存到數據庫；

步驟5：讀取拓撲融合需要的圖元數據，并進行端口融合[24]；

步驟6：輸出拓撲信息并保存[25]。

2.3 繼電保護定值配置

仿真設置故障點信息，包括故障元件類型：母線；故障元件名稱220KVI母線；故障類型：接地故障；故障相別：A；過度電阻：0Ω。在上述前提條件下，按照圖4流程進行繼電保護定值配置，結果如下表1所示。

表1 繼電保護定值配置結果Tab.1 Relay protection configuration result

2.4 系統測試結果

(1)系統反應能力

點擊系統不同業務功能模塊，與系統進行互動操作，統計系統互動操作的反應時間，結果如下表2所示。

表2 系統反應延遲(單位：s)Tab.2 System response delay (s)

從表3中可以看出，所設計系統的反應平均延遲要少于基于智能優化算法的繼電保護裝置整定系統和通用繼電保護地調定值自動校準系統，說明本系統面向繼電保護定值配置業務，實現了功能模塊快速點選模式，達到了即點即用與所見即所得。

(2)保護定值自適應變更能力

以繼電保護輸出功率為因變量，以電網電流為自變量，繪制二者之間的變化線性曲線，并計算與理論值的相關系數的絕對值，絕對值越大，就越相似，說明保護定值變自適應更生能力越強。相關系數的絕對值計算公式如下：

(1)

測試結果如下圖5所示。

圖5 變化線性曲線以及相關系數絕對值Fig.5 Change the absolute value of the linear curve and correlation coefficient

從圖5中可以看出，與基于智能優化算法的繼電保護裝置整定系統和通用繼電保護地調定值自動校準系統相比，所設計系統應用下，隨著電網電流的變化，繼電保護輸出功率隨之發生變化，且與理論值更為接近，相關系數的絕對值更大，說明本系統的自適應變更能力更強。

3 結束語

綜上所述，結合電網實際情況，將電網結構與保護定值單有機結合起來，通過研究全網的電網結構圖，開發一款基于IEC61970-CIM的繼電保護定值配置可視化管理系統，實現繼電保護定值配置可視化，并通過基于全網的模擬操作以驗證一二次安排正確性和合理性，以及通知單融合智能決策與自動生成，大大提高電網調度工作效率和技術水平，支撐智能化調度，提升電網運行安全性和供電可靠性。然而，本系統僅在仿真測試環境中進行測試，缺乏實際環境校驗，有待進一步分析。