基于圖形組態(tài)功能定制的繼電保護(hù)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙森，曹銳，韓民疇

（1.國網(wǎng)南陽供電公司，河南 南陽 473000；2.武漢凱默電氣有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引 言

目前智能變電站的投運前檢驗、相量校核、在線監(jiān)測診斷、檢修安措等相關(guān)運維業(yè)務(wù)，都是依托廠家的已有工具或軟件進(jìn)行作業(yè)的，廠家的工具或軟件功能邏輯都是廠家定制的，只能滿足特定的功能需求，當(dāng)在現(xiàn)場或作業(yè)過程中有特殊需求，使用常規(guī)的廠家軟件一般很難滿足要求。各項功能的邏輯都是固定的，不能隨運維人員的需求而靈活改變。即使廠家愿意開發(fā)新功能，也需要較長的開發(fā)周期。如投運過程中的相量校核，當(dāng)現(xiàn)場的校核內(nèi)容發(fā)生變化或校核邏輯有變更，軟件一般很難支持邏輯變更等一些特殊要求的功能，所以運維過程中的特殊內(nèi)容只能人工進(jìn)行作業(yè)。這種工作方式將會降低工作效率，延長工作時間，提高了運維風(fēng)險，不利于現(xiàn)場的運維和變電站安全穩(wěn)定的運行維護(hù)。

本文針對如上現(xiàn)場遇到的問題，基于通用組態(tài)技術(shù)并結(jié)合繼電保護(hù)在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)各種現(xiàn)場要求、各類功能的組態(tài)開發(fā)，可以實現(xiàn)各種變電站常見類型的輸入輸出的組態(tài)邏輯功能以滿足現(xiàn)場作業(yè)各類工作需求。通過組態(tài)軟件可以實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)和作業(yè)功能的自由配置，從而滿足各類現(xiàn)場作業(yè)的功能需要，提高現(xiàn)場作業(yè)效率，降低變電站運維風(fēng)險，保證變電站的安全穩(wěn)定的運行與維護(hù)。

1 組態(tài)技術(shù)

組態(tài)軟件，是自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。用戶可通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計算機程序，也就是所謂的“組態(tài)”。它有時候也稱為“二次開發(fā)”，組態(tài)軟件就稱為“二次開發(fā)平臺”。本文通過組態(tài)技術(shù)，設(shè)計如下組態(tài)軟件平臺，來實現(xiàn)變電站現(xiàn)場應(yīng)用的可定制性、延續(xù)性、可擴(kuò)充性、封裝性、通用性等特點。

組態(tài)軟件平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，組態(tài)軟件平臺主要由數(shù)據(jù)采集層、組態(tài)邏輯層、界面展示層組成。其中數(shù)據(jù)采集層主要進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與管理，為上層業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；組態(tài)邏輯層主要進(jìn)行組態(tài)模板編輯、組態(tài)模塊功能實現(xiàn)，組態(tài)邏輯業(yè)務(wù)的實現(xiàn)；界面展示層主要實現(xiàn)將組態(tài)邏輯層的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行可視化展示，展示層可以通過圖元模塊在畫布上自由布局并關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對象實現(xiàn)界面定制。

圖1 組態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層主要是數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，包括模擬量輸入、開關(guān)量輸入、文件輸入等。

組態(tài)邏輯層主要由輸入接口模塊、邏輯功能實現(xiàn)模塊、輸出接口模塊、通信模塊組成。輸入接口模塊主要負(fù)責(zé)與底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交互，保證邏輯功能實現(xiàn)模塊能正確快速讀取到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。邏輯功能實現(xiàn)模塊主要負(fù)責(zé)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)組態(tài)模塊中的邏輯加工處理生成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供給輸出接口模塊與通信模塊。其中組態(tài)模塊邏輯功能的構(gòu)建也是屬于組態(tài)邏輯層，在組態(tài)邏輯層有三種工作模式方式，一種組態(tài)模塊編輯模式、一種組態(tài)模塊調(diào)試模式、一種在線運行模式，組態(tài)模塊編輯模式可以通過圖形化方式自由編輯組態(tài)模塊的輸入、輸出、邏輯功能，并可以通過組態(tài)模塊間的組合形成一個業(yè)務(wù)功能模塊；調(diào)試模式可以通過自定義輸入接口數(shù)據(jù)實現(xiàn)組態(tài)模塊功能測試；在線運行模式可以將業(yè)務(wù)功能模塊進(jìn)行在線運行。輸出接口模塊實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)輸出、存儲、與界面數(shù)據(jù)的交互等，保證邏輯功能的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能以直觀展示。通信模塊主要負(fù)責(zé)人機交互界面與組態(tài)邏輯層間的交互，可以控制組態(tài)邏輯層的一些參數(shù)，如是否調(diào)用該組態(tài)模塊，調(diào)整組態(tài)模塊的參數(shù)，檢查對應(yīng)的組態(tài)模塊等。

界面展示層主要由圖形界面展示模塊、通信控制模塊、畫布及數(shù)據(jù)訂閱模塊構(gòu)成?？赏ㄟ^畫布及數(shù)據(jù)訂閱模塊定制應(yīng)用界面并關(guān)聯(lián)需要展示的數(shù)據(jù)，最終通過圖形界面展示模塊進(jìn)行加載展示。并能通過通信控制模塊調(diào)整組態(tài)邏輯層的參數(shù)以及組態(tài)模塊的使能，從而控制邏輯輸出。

2 組態(tài)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集平臺

數(shù)據(jù)采集層是組態(tài)軟件平臺的基礎(chǔ)，是組態(tài)軟件平臺所有數(shù)據(jù)的源頭，保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性與正確性，是進(jìn)行組態(tài)邏輯的基礎(chǔ)，合理管理數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)內(nèi)容，自由配置數(shù)據(jù)采集內(nèi)容，保證數(shù)據(jù)的靈活性，從而保證組態(tài)軟件平臺的靈活性。本文數(shù)據(jù)采集是基于在線監(jiān)測平臺的采集單元，而組態(tài)邏輯層和界面顯示層都部署在在線監(jiān)測平臺的管理單元上。

繼電保護(hù)在線監(jiān)測平臺由數(shù)據(jù)管理單元、數(shù)據(jù)采集單元組成，平臺組成和信號接入方式如圖2所示，采集單元通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取繼電保護(hù)設(shè)備、合并單元以及智能終端的SV、GOOSE 數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與記錄。管理單元通過站控層網(wǎng)絡(luò)與保護(hù)裝置進(jìn)行通信，獲取保護(hù)裝置的MMS 數(shù)據(jù)，包括保護(hù)定值、保護(hù)遙信、保護(hù)遙測等信息。同時管理單元通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)方主站進(jìn)行通信。

圖2 在線監(jiān)測平臺組成示意圖

目前在線監(jiān)測平臺主要是進(jìn)行二次設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷，通過在其上部署基于圖形組態(tài)的功能定制軟件，可實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的定制化分析。極大地豐富在線監(jiān)測平臺的應(yīng)用場景。

2.2 組態(tài)圖元及模塊化

組態(tài)邏輯層的邏輯功能實現(xiàn)模塊將邏輯中用到的各個節(jié)點進(jìn)行抽象建模形成各類基本邏輯圖元。其中部分基本圖元為：（1）邏輯圖元：與門圖元、或門圖元、非門圖元、異或門圖元等；（2）運算圖元：加法圖元、減法圖元、乘法圖元、除法圖元、積分圖元等；（3）時間圖元：瞬時動作瞬時返回圖元、瞬時動作延時返回圖元、延時動作瞬時返回圖元、延時動作延時返回圖元等；（4）控制圖元：條件判定圖元、循環(huán)控制圖元、分支選擇圖元、過程終止圖元等；（5）模擬量圖元：電壓相量、電流相量、電壓序分量、電流序分量等；（6）開關(guān)量圖元：保護(hù)功能壓板、開入信號、告警信號、跳閘信號等。

實現(xiàn)組態(tài)軟件平臺的組態(tài)邏輯的可視化以及組態(tài)模塊的擴(kuò)展性，需要將組態(tài)軟件平臺邏輯進(jìn)行建模，采用統(tǒng)一、公開的建模語言，描述不同種類的邏輯圖元，邏輯連接關(guān)系以及邏輯功能。用SVG等格式來描述邏輯圖中的各種圖元的屬性、相對位置、關(guān)聯(lián)關(guān)系。“兩輸入相與”的邏輯圖元建模如表1、表2所示，其中表2中矩形外框的左上角坐標(biāo)是相對于整個畫布的左上角，而其他元素的是相對于矩形外框的位置。

表1 “兩輸入相與”的邏輯圖元元素

表2 “兩輸入相與”的邏輯圖元制圖

平臺可對組態(tài)功能進(jìn)行封裝，形成相應(yīng)的組態(tài)模塊，封裝的組態(tài)模塊既可以是基本功能的組合封裝，也是多個組態(tài)模塊嵌套封裝。最大程度利用組態(tài)模塊功能，減少重復(fù)配置工作量。

2.3 組態(tài)功能定制

基于基礎(chǔ)圖元以及封裝后的組態(tài)功能模塊可以通過搭積木的方式定制新的功能模塊。圖3為雙相量比較模塊，此模塊由相量輸入、相量分解、兩數(shù)求最大值、兩數(shù)相減、求模、兩數(shù)相除、與門、或門以及條件判定模塊組成。當(dāng)模擬量的幅值或相角差異大于閾值時會產(chǎn)生告警。其中交流電流相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.02IN（當(dāng)兩者都大于才判異常），相角的誤差可設(shè)置為3°。

圖3 雙相量比較模塊邏輯圖

同理，新的功能也可以封裝成具有固定輸入輸出接口和內(nèi)部邏輯的模塊。圖4為實現(xiàn)模擬量同源比對搭建的功能模塊邏輯圖。此功能基于同一來源模擬量采樣數(shù)據(jù)需相同的假設(shè)，平臺可對AB 套保護(hù)、以及錄波器采樣之間相同間隔采樣的兩組模擬量進(jìn)行實時比對和自動分析，從而實現(xiàn)同源數(shù)據(jù)比對。此模塊通過3 個雙相量比較模塊封裝構(gòu)成，當(dāng)任意一組模擬量比對發(fā)生異常時則此模塊輸出總異常告警信號，當(dāng)所有模擬量比對正常時則此模塊輸出總正常信號。此模塊可以發(fā)現(xiàn)極性接反、錯序、CT 兩點接地、采樣回路斷線等異常，實現(xiàn)了運維功能的組態(tài)定制。

圖4 模擬量同源比對功能模塊邏輯圖

同樣可以基于通用組態(tài)的搭建保護(hù)動作分析功能模塊，如圖5所示為距離保護(hù)I 段保護(hù)動作成功的組態(tài)邏輯功能圖。

圖5 距離保護(hù)I 段保護(hù)動作成功的組態(tài)邏輯功能圖

如上圖所示，基于通用組態(tài)搭建基礎(chǔ)邏輯模塊與門、或門。根據(jù)保護(hù)功能和保護(hù)邏輯，搭建保護(hù)動作組態(tài)邏輯模塊。本組邏輯模塊設(shè)計的距離保護(hù)I 端保護(hù)動作成功的條件為：保護(hù)動作啟動、保護(hù)動作值小于距離I 段定值、保護(hù)動作信號、動作信號延時小于定值、距離I 段軟壓板投入、GOOSE變位信號、GOOSE 變位延時小于跳閘回路固有延時。將組態(tài)邏輯模塊導(dǎo)入到在線監(jiān)測平臺，將采集的保護(hù)信息對應(yīng)輸入到組態(tài)邏輯模塊中。組態(tài)模塊中的條件與數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)運算，并記錄輸出數(shù)據(jù)信息，入庫到數(shù)據(jù)庫中，更新到在線平臺界面中，實現(xiàn)保護(hù)動作分析。

3 實例驗證

通過智能變電站二次通用組態(tài)軟件，可以實現(xiàn)基于組態(tài)模塊的智能變電站的定制化運維，基于模型的智能變電站二次通用組態(tài)軟件平臺可以通過搭積木的方式，不斷增加組態(tài)軟件平臺功能，完善組態(tài)軟件平臺中的應(yīng)用，因此可以在工程應(yīng)用中，通過組態(tài)軟件平臺，搭建符合作業(yè)要求或符合數(shù)據(jù)分析要求的組態(tài)模塊，再通過組態(tài)軟件平臺的運行調(diào)試模式，對組態(tài)模塊功能進(jìn)行驗證或測試。在實際組態(tài)軟件平臺應(yīng)用過程中，分兩個階段：第一階段是專業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況或?qū)嶋H數(shù)據(jù)分析情況搭建符合現(xiàn)場要求的組態(tài)邏輯模塊，第二階段是工作人員根據(jù)專業(yè)人員已搭建好的組態(tài)邏輯模塊進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場工作人員只需將組態(tài)模塊下裝到組態(tài)軟件平臺，進(jìn)行一些配置即可完成組態(tài)邏輯功能的實現(xiàn)，最終在現(xiàn)場完成組態(tài)邏輯功能的驗證與測試。

以在220 kV 智能變電站試點應(yīng)用組態(tài)軟件平臺進(jìn)行跳合閘反校的組態(tài)邏輯的搭建來舉例驗證。具體的跳合閘反校邏輯原理圖如圖6、圖7所示。

圖6 跳閘反校邏輯原理圖

圖7 合閘反校邏輯原理圖

跳合閘反校模塊實現(xiàn)邏輯為：

（1）通過組態(tài)軟件平臺搭建跳合閘反校模塊的邏輯，如上圖所示，根據(jù)收到保護(hù)的跳合閘出口信號、智能終端出口反校信號、智能終端出口回采信號以及斷路器的開關(guān)變位信號，來判斷裝置及回路的異常，同時將保護(hù)設(shè)備的跳閘信號對應(yīng)的故障錄波文件中的模擬量電流通道作為輸入分析；（2）當(dāng)跳合閘出口信號、智能終端出口反校信號、智能終端出口回采信號以及斷路器的開關(guān)變位信號都正常收到時，代表跳合閘回路正常；（3）當(dāng)出口反校信號收不到時，可能是二次光纖回路異常；（4）當(dāng)出口回采信號收不到時，可能是智能終端異常；（5）當(dāng)開關(guān)位置信號收不到時，可能是電纜回路或開關(guān)異常；（6）當(dāng)開關(guān)變位到跳合閘出口的時間差大于100 ms 時，代表開關(guān)變位超時；（7）當(dāng)跳閘出口后150 ms 電流仍未消失，代表開關(guān)消弧超時。

將如上邏輯通過組態(tài)軟件配置成功模塊并通過現(xiàn)場部署的在線監(jiān)測平臺獲取變電站監(jiān)測數(shù)，經(jīng)過模塊的自動分析將結(jié)果顯示在界面展示層。現(xiàn)場應(yīng)用展示界面如圖8所示。

圖8 跳合閘反校模塊應(yīng)用界面圖

經(jīng)過變電站現(xiàn)場驗證表明此系統(tǒng)能實現(xiàn)較靈活的組態(tài)編輯和功能定制。結(jié)合在線監(jiān)測平臺提供的數(shù)據(jù)能夠?qū)ΤＲ姷哪M量、開關(guān)量、保護(hù)動作過程等定制需要的業(yè)務(wù)邏輯。而原有的監(jiān)控系統(tǒng)雖然也能實現(xiàn)畫面組態(tài)，但大多只能對展示層進(jìn)行組態(tài)，并不能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯組態(tài)，更不能提供多層業(yè)務(wù)模塊的嵌套封裝。

4 結(jié) 論

本文針對運維現(xiàn)場對定制化業(yè)務(wù)的需求，基于通用組態(tài)技術(shù)并結(jié)合繼電保護(hù)在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)各種現(xiàn)場要求、各類功能的組態(tài)開發(fā)，可以實現(xiàn)各種類型的輸入輸出的邏輯功能以滿足現(xiàn)場作業(yè)各類工作需求。通過組態(tài)軟件可以將各類作業(yè)，各類功能需要的自由組合，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)和作業(yè)功能的自由配置，從而滿足各類現(xiàn)場作業(yè)的功能需要，提高現(xiàn)場作業(yè)效率，降低變電站運維風(fēng)險，保證變電站的安全穩(wěn)定的運行與維護(hù)。經(jīng)過變電站試點應(yīng)用，驗證了其可行性，具有較強的應(yīng)用推廣價值。