继电保护故障信息系统的设计与实现

孟 荣,褚 罡

(河北省电力公司超高压输变电分公司，石家庄 050070)

继电保护故障信息系统的主要任务是对继电保护所涉及的数据、图形、报告进行采集、传送、查询、浏览和分析。各地的继电保护故障信息系统已基本建立，各项应用功能，如运行监视、历史事件统计等已基本实现[1]。随着电网规模的不断扩大，电网运行状况与系统故障都呈现出复杂性，使现有的继电保护故障信息系统在运行中暴露出一些问题，例如：主站与子站之间大量且频繁的通信问答使继电保护或故障录波器产生“信息爆炸”，变电站扩建或者软硬件升级时主站、子站的维护工作量大等。

1 系统总体结构设计

河北省南部电网500 kV变电站继电保护故障信息系统在设计中除了考虑电力信息化的发展趋势外，还应考虑继电保护专业管理的要求及系统运行中可能出现的问题。

1.1 硬件结构

该系统硬件采用性能可靠、工作稳定的计算机硬件系统。系统硬件和有关的接口设备技术性能指标符合国际工业标准，并能满足继电保护专业的故障信息采集、管理和分析应用系统的功能要求和业务范围内的特殊功能要求，系统硬件结构示意见图1。该系统通过河北省电力公司调度通信中心的公共数据平台获得EMS系统数据或其他连接在该平台上的应用系统的交换数据；通过正向隔离装置与Web服务器连接；与子站经过VPN连接，主站系统与子站系统之间采用IP认证加密装置隔离。

图1 系统硬件结构示意

1.2 软件结构

该系统软件采用分层结构，源于继电保护信息系统仍然是一个发展中的系统。分层结构能够提高系统的适应性，避免系统技术框架的频繁改动，减少维护成本；分层结构的设计还使业务逻辑和数据分离，使软件具有安全性、易维护性和快速响应性。系统软件结构示意见图2。

图2 系统软件结构示意

1.3 信息模型

通过河北省电力公司调度通信中心的公共数据平台，获取EMS系统CIM模型文件和SVG图形文件，在全网CIM模型中截取当前变电站的一次模型，该系统导入EMS系统的CIM模型和SVG图形，并与二次设备关联形成该系统的信息模型，其系统信息模型见图3。

图3 系统信息模型

2 系统技术实现

2.1 数据库

由于Oracle数据库具有较强处理海量数据的能力，并采用多层次网络计算、支持多种工业标准，所以该系统选择Oracle 9i作为数据平台[2]。数据库的设计是直接影响系统性能，根据继电保护信息系统的数据需求分析构成系统的数据结构，包括公用字典类数据库、变电站设备类数据库、实时数据库、历史数据库、高级应用库等。各库利用面向对象技术进行建模，每一个库都定义成一个对象，并以此来构成一个类，类又由具有相同特征的一组对象组成，该类的相同特征用属性来描述[3]。该系统将资源分为网络类、设备类、信道类和接口类，并定义了类对象及属性。面向对象的数据库设计核心在于将对象模型向数据库模型的映射，可以通过2种方式实现。

a. 将单个对象映射成表，对象名映射为表名，对象的属性映射成表的属性。例如：网络对象映射成表后为网络ID、网络类型ID、组网设备型号、拓扑结构。

b. 将对象间的二元关联映射成表。例如：设备与接口的关联映射为一个新表，为设备ID、接口ID、用途。

2.2 通信协议选择与通信设置

子站与主站传送大量的实时信息，主要包括录波文件和继电保护装置信息。录波数据的特点是信息量大，为了数据分析时的交换方便，按照COMTRADE暂态数据交换通用格式。保护装置普遍采用103继电保护设备信息接口配套标准，通信协议网络层采用TCP/IP协议标准，并且104标准制定了将103协议所定义的ASDU与TCP/IP相结合的网络访问标准[4]。以上协议能满足向主站主动传送及主站调用故障信息的要求，也能满足按用户需要设定不同类型数据，采用不同优先级有序传送的要求，并且在通信协议上做到了有机组合。通信拥塞的问题主要通过以下两方面的设置来解决：

a. 主站支持从子站或直接从继电保护、故障录波器召唤定值或波形2种方式，对于一般性质的查询，要从子站存储中调阅信息，避免有大量、频繁的通信问答时影响系统的通信速度。当保护定值变化时，子站采用主动报告的模式，避免定值核对功能产生大量的查询操作。

b. 主站支持可配置的录波数据召唤策略，避免在故障时通信频繁的时间段召唤录波文件，可自动中断当前录波数据传送过程，在以后的相对通信空闲时刻恢复；另外系统还具有断点续传功能，即使上传的波形不完整，系统仍能对波形片断进行分析。

2.3 系统扩展与维护

当进行老站改造或者新站接入时，应在遵循有关规范的前提下尽可能自动实现新接入子站的所有配置信息的上传和入库，实现“主站免维护，子站分散维护”的理念。对新建子站系统，先采用规约测试工具进行全面的测试后再接入主站系统，降低系统的工程调试难度和维护工作量，避免新接入的子站影响已投入运行的系统。如果已经投运子站配置发生变化，子站上送配置变化信号后，主站可自动召唤子站配置并相应修改数据库内容。子站配置变化作为事件被录入系统数据库，主站系统可以配置是否需要人工干预数据库更新过程。设计时还考虑到从外部导入和导出数据库定义功能、在线数据库修改功能，为主站免维护功能提供技术基础。该系统采用.xml文件作为导入、导出数据库结构的交换文件，所有一次设备和二次设备模型、图形、通信配置、系统配置均可导入创建数据库和导出为文件。

2.4 系统安全

根据二次安全防护的要求，该系统通过安全区隔离、数据源安全、防病毒入侵、权限与用户管理四方面来实现系统的安全。

a. 安全区隔离。对内数据通信服务器采用数据网关方式隔离2个系统，并采用单向隔离装置保证数据的单向访问，可以有效保证2个系统的安全性，同时对内数据通信服务器屏蔽了主站系统双服务器、双网的实现细节，方便了外部系统的接入。

b. 数据源安全。定期进行数据备份，需要时恢复系统。

c. 防病毒入侵。配置Norton等防病毒软件，调试维护工作站可兼作防病毒中心服务器，其他机器配置防病毒客户端，完成系统全网的整体病毒防御。

d. 权限与用户管理。对操作权限进行了细致划分，操作权限可以按照角色进行分组管理。用户必须使用密码进行登录，密码采用128位加密算法，加密后保存。

3 实际应用情况

河北省南部电网500 kV变电站继电保护故障信息系统在河北省电力公司超高压输变电分公司设置主站，现已接入11个子站。投运2年来运行良好，实现了各项应用功能，没有发生由于通信堵塞造成数据中断或设备死机问题，并且经历了重大电网事故的考验。系统扩建过程中维护的工作量小，没有影响该系统正常运行及正常运行必须具备的功能。

4 建议

为进一步提高电网故障的分析水平和事故处理效率，保证电网的安全稳定运行，在今后系统的升级改造中应增加以下功能：

a. 主站增加基本的网管功能，以便于对整个系统进行有效的监视，确保系统的可用性；

b. 充分利用系统采集的大量实时与非实时信息，加强后期对数据分析处理，完善高级应用，实现事故推理，提供优化的事故处理方案；

c. 对未来可能实行的主站对子站的定值下装、压板投退等操作控制功能的安全性、可靠性进行进一步的研究与论证。

参考文献：

[1] 张志清．管理信息系统实用教程[M]．北京：电子工业出版社，2005．

[2] 萨师煊,王 珊．数据库系统概论[M]．北京：高等教育出版社，2001.

[3] 徐晓丹,贾 泂．基于面向对象技术的数据库管理系统设计[J]．计算机与现代化，2002(7):36-38.

[4] DL/T 667-1999，远动设备及系统 第5部分 传输规约 继电保护设备信息接口配套标准[S].