基于新疆继电保护故障信息系统的思考与深化应用

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(1.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2. 国网新疆电力调度通信中心，新疆 乌鲁木齐 83002；3. 国网新疆电力公司检修公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引 言

随着对电力系统调度自动化要求的不断提高，作为其中重要部分的继电保护故障信息系统得到了长足的发展。目前，中国大部分省网公司都建立了继电保护故障信息系统。该系统为继电保护及安全自动装置提供了统一的分析平台,有利于调度部门迅速掌握电网实际故障状况以及继电保护动作行为，及时分析电网事故、迅速做出正确判断进行事故处理并快速恢复系统。同时有助于掌握继电保护设备运行状况，有效地分析继电保护动作行为，提高调度管理及运维水平[1]。在对继电保护故障信息系统普及应用的同时，对其在电力系统中的深化应用逐渐成为人们关心的另一个方面。可见深化应用不仅是对智能电网发展的契合，更是对调度人员处理相关问题的有力帮助。

1 发展历程及研究现状

近年来，随着计算机技术、通讯技术和网络技术的飞速发展，数据采集与监视控制系统 (supervisory control and data acquisition，SCADA)技术进入了一个快速发展阶段。继电保护故障信息系统已经普遍地应用于国内高电压等级电网中，功能也越来越丰富，系统结构和配置发生了很大的变化。在继电保护故障信息系统建设初期还存在着多种问题，例如数据共享交互不完善、工作站维护过于频繁、规约和接口不统一等，随着对继电保护故障信息系统功能的不断完善，上述问题得到了有针对性的解决。建立覆盖区域更广泛的信息站内网，统一信息传输形式，有利于数据的广泛共享。继电保护故障信息系统嵌入到现代调度管理当中，不同的站点由不同的调度层级负责，大大提高了故障处理的效率。由文献[12]得知，经过对继电保护故障信息系统软件和硬件的改造，继电保护故障信息系统在日常运行当中已经达到了一个比较合理规范的工作模式。

随着智能电网的提出和发展，对当前的继电保护故障信息系统提出了更高的要求，提高故障的处理速度，降低电力系统故障发生率是建立坚强智能电网的必然要求。所以对继电保护故障信息系统进一步发展提出了新的要求，从数据的可视化展示到数据信息专家系统的建立都在不断的赋予继电保护故障信息系统以新的功能。

2 定义及组成结构

2.1 定义

继电保护故障信息系统是电力系统下的一个子系统用以处理各种故障信息，并兼有分析判断功能。文献[13]指出电力继电保护故障信息系统采集电力系统中各继电保护装置和故障录波器的实时或非实时运行、故障和配置信息, 进行故障分析和处理、运行状态监视和配置信息管理, 是现代电网继电保护系统的重要组成部分。文献[14]指出继电保护故障信息系统是为了提高电网调度信息化、智能化，实现对电网继电保护和录波装置的运行状态监视及电网故障后的及时诊断，是电网调度迅速掌握故障时的保护动作行为。文献[15]指出继电保护及故障信息管理系统主要对保护装置进行监视、控制和管理；提供为保护装置服务的计算、分析手段;并对保护装置产生的信息进行综合分析和利用。以往的文章对继电保护故障信息系统的定义大多是从功能出发，叙述了它在电力系统中的作用，并没有给出明确定义。通过现场实际工作，并结合常规以及智能化变电站继电保护设备运行工况，这里给出如下定义：继电保护故障信息系统是在电力系统调度自动化概念的基础之上提出的，是对电力系统故障情况的一种处理措施并收集故障及控制操作信息向上级传输。

现代应用中的继电保护故障信息系统还兼有信息分析处理等功能，且不断的被赋予新的功能，使之更加完善。继电保护故障信息系统从概念上分为两部分：一部分是安装在一次设备上的各种继电保护装置；另一部分是基于自动化对故障信息的采集，通过传输线路的传送，由中心调度对故障信息进行分析处理并下达管理信息。建设继电保护故障信息系统的意义不仅仅停留在对保护动作报告和故障录波文件的信息搜集和分类管理,更重要的是能够及时准确分析保护动作行为,大大提高信息和故障综合分析处理能力,并通过对变电站故障信息的综合分析,使调度部门可以及时、快速了解电网故障情况,并进行事故分析、故障定位等,以做出正确的分析和决策,从而确保电网的安全、稳定运行。

2.2 组成结构

理解继电保护故障信息系统的组成结构是理解系统功能定义和提出深化应用的前提基础，继电保护故障信息系统的结构从提出到现在逐渐发生着变化，在不同的变化当中可以看出，继电保护故障信息系统的功能分级管理更加地明确，新设备接入系统越来越自如，系统更加的完善。但是继电保护故障信息系统的本质功能并没有随着这一切的变化而偏离。反而，新增加的功能是对基本功能的补充和完善。文献[16]对电网继电保护故障信息系统结构做介绍的同时，只是把整个继电保护故障信息系统简单的分为子站和广义上的主站，然后分别讨论了子站与主站的结构构成。文献[17]中同样指出继电保护故障信息系统结构上分为主站与子站，并指出主站隶属于中心调度，子站是各个场站的统称。文献[13]指出继电保护故障信息系统由主站、辅站和子站组成，但并没有指出各个环节与整个调度的嵌入关系。

继电保护故障信息系统是依托电力系统调度而建立起来的，所以继电保护故障信息系统的结构与电力调度方式密不可分。继电保护故障信息系统就是嵌入到调度模式中的一个子系统，对应中心调度、地调以及各个场站，分层分区域管理。继电保护故障信息系统由中心站、辅助站和子站组成，每个站点都由硬件设备和软件分析辅助设备构成，子站偏向于现场变电站实时监控，数据的在线采集以及场站人员对中心站和辅助站命令的执行；辅助站主要负责自己所属地区场站上传数据的系统分析处理、日常监控和紧急情况处理等任务；中心站负责自己管辖场站的日常监控和紧急情况处理，同时还负责各个子站以及辅助站上传的各类信息分析处理，并对故障处理或者日常调整决定下发到各个子站及辅助站，对整个继电保护故障信息系统的运行起到系统把握作用。

图1 系统结构图

依托电力系统调度自动化对该系统分层、分级的结构，有利于明确各个层级所负责的中心任务。对整个系统的运行而言，使各个负责单位明确自己的职责能够更加高效地解决发生的问题，提高对突发事件的处理能力，从而降低个别故障引起的对整个系统的冲击和影响。

3 功能定义

继电保护故障信息系统能够提供强有力的事故处理措施，保证较高的安全水平。在满足电力系统调度自动化为主要任务的前提下，提出了继电保护故障信息系统新的功能要求。

(1)图形显示功能

中心站主机可显示全网地理接线图，通过点击地理接线图中任一变电站可调出该变电站的主接线图及保护、录波装置的配置图，点击任一装置即可调出该装置的历史数据。当系统发生故障，有报告传到中心站时，变电站主接线图中有明显标志自动显示故障报告的存在。图形具有方便的编辑功能，如添加、删除设备等。

(2)故障信息的管理统计功能

继电保护故障信息系统不仅需要获取在线运行装置的故障信息、运行状态、开关动作情况以及趋势(即将形成什么动作状态)和其他一次设备的操作信息，而且需要对二次设备的运行情况、录波状态以及其他信息进行收集、分析。对于信息不足或不能够获取足够的有用信息进行分析时，利用已有的数据库和模型，结合现有少量的数据进行分析。对系统的故障做出接近准确的判断，把因分析错误而引起的二次系统冲击降低到最小。对于大型网络，由于设备众多，提供给主站的信息过于繁杂时，中心站利用信息综合，结合已有模型、数据库和以往典型故障类型，对海量信息进行筛选，来减少调度人员的工作量，能够及时准确地找出有用的信息，对发生的故障进行有效的分析。

对于存储的数据进行多种方式的标示，例如按照单位、厂站、线路名、开关号、保护及录波装置型号等，便于调取和查询。同时系统软件具备与办公软件相兼容，方便调度人员对数据的管理操作。

(3)报警功能和信息发布功能

继电保护故障信息系统的报警功能是对故障已经发生或者超越安全控制线的一种提示。分为现场报警和主、辅站的系统报警，分别提醒现场操作人员以及终端管理人员系统所处的危险境况。信息发布功能既是对当前发生故障信息的一个在线发布，也是对订购信息再处理分析结果的发布。

4 深化应用

4.1 数据的可视化处理

继电保护故障信息系统涉及的信息量非常庞大，这些信息大致可以分为：保护装置的运行信息、保护动作信息、保护定值信息、保护录波信息、网络通道信息、保护开关量信息等。不同种类的数据信息进行简单的分类显示，已不能满足操作人员对于效率的追求，而且随着数据可视化技术的不断发展，使其在继电保护故障信息系统信息显示中的应用成为发展趋势。

传统的继电保护故障信息系统信息图示化包含了简单的图形功能。图形维护模块能绘制各种简单图形，在绘制普通图形的基础上通过组合的方式能形成各种保护设备、母线、变压器、线路、开关、电抗器等图元，用来形象地显示电气元件。数据的可视化在包含传统数据图示化的基础上更加直观、形象地呈现数据；挖掘、突出呈现数据的关联性；增强数据呈现的艺术效果，符合审美；实现用户与数据的交互、增强用户对数据的控制。

数据的可视化在继电保护故障信息系统中的应用以简洁、易懂、省时高效的方式呈现数据内容并理解数据含义为目的，最终满足调度人员的需求。数据的可视化技术在继电保护故障信息系统信息处理中的高级应用以3方面来阐述：①呈现多维混搭信息的可视化应用，结合存储模块对故障信息的发生时间、地点和故障的类型进行多维混搭呈现，可提高分析对比时间；②揭示数据关联趋势的可视化应用，可对调度人员在使用数据可视化应用分析时前后不同时刻频繁浏览的数据类型自动关联呈现，并且提供手动选择和删除数据类型关联呈现；③可记忆数据可视化应用，把调度人员对某些数据的分析进行简单的操作记忆起来，并用不同于初始的呈现方式在原始数据中显示出来。对下一次分析提供帮助。数据的可视化展示见图2。

图2 数据的可视化展示

数据可视化技术在系统中的应用极大地提高了调度人员分析检测系统的工作效率，也是两个不断发展的科学技术很好的耦合，并且发挥了新的作用。

4.2 采集信息的深入挖掘与应用

继电保护故障信息系统所采集的信息作为电力系统中信息的一部分，对其深入的价值挖掘以及应用显得越加重要。需要对其采集信息进行如下的深入挖掘与应用。

(1)利用实时数据对新能源发电模型进行优化

新能源并网发电有别于传统的火电和水电，具有相同的特点就是终端能源消耗的不可控性，从而对系统的故障特性带来了新的问题。

由继电保护故障信息系统采集的各个风电厂、光伏电厂的故障信息进行综合筛选，反馈给研究人员，利用这些实测的信息，结合试验模拟仿真，对等值风电厂、光伏电厂模型进行优化，使其更加真实地反应实际电厂特性。利用改进的模型对新能源电厂进行分析和模拟，能够起到对故障的预判作用。试验仿真信息再次与继电保护故障信息系统反馈的有用信息相比较，进一步对模型进行优化，依此循环，能够形成一个比较准确的模型，提供对系统的分析准确性。

(2)利用故障分析结构进行故障反演

继电保护故障信息系统信息的采集，生产报告传输到调度中心，经过专家系统的分析，对故障过程及结构的准确再现，为相关从业人员的培训提供了很好的素材。对已完成分析的典型故障类型，进行整理、总结形成故障反演的培训资料。在此资料中可以进行故障展示，从保护动作的再现结合所导致的后果，分析得出故障产生的原因。

故障反演整体设计过程包括如下步骤。

图3 故障反演结构图

主要元件的建模和仿真数据的输入所需要的数据，采用实际系统提供的参数，对于系统不能够提供的数据，参考典型数据以及实时采集的数据进行补充。

生动的故障反演不仅能使受培训人员对故障有更加清晰的认识，而且能够加深对于故障的理解，从根本上杜绝故障再次发生时的误操作。

4.3 专家系统的优化

继电保护故障信息系统的深化应用除了对于信息的再利用之外，还有新型功能的开发。在继电保护故障信息系统信息分析层面，能够实现自动分析功能的专家分析系统有着重要的实用意义。

专家系统是继电保护故障信息系统各个功能模块中的高级应用。故障分析专家系统是一种基于规则和事例的智能计算机程序，它利用知识库和预设推理结构完成逻辑分析判断，求解涉及专业知识的高难度问题。实现专业问题智能化处理，是现代分析软件升级应用的一种趋势化嵌入模块。

故障分析专家系统作为继电保护故障信息系统的高级应用核心内容，它是对子站上传信息的一种智能分析，信息的上传采用中心站向子站对数据信息进行订购，保护系统中的任何一个信息都可以成为被订购对象，同样主站也可以对数据进行分类订购，直接订购某一种或几种类型的数据，实现择优选取。专家系统的加入为继电保护故障信息系统的模块组成结构注入了新的定义，由信号采集与存储模块、电网故障触发模块和故障综合分析模块组成。结合这种模块组成结构传统的信息筛选做法是把信息的筛选功能赋予了故障综合分析模块当中，让故障综合分析模块执行有用数据筛选的分析判断。这样延误了故障分析处理的时间，而且不能够自定义多种信息选取方式，单纯地依据所要分析的故障进行筛选，会导致有用信息依然没被筛选处理单独存储、或者有用信息在特定的故障分析中被无用化而删除。而且传统的信息甄别筛选条件太过固定且单一，容易漏选重要信息。

为此提出了在电网故障触发模块之后加入信息筛选模块。信息筛选模块是信息的智能化分析处理模块，为故障综合分析模块的信息处理提供所需信息匹配供应。在系统正常情况：采用按需求上传指定信息。在系统故障情况下，能及时上传故障简要信息，包括故障发生的时间、地点、类型等基本故障信息。简要信息还应该包含详细内容的链接，如果调度人员对简报的某个信息的详细内容感兴趣，通过点击能够在短时间内获取相关信息，从而提高了继电保护故障信息系统的实用化。信息筛选模块可以根据用户的要求设置数据信息上传的优先级，还可以设置不同的接口以应对继电保护故障信息系统中安装的不同厂家生产的不同通信协议的设备。信息筛选模块对存储模块还应该有反馈功能，对分析过后的数据组别中无用信息范畴打包反馈给存储模块，以便于存储模块对无用信息及时删除，释放存储空间。加入信息筛选模块后故障综合分析流程如图4。

故障诊断专家系统是将专家系统应用到故障诊断之中,可以利用领域知识和专家经验提高故障诊断的效率。故障诊断专家系统在继电保护故障信息系统中的应用是依据分析人员预设的规则或形成的模型对上传的保护信息进行预想分析，分析过程还可以加入智能的并行分析，来提高分析速度，从而提高工作人员的研究效率。

在故障诊断专家系统对保护信息分析完成之后，进一步增加系统的功能，使其能够自动对描述数据特性的信息产生报告。

图4 故障综合分析流程

4.4 继电保护故障信息系统与EMS的融合

能量管理系统(EMS)是以计算机为基础的现代电力系统的综合自动化系统，主要针对发电和输电系统，用于大区级电网和省级电网的调度中心。EMS的信息化，即能够精确高效地集成、共享和利用各类信息,实现电网运行状态及设备的实时监控和电网联合优化调度，和智能电网对EMS精确优化的事故预测功能的要求，为继电保护故障信息系统和EMS的融合提高了天然的切入点。

继电保护故障信息系统与EMS的融合能够强化继电保护故障信息系统的基本功能，EMS是一个相对成熟的平台，可以为继电保护故障信息系统提供强大的数据支持；EMS还提供了强大的在线图形显示功能，可以及时准确地查看到故障发生地点附近其他设备的运行情况；EMS具有完备功能全面、设计周密的各种公共服务,包括图形管理工具、报表工具、权限服务、告警服务、web服务和系统管理等等。集成继电保护故障信息系统可直接利用这些成熟的公共服务功能,既避免了大量重发开发的工作,又更能满足用户的使用习惯。

继电保护故障信息系统和能量管理系统的相互交互可以体现在如下两个方面。

(1)信息交互。继电保护故障信息系统把故障信息传输给EMS，使智能调度与辅助决策系统通过对数据的分析处理，协助调度员对电网进行更合理的调度以提高输电效率、电能质量及处理事故的能力。电力系统中某处发生故障，继电保护故障信息系统采集的信息上传专家系统，与此同时，EMS把故障处附近的线路、变压器等设备的电气信息传输给继电保护故障信息系统，以辅助专家系统对故障进行分析，提高分析判断故障的准确性。

(2)预报警功能。继电保护故障信息系统采集的故障信息，一方面可以为EMS提供准确的故障定位，让调度人员迅速作出决策，避免已发生故障扩大的连锁反应，把故障影响降到最低；另一方面，由于继电保护故障信息系统是专业的故障分析系统，对电力系统中已发生的故障有准确判断作用，继电保护故障信息系统和EMS的融合之后，解决了电网发生故障时，EMS在系统故障发生后会将所有报警信息不加处理地提供运行人员,数以万计的数据涌入调度控制中心,并且还经常会伴随误报警的现象，帮助调度人员做出正确的故障处理决策。

5 结 论

分析研究了继电保护故障信息系统的系统原理、组成结构、功能以及一些规范化的应用。未来电网中接入的场站越来越多，面对不断增加的场站带来的庞大信息量分别提出了三方面的建议：首先，针对大量信息的存储和便于调用，提出了增加信息筛选模块；其次，基于数据的呈现形式，提出了继电保护故障信息系统信息的可视化应用，提高可读性、更对相关联数据模块和频繁交互浏览的数据模块进行综合呈现、智能化组合；最后，对继电保护故障信息系统与能量管理系统的融合可能性、优越性以及结合的切入点进行了分析探讨。所提出的基于继电保护故障信息系统的深化应用，是结合实际问题提出的可行性解决方案，对解决此类实际问题提供了一种思路，有实际应用价值。

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