基于IEC61970-CIM的继电保护定值配置可视化管理系统

李正新，赵武智，罗琨，陈斗沙，刘丽，李波，郝东方

(1.贵州电网有限责任公司毕节供电局，贵州 毕节 551700；2.贵州电网有限责任公司电力调度控制中心, 贵州 贵阳 550000； 3.贵州电网有限责任公司毕节市郊供电局，贵州 毕节 551700)

电力系统为人们的生产、生活提供了所需要的电力能源，因此保障电力系统保持正常运行至关重要。在电力系统保护中，继电保护装置是最常见也是最关键的保护手段之一，将其与电力系统相连，一旦电力系统发生故障，该设备能够及时察觉，并发出警告，同时控制断路器开合，以防止故障影响扩大，及时止损[1]。在继电保护系统正式工作前，其整定工作是不可缺少的一步，该工作主要内容是负责配置保护定值，以协调电力系统中各个继电保护装置运行，充分发挥保护装置的效能，最大限度地保障电力系统运行。近年来，随着电力系统的升级和改造，电网规模越来越大，结构也越来越复杂，各个分支电路交互重叠，这给继电保护定值配置工作带来了巨大的难度[2]。

面对上述情况，继电保护定值配置系统应运而生，在继电保护整定工作中发挥了很大的作用。关于该系统在很多文献中都进行了相关研究。例如，文献[3]中符云、吴伟明、陈大华等人基于目前继电保护整定计算及定值单管理系统存在的计算与管理不同的问题，结合智能优化算法研究开发一种继电保护整定系统。该系统以海南省为研究对象，按照其省、地、县的供电模式进行分析设计，基于自适应算法设计电网动态分区统一建模系统，并用该系统完成电网继电保护的整定计算，为加快算法的计算速度，其还引用了智能优化算法，使其整定计算的速度大大提升，除此之外，该系统当中包含了图形化建模、故障计算、定值整定计算和仿真、定值防误校核以及数据管理等多个功能模块，可提高整定计算的计算速度和计算精度。该系统具有一定创新性，但是其系统操作复杂，计算存在不稳定性，无法在电网系统中安全运行。文献[4]中，孔德全，黄瀛，王鹏飞等人主要针对电网系统继电保护地调定值取值不准确问题进行开发研究，最后基于网拓扑机构优化理论和频率控制的通用机电保护地调定值自动控制系统设计。该系统主要通过嵌入式ARM处理器进行核心功能模块及外围结构的设计，然后建立等效电路模型，计算模型中输出功率和电压之间的差值，然后以此为基础利用状态反馈校正方法计算装置的保护定值，并结合二次调频控制器对得到的定值进行校准和优化，以此实现系统的设计开发。该系统操作简单，信息处理效率高，具有一定开发价值，但是其计算比较复杂，运行时间较长，且自适应性不高，不宜大量推广应用。文献[5]中，刘大伟、宋爽、马泉等人针对电力系统继电保护装置检测精度低、检测速率慢问题，基于云策略理论和MMS协议研究智能继电保护装备智能检测系统。该系统为提升其检测精度，引入云储存技术和物联网技术，获取待保护装置的相关参数，自动生成测试列表，为提升运算效率，还将MMS协议添加在系统之中，可让系统实现自动保护装置定值、自动设置测试参数，自动完成测试过程。该系统可提高检测效率，提升电网运行的安全性。该系统具有一定实用性，但是该系统稳定性不高，且检测精度较低，不能在电网系统中大量应用。

以往设计的系统虽然在继电保护整定发挥了应有的作用，但是同样存在两个缺点，一是继电保护定值配置操作复杂程度和烦琐程度高，系统反应慢，不能实现即点即用与所见即所得；二是保护定值随着设备参数的变化，保护定值变更生成缺乏自适应性。针对上述问题，基于IEC61970-CIM的继电保护定值配置可视化管理系统，以期提高电网调度工作效率和技术水平，支撑智能化调度，提升电网运行安全性和供电可靠性。

1 继电保护定值配置可视化管理系统设计

继电保护装置，顾名思义就是能对电力系统运行起到保护作用的设备。一旦发生故障，继电保护装置会马上发现，并同时控制断路器开合，最大程度降低影响程度。在继电保护装置工作前，保护定值配置是关键，该工作主要是对继电保护装置的工作参数进行设置。通过设置能够让继电保护装置运行更加协调，提高工作质量。然而，现有的继电保护定值配置系统随着电力系统结构的复杂性，逐渐无法满足需求。为此，基于IEC61970-CIM的继电保护定值配置可视化管理系统，在该系统中操作人员可以直接利用可视化的组件和流程控制进行定值计算的设计和模拟，实现了继电保护定值配置可视化管理。

1.1 系统框架设计

众所周知，IEC61970为能量管理系统应用程序接口标准，在该标准中还提供了一套公共信息模型，该模型可用于描述电力系统，本文选用的IEC61970-CIM就是遵循这一标准的CIM模型，该模型可实现电网系统各调度系统电网模型信息的共享与交换。本文将借鉴B/S架构设计基于IEC61970-CIM的继电保护定值配置可视化管理系统框架，如下图1所示。

图1 系统框架Fig.1 System framework

系统框架分为数据访问层、业务逻辑层以及可视化显示层。各层功能如下：

(1)数据访问层

数据访问层主要负责访问各个数据源，并从中抽取相关保护定值信息，实现本系统与数据源之间的交互[6]。

(2)业务逻辑层

业务逻辑层是系统核心层，主要负责不同业务流程自动化的实现，包括建立电网网络模型、模拟操作、专家系统推演分析、防误校核、故障分析、图形建模、定值计算等[7]。

(3)可视化显示层

可视化显示层负责向用户展示继电保护定值配置模拟过程，实现配置结果的可视化显示[8]。

1.2 系统硬件设计

继电保护定值配置可视化管理系统硬件组成框图如下图2所示。

图2 系统硬件组成框图Fig.2 System hardware block diagram

本系统选用单片机型号为C8051F040，基于该单片机完成系统硬件设计。利用IEC61970-CIM接口电路与各个数据源相连，从中抽取相关保护定值信息，然后经过数据处理电路进行清理、滤波以及转换等，接着通过RS232串行通讯接口，将数据传输到本地系统。在本地系统上，高速SAS端口与网络服务器相连，将数据存储到光盘库上。当系统需要运算各个业务逻辑时，借助光盘驱动器接口读取光盘上的数据[9]。然后利用单片机进行各种业务处理，建立电网网络模型、模拟操作、专家系统推演分析、防误校核、故障分析、图形建模、定值计算等，最后通过LCD接口电路实现业务逻辑处理过程和结果的可视化[10]。RS-232-C是一种标准的串行物理接口，具有快速传输、稳定耐用、传送距离较远等特点。同时，提供+/-K静电保护功能，确保RS-232-C接口高速传输[11]。

1.3 系统功能模块设计

系统实现的关键技术主要包括五种，即IEC61970-CIM标准化技术、信息库同步技术、专家决策系统、指令模拟操作与防误校验技术、可视化技术。下面针对这五种关键技术设计系统功能模块。

(1)基于IEC61970-CIM的数据集成/交互模块

IEC61970-CIM是应用程序接口规范，能够为系统设计提供统一的数据模型，解决了继电保护整定工作所需要的集成数据的异构性，实现数据源与系统之间的数据有效交互，为整定提供了数据支撑。IEC61970-CIM中包括了公共信息模型(CIM)、组件接口规范框架(CIS)以及CIS 技术映射，功能分别如下：CIM作为抽象逻辑模型促进了异构电力系统之间的信息交互与集成，描述公共类和属性之间的关系；CIS规定一些接口，定义数据交换的标准的方式；CIS技术映射定义了每一个接口到每一种技术的映射标准。基于IEC61970-CIM设计本系统与其数据源之间的集成/交互方案，如下图3所示。

图3 基于IEC61970-CIM的数据集成/交互方案Fig.3 Data Integration/interaction scheme based on IEC61970-CIM

(2)基于同步技术的定值信息库更新模块

为实现定值信息库与数据源的同步，构建与OMS自动化保持一致的管理定值信息库(包括定值单号和具体定值文件)，与IEC61970-CIM标准化技术相互配合，然后基于人机交互与兼容OMS系统松/紧耦合的多源冗余汇聚构建并校准机制，实现定值单的录入、修改、删除等工作[12]。另外，结合工作需求及应用场景，开展定值信息库的可视化及互操作性研究，为后期保护定值配置提供准确、及时、全面的数据参考。

(3)基于专家决策系统的继电保护定值计算模块

专家系统通过模拟专家思维，实现全图形化向导式模拟操作、推演分析与辅助决策，进行保护整定智能计算，当电网运行方式发生变化时，自动生成继电保护定值配置变更通知单，并依据专家规则提示关键事项，为调度员与变电运行维护人员对电网发生故障时的事故判断和事故处理提供辅助决策[13]。基于专家系统的继电保护定值计算流程如下图4所示。

图4 基于专家决策系统的继电保护定值计算流程Fig.4 Relay protection setting calculation flow based on expert decision system

结合图4可知，当系统运行时会先选取电网系统的故障点，然后根据算法逻辑规则设置故障类型，进行故障类型的分析和计算，最后显示故障量，进而完成专家决策系统的保护配置及整定计算推理，将该系统的保护配置及整定计算推理逻辑用于修正整定公式。在继电保护定值计算时会先选定需要进行整定计算设备，对其进行检查并重新编辑参数，然后根据设备的模型进行系统图绘制，输入相关参数，最后进行网络拓扑的检查，如该结构与实际系统相符就可通过整定公式进行计算，得出定值，得到定值后需求相关参数，对故障量或定值并存盘进行打印，得出结果[14-15]。

(4)指令模拟操作与防误校验技术

为了给继电保护整定提供定值配置图，实现可视化操作，构建继电保护定值配置操作的模拟环境。本文使用matlab仿真软件对该系统进行模拟，在模拟环境中，进行整定全过程虚拟的计算。在系统中建立本文系统的网络拓扑结构，选取输入系统中的故障点，设置故障类型，根据算法分析计算故障类型，得到可显示的故障量，完成保护配置及整定计算推理，将其输入至整定公式中。得到完整的运算系统后进行整定计算的模拟。在指令模拟操作结束后，针对得到的结果进行防误校验，包括对系统中的承受的负荷、变压器、开关状态、中性点、接地开关分合状态等进行校核及提示，确认无误后即可证明该系统设计完成，可进行实验测试。

(5)可视化技术

为实现继电保护定值配置过程的可视化，以SVG格式公共图形标准，应用静态建模功能和运行态功能，实现与不同数据源系统和对象的交互式使用，以满足不同业务的需要[16-18]。在可视化系统之中，可采用和人机交互工具将系统的图形界面和整定计算相结合，将人工干预与整定系统相结合，工作人员可采用人工干预的方式参与整定计算全过程，让其整个系统运行均可结合工作人员的经验，保证系统运行的正确性和稳定性，提高整定计算的精度。在设计时应将图形界面与计算机界面连接在同一电网之中，让其读取相同电网的参数，借此保证系统运行的一致性，使工作人员可利用充分系统。在图形界面之中应该包括操作单、双击元件、成组选中元件、右键菜单、工具栏等内容，方便工作人员操作修改。除此之外，还应该通过分层分区拓扑结构来构建可视化系统，严格管控各员工的权限。在系统中可按照层级关系对电网拓扑进行管理，让其具备一些修改、显示功能，便于工作人员随时更改系统的运行状态。应以图形化的方式绘制管理电网系统的保护配置，在一次结构图中可进行整定计算，保证整定计算结果可以以图形的形式正常输出。工作人员可通过该系统将整定计算的运算结果粘贴在接线图中，或者将结果以Tip的方式在图片中显示[19-21]。

2 系统实现与测试

为测试系统的性能，以基于智能优化算法的继电保护装置整定系统以及通用继电保护地调定值自动校准系统为对比项，在MATLAB工具上进行仿真测试。

2.1 测试内容

针对以往继电保护装置整定系统存在的缺陷，本系统测试包括两个方面的内容，即：

(1)系统反应延迟问题，这关系到系统的操作流畅度，是否在实现继电保护定值可视化展示的基础上，降低继电保护定值高级业务功能操作的复杂和烦琐程度[22]。

(2)系统的继电保护定值计算功能的实现问题，即保护定值是否能够随着设备参数的变化而自动调整

2.2 电网拓扑图形建立

按照下述流程构建电网拓扑图形，过程如下：

步骤1：图形文件载入；

步骤2：遍历图形文件的全部图元，利用vg图元的Setproperty Value控件对图元端口进行赋值；

步骤3：根据图元端口号进行连接线检查[23]；

步骤4：遍历所有图元，利用vg图元的 Getproperty Value获取图形文件数据，并通过逻辑处理程序保存到数据库；

步骤5：读取拓扑融合需要的图元数据，并进行端口融合[24]；

步骤6：输出拓扑信息并保存[25]。

2.3 继电保护定值配置

仿真设置故障点信息，包括故障元件类型：母线；故障元件名称220KVI母线；故障类型：接地故障；故障相别：A；过度电阻：0Ω。在上述前提条件下，按照图4流程进行继电保护定值配置，结果如下表1所示。

表1 继电保护定值配置结果Tab.1 Relay protection configuration result

2.4 系统测试结果

(1)系统反应能力

点击系统不同业务功能模块，与系统进行互动操作，统计系统互动操作的反应时间，结果如下表2所示。

表2 系统反应延迟(单位：s)Tab.2 System response delay (s)

从表3中可以看出，所设计系统的反应平均延迟要少于基于智能优化算法的继电保护装置整定系统和通用继电保护地调定值自动校准系统，说明本系统面向继电保护定值配置业务，实现了功能模块快速点选模式，达到了即点即用与所见即所得。

(2)保护定值自适应变更能力

以继电保护输出功率为因变量，以电网电流为自变量，绘制二者之间的变化线性曲线，并计算与理论值的相关系数的绝对值，绝对值越大，就越相似，说明保护定值变自适应更生能力越强。相关系数的绝对值计算公式如下：

(1)

测试结果如下图5所示。

图5 变化线性曲线以及相关系数绝对值Fig.5 Change the absolute value of the linear curve and correlation coefficient

从图5中可以看出，与基于智能优化算法的继电保护装置整定系统和通用继电保护地调定值自动校准系统相比，所设计系统应用下，随着电网电流的变化，继电保护输出功率随之发生变化，且与理论值更为接近，相关系数的绝对值更大，说明本系统的自适应变更能力更强。

3 结束语

综上所述，结合电网实际情况，将电网结构与保护定值单有机结合起来，通过研究全网的电网结构图，开发一款基于IEC61970-CIM的继电保护定值配置可视化管理系统，实现继电保护定值配置可视化，并通过基于全网的模拟操作以验证一二次安排正确性和合理性，以及通知单融合智能决策与自动生成，大大提高电网调度工作效率和技术水平，支撑智能化调度，提升电网运行安全性和供电可靠性。然而，本系统仅在仿真测试环境中进行测试，缺乏实际环境校验，有待进一步分析。