CN101714780A - 一种继电保护运行管理信息系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种继电保护运行管理信息系统，由主站层、子站层和设备层构成，主站层由数据库、应用层以及客户层组成，数据库用于存储系统结构模型数据和历史采样数据；应用层在服务器端实现了系统应用逻辑的封装；客户层包括可在网络环境下灵活分布的系统模型管理模块、故障分析模块、设备管理模块和定值校核模块作为客户端应用，以及通信管理模块；子站层包括通信服务模块和系统管理模块，用于接入现场多种IED设备，与各现场IED设备通信，完成规约转换、数据转发功能。本发明提高了电网安全运行调度系统的信息化、智能化水平，在电网发生故障时能为调度提供实时故障信息，从而提高调度的自动化水平。

Description

一种继电保护运行管理信息系统

技术领域

本发明涉及一种继电保护运行管理信息系统。

背景技术

目前通常各地区供电公司对继电保护设备的运行管理几乎完全依靠各级继电保护专值人员和相应的继电保护运行检修人员人工管理和维护。迄今尚没有一套比较好的工具针对继电保护设备及其运行状态、动作行为和检修情况进行有效管理和统计。纯人工管理和维护存在如下问题：

1)继电保护系统没用统一的联网平台，运行管理人员无法了解变电站内保护的实时运行状况。目前只能通过站内有限的几个遥信量(例如差动动作、某段母线保护跳闸、某段母线保护告警等)由调度系统来转告运行人员，由于两个部门归口不同、专业不同，实际上正常运行时继电保护运行管理人员根本无法知道所关心的变电站内继电保护运行工况。

2)一但发生电网故障，运行管理人员只能通过调度了解到继电保护动作跳闸这一结果，具体哪一个保护动作，是否存在拒动或误动问题并不知晓。因此作为继电保护运行管理人员，只能派保护班人员到现场做进一步分析和处理。

3)当电网故障或保护设备异常时，继电保护专值通过和现场抢修人员频繁的电话联系后，虽然对继电保护设备和电网故障情况有了一定的了解，但对分析复杂问题有时还显得不够全面，因此在某些情况下，地、区两级继电保护专值人员还需要到现场作进一步分析，这就拉长了抢修时间，有时还会影响到及时恢复供电。

4)目前中、低电网采用的微机保护种类繁多，许多地区还大量使用国外产品，保护装置的运行界面不太友好，保护元件动作指示也不太明确，保护动作后进一步的故障分析还需要借助这些厂家的维护软件，这给运行维护带来不便。有时设备异常或碰到复杂问题，还需要请厂家维护人员来协助解决，这也给事故处理工作带来很大的不便，甚至使运行维护人员陷入非常被动的局面。

鉴于，我国电网规模急剧扩大，电压等级进一步提高，输电容量进一步增大，电力设备增多，电力系统的运行方式日趋复杂，保护设备数量和类型都大大增加，对继电保护及各类自动装置的要求更高、反应更快、管理更复杂，要在更高的水平上满足速动性、灵敏性、选择性、可靠性的“四性”要求以及无人值班和减人增效的要求，从技术上管理上都急需建立集继电保护、自动装置、故障录波器的信息采集、计算、维护、管理于一体的继电保护运行管理信息系统。因此如何建立该继电保护运行管理信息系统，此乃是本申请人长期以来一直致力研究的内容之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种继电保护运行管理信息系统，以其通过该系统提高电网安全运行的调度系统信息化、智能化水平，在电网发生故障时能为调度提供实时故障信息，从而提高调度的自动化水平。

本发明所提供的一种继电保护运行管理信息系统，由主站层、子站层和设备层构成，其特征在于，主站层由数据库、应用层以及客户层组成，数据库用于存储系统结构模型数据和历史采样数据；应用层在服务器端实现了系统应用逻辑的封装，作为系统的应用服务器，提供了核心的通信服务、数据访问服务、控制服务、告警服务以及数据处理功能；客户层包括可在网络环境下灵活分布的系统模型管理模块、故障分析模块、设备管理模块和定值校核模块作为客户端应用，以及通信管理模块，其中：应用层和客户层通过客户端网络通信接口交互；子站层包括通信服务模块和系统管理模块，用于接入现场多种IED设备，与各现场IED设备通信，完成规约转换、数据转发功能；设备层包括部署的各种保护、录波设备；所述的主站层中的通信管理模块和所述的子站层中的通信服务模块交互，从而接入子站层中包括各种设备运行工况信息和故障录波信息。

在上述的继电保护运行管理信息系统中，主站层和子站层通信采用IEC60870-5-103规约框架。

在上述的继电保护运行管理信息系统中，在子站层中应用IEC60870-5-103标准进行规约转换和信息集成。

由于采用了上述的技术解决方案，实现变电站各继电保护产品的实时监视和控制，使继电保护产品运行管理可控和在控，为分析处理电网故障提供支撑；及时统计各厂家、各型号保护产品的拒动、误动概率和故障率，为今后产品的采购，产品的消缺提供技术依据，最大限度保证各变电站继电保护的安全、稳定运行，为电力系统经济安全运行提供保障；及时发现继电保护可能存在的隐患，尽快将事故消灭在潜伏期内。同时，极大地提高各继电保护运行管理人员的工作效率。

附图说明

图1是本发明继电保护运行管理信息系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明即继电保护运行管理信息系统主要由主站层1、子站层2与设备层3构成。

一、主站层基本结构

参见图1，采用三层次架构体系，但已经具备多层(N-Tier)体系特征。

针对数据源的不同，系统应用环境可分为实时环境和离线环境。

主站层基于三层次结构设计，由数据库11、应用层12以及客户层13组成。数据库选用国际主流关系型数据库，存储系统结构模型数据和历史采样数据。应用层在服务器端实现了系统应用逻辑的封装，作为系统的应用服务器，包括核心的通信服务模块121、数据服务模块(访问)122、控制服务模块123、告警服务模块124以及数据处理功能。应用层和客户层通过客户端网络通信接口14交互，系统模型管理132、故障分析133、设备管理134、定值校核135等应用模块都作为客户端应用，可在网络环境下灵活分布。

通信管理模块131作为特殊的客户端和系统的通信服务交互，从而接入子站中的各种设备运行工况信息、故障录波信息等。

在本系统中，主站和子站层通信采用IEC60870-5-103国际标准规约。

WEB服务的实时部分采用了基于ActiveX控件的实现方案，此时WEB服务作为一个实时客户端应用和实时系统交互，获取实时运行信息。同时系统的WEB服务器又和历史数据库通过ODBC接口直接交互，查询、检索、编辑历史数据。

本发明系统采用基于TCP/IP协议的客户/应用/服务器三层次体系结构，完全保证数据的一致性，并能使系统信息资源在广域网范围内实现共享。系统前置机和服务器之间、服务器和客户机之间的网络通讯和数据传输采用基于可靠连接的网络通信方式。前置机和服务器之间的数据交换，客户机和服务器之间的数据交换，客户机与服务器之间的控制命令传递，服务器和前置机之间控制命令的传递，都基于可靠连接的点对点通信方式。这种基于可靠连接的网络通信方式，能完全保证数据传递的可靠性和完整性。

此外，三层次设计方案保证了系统架构的灵活性。关键业务变更时通过中间应用层的修改即可，系统具有良好的伸缩性。

硬件配置：一般配置2台监视服务器用于提供实时数据服务，同时充当系统数据库服务器。两台服务器互为备用，一台故障时，另外一台可瞬时切换为值班机，保障系统安全可靠运行。配置两台前置机完成与子站系统的通信功能，前置机可与服务器合并。在本方案中，为减少项目总造价，采用前置机和服务器合并的方案。配置一台WEB服务器向企业内部网发布系统信息。整个系统可采用双网冗余结构。

1服务器

可配置运行配置运行Windows操作系统的服务器(如IBM、HP、DELL等)。

2工作站

工作站选用可运行Windows的任何主流高性能图形工作站。

3交换机

选择任何主流品牌的以太网交换机，如CISCO、3COM、DLINK等。

软件配置

商用数据库服务器、客户机、前置机、WEB服务器在系统中只在逻辑功能意义上作这样的划分。某种类型的节点只是装设了相应软件系统，并完成某种功能，系统没有对硬件设备作出任何特殊需求，所有的功能节点可以分布在系统中任何的硬件平台上。

在硬件实现上，服务器实现商用、实时数据库服务器功能，在系统中起核心作用；从系统可靠性要求考虑，可以配置双服务器甚至多服务器。前置机是特殊类型的客户机，完成系统和现场装置的实时数据采集以及控制接口任务，根据具体情况可配单机或双机，前置机完全可以和服务器共用同一硬件平台。客户机完成系统客户端应用功能，根据需要可以配备任意多台。

系统支持多网环境，所有的客户端应用和服务器之间的通信都可以自动选择可连通的网络环境，充分保障系统通信的可靠性。

系统软件平台

1操作系统

●服务器端：Windows

●客户端：Windows

2数据库

Oracle

3报表工具

MS EXCEL

4WEB服务器

MS IIS4.0

主站层的基本功能

1)系统模型管理

系统基于支持IEC61970的一次、二次设备建模功能。具体包括域包、核心包、保护包；与之相关的拓扑包、电网包、测量包等。

系统建模支持图形化的电网拓扑模型自动生成功能。

2)设备基本信息管理

主要提供各种一二次设备的基本信息管理，如线路、变压器、开关、刀闸、互感器，保护、测控、录波设备；图形化的分层、分级、分类、分区设备管理。保护设备的信息含有设备名称、设备型号、生产厂家、所属厂站、电压等级、安装位置、对应的一次设备、保护对象、投运日期、检修记录等内容，且还可根据实际要求进行扩充或修改。设备基本信息的原始数据将由电网PMS系统自动导入。

3)设备运行信息管理

主要管理设备投退信息(投退设备名称、类型、所属单位、所属区域、投退时间、投退原因、申请人、申请日期、审批人、审批日期等)、保护缺陷处理信息(保护名称、所属单位、所属区域、保护对象、缺陷描述、处理方法、处理结果、申请人、申请日期、审批人、审批日期等)、保护检修信息(保护名称、所属单位、所属区域、保护对象、检修原因、检修时间、检修周期、检修人、申请人、申请日期、审批人、审批日期)、保护动作数据(事故发生时间、地点、厂站名称、故障类型、动作情况)等，具有记录、查询、统计、打印、事件报警、传输等功能。如果PMS系统能提供设备运行信息，则这类信息的原始数据也将由电网PMS系统自动导入。

4)录波数据分析

可对记录的波形数据进行分析(波形图可以任意缩放、旋转、裁剪、平移、着色、打印)、管理、计算。主要进行下述综合计算分析：

(a)对称分量分析(可以得到正序负序零序分量的数值和相位并逐点显示故障前后各分量电压电流的变化量)；

(b)谐波分析(可分析基波和各高次谐波的电流电压有功功率无功功率，可以计算各次谐波的瞬时值有效值峰值，可分别显示各参数波形)；

(c)阻抗分析(可计算出阻抗并画出阻抗矢量图)；

(d)对差动保护，可以分析差动电流和制动电流。

5)装置动作行为分析

可以完成保护动作正确性分析(分析保护动作信号和故障后电压电流量以判断在发生区内故障保护应该动作时是否正确动作，在发生区外故障保护不应该动作时是否不动作，如有动作则给出实际动作时间)，断路器工作正确性分析(分析断路器动作信号及给出其跳闸时间合闸时间，根据动作信号和电流瞬时值对跳闸的灭弧情况进行分析，根据给定的跳闸灭弧时间判断跳闸灭弧是否正常)，重合闸动作正确性分析(分析断路器动作信号和重合闸动作信号给出重合闸的实际间歇时间，分析重合闸动作后断路器合闸是否成功，若合于故障则将继续分析后面三相重合闸起动跳三相的情况)

6)故障综合统计

能够按时间、按厂站统计任意区域内发生故障事件的次数，并提供各种查询、检索功能；支持不同的查询条件，如以地区名、厂站名、设备名、线路编号、时间等为关键字查询相关故障信息及对应录波信息，输出查询结果，以及查询后进行转存备份、统计分析、打印历史记录等工作。

7)定值校核

能利用给定的定值单，对变电站现场运行的对应保护装置的定值进行校核，给出差异项，并以带时标的操作记录的方式自动列入定值管理日志数据库中。此处所指的给定的定值单，可以是人工输入并保存的定值设置，也可以是利用前次校核确认后保存在数据库中的历史定值设置。定值校核主要针对以变量或可变参数形式下存放在保护装置上的设定值，这些设定值可以通过保护装置就地操作面板或后台维护软件直接修改。对一些固化在保护逻辑图中的不改动逻辑就无法修改的参数，这些参数保护装置实际是以程序形式保存在内存中的，因此本系统无法提供校核功能。

8)图档管理

利用计算机技术把图纸和文档等有关电子文件进行有效的管理、保存和利用，实现与AUTOCAD图形显示插件集成以及脱离其环境显示图形文件。图档管理的原始资料如果可由PMS系统导入，则可通过相应的工具导入，如果PMS无法提供，则需要自行添加。图档管理主要功能有：

(a)图档资料查询和显示：可在厂站主接线图上通过保护装置查找和浏览相关图档资料如保护原理图等，同时具有关键字和组合条件查询功能，如保护型号、入库时间、图档类型、所在区域及所保护的系统元件等条件，查询条件可组合使用；

(b)自动识别图档资料格式，调用相应显示插件(如AUTOCAD插件、本系统自带图形编辑软件的图形插件、其它文档应用环境如MS WORD等的OLE支持等)直接在浏览器中显示和编辑；

(c)图档添加和删除：具有添加和删除权限的用户可以以文件形式对相关的保护设备添加其图档资料，并分类整理，对于同一保护装置，其图档资料可以任意添加，并提供目录维护功能以分类管理；

(d)图档编辑和更新；

(e)批注；

(f)图档模板管理。

9)PYTHON/PERL脚本语言支持

系统核心服务提供PYTHON/PERL脚本语言访问的库函数。可利用上述国际主流的第四代面向对象脚本语言进行二次开发，扩充系统功能。

二、子站层的基本结构

如图1所示为子站层基本结构。子站层中的系统管理模块21为子站层核心设备，包括通信服务模块211、资源服务模块212、控制服务模块213和告警服务模块214。子站层实现了保护、录波、保护管理机等现场IED设备的多路接入，并实现各设备的模型描述、配置管理、通信规约转换、数据转发等功能。

在子站层中，系统管理模块采用了国际先进的实时操作系统，硬件上使用了先进的32位ARM处理机和超大容量内存空间，为各种保护信息、保护动作报文和故障录波数据的保存提供了大量的非易失性内存空间。保护管理机同时提供了多种通讯接口，可以为保护设备的接入提供各种可选的物理媒介。子站层能提供至少两个以上的上行通道接口，方便地区级和区级保护运行管理主站系统信息交换。

子站层维护软件不但是一个安装于便协设备上的变电站规模的保护信息管理系统，同时还能对保护管理机等子站设备进行运行维护，提供参数配置，定值管理，实时状态监视和历史数据调用等功能。

子站层的基本功能

1)数据采集

●可接入不同厂家、不同型号的微机保护型装置、故障录波装置以及其他智能IED设备；能与不同装置通信，采集所有数据；

●支持多种通信接口，如RS-232、RS-485、以太网等；

●支持多种通信规约，如IEC870-5-103和SEL、SIMENS、ABB、AREVA等厂商自定义规约；

●采集的数据分为装置输入、输出和参数三类，具体装置量测、开入信息，动作信息，事件报告，运行状态信息，录波数据，以及装置定值等。

2)数据处理

●可以对采集到的装置数据进行必要的格式转换和处理；

●格式转换：将采集到的录波数据自动转换为COMTRADE格式，必要时可按间隔对波形数据进行分解或重组，以支持故障录波文件的条件检索。

●选择过滤：提供信息选择和过滤工具，过滤原则可配置；

●信息分级：可对传送信息进行分级，优先级高的信息先传送；

●装置循检：监视所有装置的工作状况，发现通信异常主动上报。

3)数据存储

短时通信中断时可保存全部数据，长时中断时可保存事件，保存时段可配置。

4)数据传输

●支持多路数据转发；支持文件断点续传；数据传送支持主动上送和问答上送；

●与主站实现IEC 60870-5-103通信；

5)控制

可接收控制命令控制定值校核功能，并根据需要可进一步开发定值修改、压板投退、信号复归等控制功能。

6)对时

具有硬件和软件对时，能作为二次装置的时钟源。

7)维护

●变电站描述采用国际标准IEC 60870-5-103，保护装置兼容各厂家规约

●提供维护软件，可用便携机进行后台维护。

●提供远程维护功能。

三、设备层的基本结构

设备层主要是厂站内已经部署的各种保护、录波设备。各种IED设备可提供多种接口，如RS-232/485、以太网通信接口等，也可能采用多种通信规约，如IEC60870-5-103等。如果采用RS-232/485接口，可选择子站管理机提供的6个窗口之一通讯；如果采用以太网接口则直接通过交换机与子站系统通信；如果是其他现场总线接口，则需要经过相应的规约接口转换。

四、数据通信模式

主站与子站数据通信模式

提高系统的响应性能，并提供系统的远程维护功能，采用光纤以太网通讯方案。协议层采用TCP/IP或UDP方案，应用层通讯规约为IEC-60870-5-103规约。

子站与保护设备数据通信模式

对于新式微机保护产品，如果产品具备以太网通讯条件的，子站系统可以直接使用以太网与各保护设备通讯；对不具备以太网通讯的设备，如果保护装置能提供两个或以上的RS232/485接入口，为了RTU或综合自动化系统和继电保护管理信息系统保证基本独立，达到互不影响的目的，建议采用独立的RS232/485接口并独立构成通讯网络。如果保护设备只有一个通讯串口，则无法满足RTU或综合自动化系统和继电保护管理信息系统通讯网络相互独立的要求，此时可以采用保护通讯管理机模式，由保护通讯管理机来负责与各个保护设备通讯，而RTU或综合自动化系统和继电保护管理系统则分别与保护管理机通讯来达到数据采集和信息的交互。

对各种故障录波设备，则采用RS-232或以太网的通信模式，通信协议需要厂家提供，最终子站系统将故障录波数据转换为标准的COMTRADE格式上送主站。

本系统对规约的解释采用了基于XML(eXtensible Markup Language)技术的描述方法。XML完全面向数据语义，可提供描述结构化信息的格式，具有极强的数据语义和元素结构描述能力。这样，不仅使规约具有可配置性，还为相关层的应用提供了统一的接口，大大减少了软件系统的开发工作量和后期的维护工作量。另外，各保护设备与后台系统间的通讯媒介采用光纤方案。

综上所述，本发明具备以下特点：

1.建立继电保护装置和故障录波设备实时信息网，实现系统对保护装置的自动巡检。系统将定时自动访问每个保护装置的运行工况，一旦保护设备发生异常，立即启动远程告警，通知继电保护运行管理人员。

2.远程实时访问变电站保护设备的内部信息。通过该信息网，每个继电保护运行管理人员可以根据不同的权限，实时访问关心的任一保护设备，及时了解被访问设备的运行状况。包括当前保护设备的保护功能配置，保护定值整定单，保护自诊断状态，交流采样状态，保护压板投退情况。

3.预留变电站事故跳闸触发的远程短信平台接口，试需要开发短信告警功能，便于管理人员第一时间了解保护动作情况。当电网发生故障时，继电保护设备动作时，保护运行管理人员可以立即通过短信平台在先于调度系统转告前得到比较完整的消息。短信内容中可以包含变电站名称，动作的保护装置型号和安装位置，动作元件名称和故障测量值等信息。这将缩短电网故障继电保护人员的快速响应时间。

4.在线查询保护装置的保护动作记录和整定值。保护运行管理人员在得到变电站保护动作消息后，可以在远方通过继电保护运行管理信息系统，立即访问保护动作的设备，调用保护定值，保护动作报文(含动作元件名称和故障测量值等)。如果该微机保护提供故障录波，还可进一步调用故障录波数据，分析保护的动作行为。

5.实现保护装置之间或保护装置和故障录波仪间的数据共享，相互验证。当保护运行管理人员对保护动作出现争议或需要进一步核实时，可以调用上、下游保护装置的录波报文(如果该保护装置当时已启动录波的话)，或者调用上一级系统中的故障录波设备。通过这些录波数据，准确定位电网故障点，进一步分析和考核保护的动作行为。

6.及时对保护动作行为进行归类处理。对正确动作的保护装置，实现远方信号复归，并及时通知一次设备抢修人员，抢修设备，尽早恢复供电。对误动或拒动的保护设备，立即通知保护班等二次设备维修人员，到变电站检修保护设备。对存在设计缺陷的保护设备，立即通知保护设备厂家并附上相关数据进行缺陷确认。

7.及时统计保护装置的动作行为。一次保护动作后，通过保护运行管理人员的分析，做好正确动作或误动或拒动的判定后，自动保存该保护装置的判别结果，并实时刷新该型号保护装置及该厂家产品的动作情况汇总表，为进一步的消缺或采购提供证据。

本发明具有：

直接经济效：为继电保护运行管理人员正确判断和处理事故提供了强大的辅助决策手段，缩短了事故处理时间，从而确保了电网安全、可靠、经济运行。系统提供了保护设备远程自动巡检功能，即大大减少了继电保护运行管理人员的巡检工作量，节约了人力物力；又能准确及时的发现事故隐患，防患于未然，确保了电网的安全运行。实现了电网事故的远程处理能力，降低了现场抢修的频次，将继电保护人员从繁重的事故应急处理中解脱出来，减少了企业的电网事故应急支出；

间接经济效益：通过该系统，能够及时统计各厂家、各型号保护产品的拒动、误动概率和故障率，为今后产品的采购，产品的消缺提供技术依据保证电网的长期安全、稳定运行，为电力系统经济安全运行提供保障，从而提高了企业的经济效益；通过该系统，实现了正常时对保护装置的自动巡检和故障时的远程事故处理，对保护运行人员的数量要求大大降低，为企业减人增效打下了良好的基础。提供了企业的经济效益。该系统将将继电保护运行管理人员从繁重的日常和事故应急处理等事物中解脱出来，使人员得到充分的休息，工作压力也大大降低，从而间接的降低了人为事故的发生概率，这也间接的提高了企业的经济效益；

社会效益：电力工业作为国家最重要的能源工业，它的运行效率好坏对国计民生将产生非常重要的影响。而继电保护设备作为电网安全运行的首到防线，其在电力工业中的地位举足轻重。因此采用科学的先进的手段及时有效的监视和管理继电保护设备的运行，同时通过提供辅助决策手段，提高了相关运行管理人员的专业能力，这为电网的安全经济运行提供了强有力的保障，从而为国家提供了优质经济的电力能源，其社会效益更是不可估量。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种继电保护运行管理信息系统，由主站层、子站层和设备层构成，其特征在于，

主站层由数据库、应用层以及客户层组成，数据库用于存储系统结构模型数据和历史采样数据；应用层在服务器端实现了系统应用逻辑的封装，作为系统的应用服务器，包括通信服务模块、数据服务模块、控制服务模块、告警服务模块以及数据处理功能模块；客户层包括可在网络环境下灵活分布的系统模型管理模块、故障分析模块、设备管理模块和定值校核模块作为客户端应用，以及通信管理模块，其中：应用层和客户层通过客户端网络通信接口交互；

子站层包括通信服务模块和系统管理模块，用于接入现场多种IED设备，与各现场IED设备通信，完成规约转换、数据转发功能；

设备层包括部署的各种保护、录波设备；

所述的主站层中的通信管理模块和所述的子站层中的通信服务模块交互，从而接入子站层中包括各种设备运行工况信息和故障录波信息。

2.根据权利要求1所述的继电保护运行管理信息系统台，其特征在于：所述的主站层和子站层通信采用IEC60870-5-103规约框架。

3.根据权利要求2所述的继电保护运行管理信息系统台，其特征在于：在所述子站层中应用IEC60870-5-103标准进行规约转换和信息集成。

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