CN102647026B - 继电保护运行状态可视化动态监测系统 - Google Patents

Abstract

一种供电配电技术领域的继电保护运行状态可视化动态监测系统，包括：数据采集模块、信息处理模块、解析计算模块、可视化展示模块和智能告警模块，数据采集模块分别采集SV报文、保护装置通信协议报文和GOOSE报文并输出至信息处理模块，本发明使得技术人员可以直观地观察到保护装置实时运行及动作状态，据此判断继电保护的动作响应特性与保护设计要求的符合性程度。

Description

继电保护运行状态可视化动态监测系统

技术领域

本发明涉及的是一种供电配电技术领域的保护装置，具体是一种继电保护运行状态可视化动态监测系统。

背景技术

随着微电子、计算机、通信等行业技术的迅速发展，为微机型继电保护装置在电力系统的应用提供了基础，作为电网安全运行的重要屏障，继电保护动作正确与否将直接影响到电网的安全稳定。

微机型继电保护装置的应用带来了保护装置检验的便利性等优势，但微机继电保护用数字化信息处理技术完成保护的动作原理，使得原来静态继电器可见的逻辑原理图变成了“黑盒子”，反映保护装置特征的信息以事件报告(Events Report)的形式体现，并非以直观的时序逻辑方式体现，这样，对于继电保护运行管理和电网事故情况下的保护动作行为分析带来诸多不便。

此外，继电保护系统涵盖电流、电压输入回路，继电保护装置，跳合闸输出回路等，任何一个环节出现问题，都将导致继电保护系统无法正确工作，从某种意义上讲，微机保护装置实际上只具备涵盖继电保护系统的70-80％自检能力。

因此，覆盖整个继电保护系统特征状态量的采集，将有助于将继电保护装置、二次回路等各种逻辑测点信息推演成反映继电保护系统运行状态的信息，改变目前微机型继电保护系统逻辑原理的“不透明”现象，实现继电保护系统运行状态的实时动态可视化展示，提高电网第一道安全屏障的可靠性，控制电网运行风险，同时为继电保护系统的可靠性评价及状态检修模式的推进提供技术支撑。

经过对现有技术的检索发现，南瑞继保公司的《PCS-222B智能操作箱技术和使用说明书》记载了一种功能全面的智能微机型操作箱及其实现方法，能够实现断路器状态监视、控制回路检查、断路器跳合闸操作等功能，实现了断路器状态监视、控制回路检查等对操作回路的在线检测，支持GOOSE(面向通用对象的变电站事件)报文；许继电气股份有限公司《WXH-803A微机线路保护使用说明书》记载了一种传统继电保护装置出口回路的检测模式，实现了出口弱电回路粘连、出口弱电回路断线在线检测等功能。但上述技术均仅涉及断路器接口技术，并不具备对继电保护系统二次回路完整的状态检测。未涵盖涉及微机保护系统的电流、电压输入回路信息及微机保护装置本身内部信息，不能构成对于继电保护运行状态的完整判别。

中国专利文献号CN102005736A，公开日2011-04-06，记载了一种“继电保护设备健康状况在线检测方法”，该技术确定了继电保护设备提供自检信息的内容。将自检信息分类，增加能够反映每类自检信息对设备健康状况影响程度的附加信息及其包含的内容。状态检修主站通过变电站内通信网络采用IEC 61850通信标准采集继电保护设备提供的自检信息，建立继电保护设备静态、动态自检信息数据库；采用通用的继电保护设备健康状况数学模型对设备的健康状况进行实时在线检测，为继电保护的状态检修提供指导。该技术仅限于对保护设备的自检信息采集、监视，没有涵盖继电保护系统所涉及的重要组成部分二次回路系统，不能构成对继电保护系统运行状态的完整性能判别，不具备将解析计算后的结果以可视化的手段展示保护信息之间逻辑关系等功能。

中国专利文献号CN1404194，公开日2003-3-19，记载了一种“用于微机继电保护装置的可视化透明监测系统”，该技术包括：微机继电保护装置；微机继电保护装置中的嵌入式控制软件，其中设有监测点；显示监控装置；可以读取监测点信息的可视化监控软件。但该技术不能构成对于微机保护装置本身的完整监测。

中国专利文献号CN101980418A公开日2011-02-23，记载了一种“变电站继电保护系统二次接线在线检测系统”，包括：光纤通信模块、控制器、开关量处理模块、保护出口回路检测模块和保护输入回路检测模块，控制器通过光纤通信模块与站控层网络交换MMS报文信息，控制器分别与保护出口回路检测模块以及保护输入回路检测模块相连以执行二次回路接线检测控制并获取检测结果，开关量处理模块通过光纤通信模块分别与过程层网络、站控层网络相连交换GOOSE信息，保护出口回路检测模块以及保护输入回路检测模块分别与开关量处理模块相连获取开关量状态并输出检测命令。该技术主要缺陷在于：仅涉及继电保护装置与断路器联接的跳合闸回路状态判别，没有涵盖电流、电压输入回路、保护装置本身信息，不能构成对于微机保护系统运行状态的完整判别。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种继电保护运行状态可视化动态监测系统，使得技术人员可以直观地观察到保护装置实时运行及动作状态，据此判断继电保护的动作响应特性与保护设计要求的符合性程度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种继电保护运行状态可视化动态监测系统，包括：数据采集模块、信息处理模块、解析计算模块、可视化展示模块和智能告警模块，其中：数据采集模块分别采集反映模拟量的SV报文、保护装置内部信息的装置通信协议报文和反映断路器状态和跳合闸控制命令的GOOSE报文，并输出至信息处理模块，信息处理模块按照IEC61850及装置通信协议将上述报文解析成模拟量、开关量和保护逻辑信息，并进行基于IEC61131面向应用的建模处理，生成符合继电保护设计原理的运行状态模型并输出至基于PLC逻辑和保护动作原理的解析计算模块，解析计算模块根据保护动作原理对运行状态模型进行修正，建立具有逻辑关系的信息输出至可视化展示模块，可视化展示模块以可视化形态将具有逻辑关系的信息展示为具有时序特征的继电保护实时运行状态，智能告警模块与解析计算模块相连并接收具有逻辑关系的信息，根据预设的告警信息类别和告警优先级别在条件符合时发出告警。

所述的保护装置通信协议包括：MODBUS等通信规约。

所述的运行状态模型包括：差动保护的差流是否大于设定的门槛值等。

所述的具有逻辑关系的信息包括：电流输入模拟量大于过电流保护设定的门槛值，形成一个变位的开关量输出等。

所述的数据采集模块包括：用于采集保护装置电流和/或电压输入回路信息的第一采集单元、用于采集微机保护装置内部信息的第二采集单元、用于采集保护装置与断路器之间跳合闸回路信息的第三采集单元，其中：第一采集单元的输入端经过程层交换机与过程层SV网络相连并采集保护装置所采用的满足SV报文要求的电流互感器和电压互感器信息后输出至信息处理模块；第二采集单元的输入端经过过程层交换机与过程层GOOSE网络相连，采集保护装置内部软硬件的状态信息，以装置通信协议报文输出至信息处理模块；第三采集单元的输入端经过过程层交换机与过程层GOOSE网相连并采集保护装置与断路器之间的满足GOOSE报文要求的跳合闸回路信息后输出至信息处理模块。

所述的信息处理模块包括：数据采集单元、数据解析单元和第一数据传输单元，其中：数据采集单元分别与第一至第三采集单元相连并收集三个采集单元输出的信息传输至数据解析单元，数据解析单元分别将SV报文、装置通信协议报文和GOOSE报文按照IEC61850及装置通信协议解析成模拟量、保护内部逻辑量、开关量信息，并对解析后的信息进行基于IEC61131面向应用的信息建模，生成符合继电保护设计原理的运行状态模型；第一数据传输单元与解析计算模块相连并传输面向应用的运行状态模型。

所述的解析计算模块包括：第一数据接收单元、布尔逻辑算法单元、PLC组态运算单元和第二数据传输单元，其中：第一数据接收单元接收来自信息处理模块的符合继电保护设计原理的运行状态模型并输出至PLC组态运算单元，布尔逻辑算法单元依据保护设计原理构建PLC组态运算单元的运算算法并输出至PLC组态运算单元，PLC组态运算单元根据运算算法对符合继电保护设计原理的运行状态模型进行计算，得到模拟量、保护内部逻辑量和开关量信息之间符合保护设计原理且具有逻辑关系的信息，并通过第二数据传输单元输出至可视化展示模块。

所述的可视化展示模块包括：第二数据接收单元、图形技术处理单元和显示单元，其中：第二数据接收单元与解析计算模块相连，将具有逻辑关系的信息传输至图形技术处理单元，图形技术处理单元将具有逻辑关系的信息处理成可展示的画面，由具备人机界面接口的显示单元通过人机界面实时展示具有时序特征的继电保护实时运行状态，并支持WEB方式发布。

所述的智能告警模块包括：第三数据接收单元、PLC组态运算单元、智能告警单元和告警发布单元，其中，第三数据接收单元与解析计算模块相连并接收具有逻辑关系的信息后传输至PLC组态运算单元，PLC组态运算单元将计算结果输出至智能告警单元，智能告警单元根据预设的告警信息类别和告警优先级别对于告警信息分类并输出至告警发布单元进行告警发布。

本发明涉及上述系统的监测方法，包括以下步骤：

第一步、通过数据采集模块的三个采集单元分别采集继电保护系统电流、电压输入回路信息、继电保护装置内部信息、跳合闸回路信息，并形成原始数据源。

第二步、按照IEC61850及装置通信协议，从原始数据源中解析出模拟量、保护内部逻辑量、开关量信息，并对其进行基于IEC61131面向应用的信息建模，获得符合继电保护设计原理的运行状态模型。

第三步、依据保护设计原理，构建布尔逻辑算法，并采用布尔逻辑算法对运行状态模型进行分析计算，得到符合保护设计原理具有逻辑关系的信息。

第四步、采用图形技术对具有逻辑关系的信息进行处理，提取出可视化画面信息，并通过人机界面输出。

第五步、根据用户定义的告警信息需求，构建组态算法，采用PLC组态计算告警结果，并根据预先设定的告知对象，将告警信息传输至相关用户。

本发明通过提取微机型保护装置内部基本元件及相关二次系统的特征信息，形成完整反映继电保护系统状态的实时信息；依据保护设计原理对于上述实时信息进行解析分析计算，按照过程控制理论将计算分析结果在实时信息之间构成符合继电保护设计原理的逻辑关系；以可视化技术手段实现继电保护系统运行状态的动态展示，并根据用户定义的告警需求，将智能告警算法处理结果告知用户。使得技术人员可以直观地观察到保护装置实时运行状态及异常情况，据此判断继电保护的动作响应特性与保护设计要求的符合性程度，及时处理保护异常状态，为实现继电保护远程维护和状态检修提供关键技术支撑，有效降低人为因素引起的保护缺陷几率。

附图说明

图1为监测系统示意图。

图2为监测系统内部模块示意图。

图3为数据采集模块示意图。

图4为实施例工作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1-图3所示，本系统包括：数据采集模块、信息处理模块、解析计算模块、可视化展示模块、智能告警模块，其中：数据采集模块分别采集SV报文、保护装置内部状态的装置通信协议报文和GOOSE报文并输出至信息处理模块，信息处理模块按照IEC61850及装置通信协议将上述报文解析成模拟量、开关量和保护逻辑信息，并进行基于IEC61131面向应用的建模处理生成符合继电保护设计原理的运行状态模型并输出至基于PLC逻辑和保护动作原理的解析计算模块，解析计算模块根据保护动作原理对运行状态模型进行修正，并建立具有逻辑关系的信息输出至可视化展示模块，可视化展示模块以可视化形态将具有逻辑关系的信息展示为具有时序特征的继电保护实时运行状态，智能告警模块与解析计算模块相连并接收具有逻辑关系的信息，根据预设的告警信息类别和告警优先级别在条件符合时发出告警信息。

所述的数据采集模块包括：用于采集保护装置电流和/或电压输入回路信息的第一采集单元、用于采集微机保护装置内部信息的第二采集单元、用于采集保护装置与断路器之间跳合闸回路信息的第三采集单元，其中：第一采集单元的输入端经过程层交换机与过程层SV网络相连并采集保护装置所采用的满足SV报文要求的电流互感器和电压互感器信息后输出至信息处理模块；第二采集单元的输入端经过过程层交换机通过过程层GOOSE网络与保护装置相连并采集保护装置内部软硬件满足装置通信协议输出至信息处理模块；第三采集单元的输入端经过过程层交换机与过程层GOOSE网相连并采集保护装置与断路器之间的满足GOOSE报文要求的跳合闸回路信息后输出至信息处理模块。

所述的数据采集模块通过过程层网络采集保护装置内部信息，而不是通常通过站控层网络采集保护装置内部信息，这种方案最大的好处在于可以有效屏蔽来自站控层网络可能的不安全入侵，为保护装置构建了一层信息安全防线。

所述的信息处理模块包括：数据采集单元、数据解析单元和第一数据传输单元，其中：数据采集单元分别与第一至第三采集单元相连，收集三个采集单元输出的信息传输至数据解析单元，数据解析单元分别将SV报文、装置通信协议报文和GOOSE报文按照IEC61850及装置通信协议解析成模拟量、保护内部逻辑量、开关量信息，并对解析后的信息进行基于IEC61131面向应用的信息建模，生成符合继电保护设计原理的运行状态模型；第一数据传输单元与解析计算模块相连，并传输面向应用符合继电保护设计原理的运行状态模型。

所述的信息处理模块基于IEC61131进行信息应用建模，构建符合保护设计原理的运行状态模型，运行状态模型是指根据具体工程要求确定的各种保护工程应用方案。

所述解析计算模块包括：第一数据接收单元、布尔逻辑算法单元、PLC组态运算单元和第二数据传输单元，其中：第一数据接收单元接收来自信息处理模块符合继电保护设计原理的运行状态模型并输出至PLC组态运算单元，布尔逻辑算法单元依据保护设计原理构建PLC组态运算单元的运算算法并输出至PLC组态运算单元，PLC组态运算单元根据运算算法对符合继电保护设计原理的运行状态模型进行计算，得到模拟量、保护内部逻辑量和开关量信息之间符合保护设计原理具有逻辑关系的信息，并输出至可视化展示模块。

所述的解析计算模块采用PLC工具，构建基于运行状态模型的算法，通过计算所采集的输入信息，建立信息之间的逻辑关系，为采用可视化技术实现符合保护设计原理的信息展示提供基础数据。

所述的可视化展示模块包括：第二数据接收单元、图形技术处理单元和显示单元，其中：第二数据接收单元与解析计算模块的第二数据传输单元相连，将具有逻辑关系的信息传输至图形技术处理单元，图形技术处理单元将具有逻辑关系的信息处理成可展示的画面，由具备人机接口的显示单元通过人机界面实时展示具有时序特征的继电保护实时运行状态并支持WEB发布机制。

所述的可视化展示模块所展示的保护运行状态信息具有时序逻辑特征。

所述的智能告警模块包括：第三数据接收单元、PLC组态运算单元、智能告警单元和告警发布单元，其中，第三数据接收单元与解析计算模块的第二数据传输单元相连并接收具有逻辑关系的信息后传输至PLC组态运算单元，PLC组态运算单元将计算结果输出至智能告警单元，智能告警单元根据预设的告警信息类别和告警优先级别对于告警信息分类并输出至告警发布单元进行告警信息发布。

所述的智能告警模块通过PLC工具提供用户可定制的告警模块。

如图4所示，上述系统通过以下方式实现监测：

S100：通过数据采集模块的三个采集单元分别采集继电保护系统电压、电流输入回路、继电保护装置内部信息、断路器状态信息、跳合闸回路信息，并形成原始数据源。

所述的电流、电压输入回路信息包括：符合SV报文规范的三相电压和三相电流数字信号；

所述的继电保护装置内部信息是指：内部软、硬件状态信息，具体包括：符合装置通信协议的保护装置硬件元器件(如电源，FPGA等)指标异常、软件功能元件输出变位等；

所述的跳合闸回路信息是指：符合GOOSE报文规范的断路器状态信息以及微机保护装置启动断路器跳、合闸的输出信号，其中，断路器状态信息具体包括：合闸状态、跳闸状态。

S200：按照IEC61850机制及装置通信协议从原始数据源中解析出模拟量、保护内部逻辑量、开关量信息，并对其进行基于IEC61131面向应用的信息建模，获得符合继电保护设计原理的运行状态模型。

所述的IEC61850机制具体是指：对于SV、GOOSE报文的格式定义；

所述的基于IEC61131面向应用的信息建模具体是指：包括以下步骤：

2.1建立继电保护原理的逻辑图

2.2将继电保护原理的逻辑图形映射成IEC61131图形；

2.3采用IEC61131组态工具编译形成符合继电保护设计原理的运行状态模型

S300：依据保护设计原理，构建布尔逻辑算法，并采用布尔逻辑算法对符合继电保护设计原理的运行状态模型进行逻辑推理计算，得到符合保护设计原理具有逻辑关系的信息。

S400：对具有逻辑关系的信息进行图形化技术处理，提取出可视化画面信息，并通过人机界面输出，并支持WEB发布。

所述的可视化画面信息具体是指：输入信息与输出结果以具有时序逻辑特征的图展示。

根据解析计算所形成的继电保护运行状态结果，采取可视化技术手段，动态显示具有时序特征的保护运行状态和动作行为，实现继电保护动作原理的“透明化”展示，可直观地实时判继电保护系统运行状态。

S500：对信息依据用户定义的告警类别计算，并根据用户定义的不同告警级别告知对象，将告警信息通知对应用户。

由以上技术方案可见，本申请实施例提供的继电保护系统运行状态的动态可视化监测系统，在继电保护正常运行情况下可以动态展示符合继电保护设计原理，具有时序特征的继电保护运行状态，并具备智能告警功能。使得保护技术人员及调度运行人员可以直观地观察到继电保护系统的健康状况，及时了解继电保护装置及二次系统的正确性，有利于提高继电保护系统的可靠性。

Claims (9)

1.一种继电保护运行状态可视化动态监测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、信息处理模块、解析计算模块、可视化展示模块和智能告警模块，其中：数据采集模块分别采集反映电流、电压模拟量信息的SV报文、保护装置内部信息的装置通信协议报文和反映跳合闸回路状态信息的GOOSE报文并输出至信息处理模块，信息处理模块按照IEC61850机制及装置通信协议将上述报文解析成模拟量、开关量和保护逻辑状态信息，并进行基于IEC61131面向应用的建模处理，生成符合继电保护设计原理的运行状态模型并输出至基于PLC逻辑和保护动作原理的解析计算模块，解析计算模块根据保护动作原理对运行状态模型进行修正，建立具有逻辑关系的信息输出至可视化展示模块，可视化展示模块以可视化形态将具有逻辑关系的信息展示为具有时序特征的继电保护实时运行状态，智能告警模块与解析计算模块相连并接收具有逻辑关系的信息，根据预设的告警信息类别和告警优先级别在条件符合时发出告警信息。

2.根据权利要求1所述的继电保护运行状态可视化动态监测系统，其特征是，所述的运行状态模型包括：差动保护的差流是否大于设定的门槛值。

3.根据权利要求1所述的继电保护运行状态可视化动态监测系统，其特征是，所述的具有逻辑关系的信息包括：电流输入模拟量大于过电流保护设定的门槛值，形成一个变位的开关量输出。

4.根据权利要求1所述的继电保护运行状态可视化动态监测系统，其特征是，所述的数据采集模块包括：用于采集保护装置电流和/或电压输入回路信息的第一采集单元、用于采集微机保护装置内部信息的第二采集单元、用于采集保护装置与断路器之间跳合闸回路信息的第三采集单元，其中：第一采集单元的输入端经过程层交换机与过程层SV网络相连并采集保护装置所采用的满足SV报文要求的电流互感器和电压互感器信息后输出至信息处理模块；第二采集单元的输入端经过过程层交换机的GOOSE网络与保护装置相连并采集保护装置内部软硬件的状态信息后以保护装置通信协议输出至信息处理模块；第三采集单元的输入端经过过程层交换机与过程层GOOSE网相连并采集保护装置与断路器之间的满足GOOSE报文要求的跳合闸回路信息后输出至信息处理模块。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的信息处理模块包括：数据采集单元、数据解析单元和第一数据传输单元，其中：数据采集单元分别与所述第一至第三采集单元相连并收集三个采集单元输出的信息传输至数据解析单元，数据解析单元分别将SV报文、保护装置通信协议报文和GOOSE报文按照IEC61850及装置通信协议解析成模拟量、保护内部逻辑量、开关量信息，并对解析后的信息进行基于IEC61131面向应用的信息建模，生成符合继电保护设计原理的运行状态模型；第一数据传输单元与解析计算模块相连并传输面向对象的运行状态模型。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的解析计算模块包括：第一数据接收单元、布尔逻辑算法单元、PLC组态运算单元和第二数据传输单元，其中：第一数据接收单元接收来自信息处理模块的运行状态模型并输出至PLC组态运算单元，布尔逻辑算法单元依据保护设计原理构建PLC组态运算单元的运算算法并输出至PLC组态运算单元，PLC组态运算单元根据运算算法对运行状态模型进行计算，得到模拟量、保护内部逻辑量和开关量信息之间符合保护设计原理具有逻辑关系的信息，并通过第二数据传输单元输出至可视化展示模块。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的可视化展示模块包括：第二数据接收单元、图形技术处理单元和显示单元，其中：第二数据接收单元与解析计算模块相连，将具有逻辑关系的信息传输至图形技术处理单元，图形技术处理单元将具有逻辑关系的信息处理成可展示的画面，由具备人机界面接口的显示单元通过人机界面实时展示具有时序特征的继电保护实时运行状态，并支持WEB方式发布。

8.根据权利要求1所述的继电保护运行状态可视化动态监测系统，其特征是，所述的智能告警模块包括：第三数据接收单元、PLC组态运算单元、智能告警单元和告警发布单元，其中，第三数据接收单元与解析计算模块相连并接收具有逻辑关系的信息后传输至PLC组态运算单元，PLC组态运算单元将计算结果输出至智能告警单元，智能告警单元根据预设的告警信息类别和告警优先级别对于告警信息分类并输出至告警发布单元进行告警信息发布。

9.一种根据权利要求1-8中任一所述系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、通过数据采集模块的三个采集单元分别采集继电保护系统电流、电压输入回路信息、继电保护装置内部信息、跳合闸回路信息，并形成原始数据源；

第二步、按照IEC61850及保护装置通信协议，从原始数据源中解析出模拟量、保护内部逻辑量、开关量信息，并对其进行基于IEC61131面向应用的信息建模，获得符合继电保护设计原理的运行状态模型；

第三步、依据保护设计原理，构建布尔逻辑算法，并采用布尔逻辑算法对运行状态模型进行分析计算，得到符合保护设计原理具有逻辑关系的信息；

第四步、采用图形技术对具有逻辑关系的信息进行处理，提取出可视化画面信息，并通过人机界面输出；

第五步、根据用户定义的告警信息需求，构建组态算法，采用PLC组态计算告警结果，并根据预先设定的告知对象，将告警信息传输至相关用户。

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