福州EMS一体化继电保护整定计算系统功能设计新探

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摘要：现有EMS系统逐步向一体化发展，探讨了如何结合一体化EMS系统将继电保护整定功能融合，以实现继电保护整定计算功能。系统主要分为系统架构设计、子功能模块设计、接口设计三方面。

关键词：电力调度；一体化；整定计算；功能设计

作者简介：陈凌（1980-），女，福建福州人，福州供电公司信通公司，工程师。（福建 福州 350001）

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0211-03

一、系统架构

系统应全面运用最新的分布式软件体系，并在体系上考虑到数据交换、数据存储、数据访问的需求，以实现继电保护基础数据、应用数据应用于源端维护、全网共享以及各种继电保护专业的目标。系统在每个机构内所配置的功能、结构上应是相同的，且不同机构配置的系统之间应是对等的。系统的整体结构图建议如下图1所示。

系统的物理部署连接示意图如下图2所示。

二、分布式继电保护基础数据维护子系统

分布式继电保护维护子系统应包含数据交换服务、RDF数据访问服务、数据断面管理、电网一次建模、继电保护类型及软件版本管理、保护配置管理等功能。

1.数据交换服务

通过网络彼此相连，用于福州地区和其他地区交换接口等值数据。

2.RDF数据服务

通过提供数据访问服务将数据环境呈现给客户端，允许用户通过应用客户端浏览、下载和修改数据，包含由ems（CC2000）和OMS系统中导入的数据。数据访问服务应满足以下要求：支持同时部署任意多个数据访问服务。数据访问服务可以灵活部署，既可以同在一台物理服务器/工作站上，也可以在多个物理服务器/工作站上。提供CIS接口方法以及扩展接口方法，使应用接口直接操作数据对象。允许多人同时访问数据，并进行资源粒度和图形粒度的即时协作。数据访问服务具有完全的独立性，即在不连接交换服务和存储服务的情况下独立运行。允许多人同时浏览同一个资源对象，例如一台变压器、一条线路；同一时刻若多人修改了同一个资源对象的属性，最后提交人的修改有效。允许多人同时浏览同一个电网/厂站图形；同一时刻若多人修改了同一个电网/厂站图形，最后提交人的修改有效。[2]支持建立整定计算所涉及的所有设备参数：根据用户提供的参数需求建立整定计算应用所需的数据台账，并支持电网一次建模导入使用。

3.数据断面版本管理

对数据按地域、按应用、按版本进行管理，同时能够根据数据的版本信息建立应用所需的数据环境，加载到RDF中来对应用提供服务。[3]系统应提供一个数据服务管理工具供用户管理各项数据服务，并满足以下要求：能够根据指定的类型、区域、时间点等条件，查询存储在本地的数据。支持用户根据需要生成任意时期、任意范围的数据，甚至是没有出现过的研究态数据，并具有数据的备份和提交功能。支持数据访问服务的创建、删除、查询等操作，可配置数据访问服务的端口。提供备份与恢复界面工具（不需手工敲命令），根据预定的策略自动对系统中所有的数据库能以“全部”、“增量”方式持续备份，保证在福州地区EMS一体化继电保护整定计算系统崩溃后重新启动时，所有的操作系统、应用程序和业务数据能迅速恢复到故障前的指定时段。同时，支持手工备份操作。可预设定时由EMS（CC2000）和OMS系统及服务导入数据。

4.电网一次建模

支持浏览、编辑电网参数，包括系统一次设备的电气参数，电网的拓扑连接关系，厂站的运行方式、线路互感、基准值等。能通过图形化建模等手段管理电力系统中整定计算所涉及的所有设备。参数管理用于管理电网中故障计算和整定计算所用到的设备参数。

（1）参数管理范围应该包括故障计算和整定计算所涉及的所有电力设备的实测参数、计算参数的有名值和标么值。

（2）支持电网全数据模型的建模，即支持开关、刀闸等无阻抗元件的建模，数据模型符合IEC61970-CIM模型。

（3）设备参数的计算均应基于额定电压进行计算。

（4）线路。应能适应不同型号线路段级连的情况，并能按每段输入参数。能适应T接线的情况，允许在一根线路上有多个T接线的情况，并允许T接线上再T接的情况。能输入线路互感，包括多重互感和普通互感，互感组数不受限制。可根据线路长度和导线型号（参数库维护），自动生成线路参数，亦可输入实测线路参数。

（5）变压器。变压器参数主要包括厂站名称、主变名称、型号、容量、各侧电压、接线方式、各种短路阻抗、零序实测短路或开路阻抗、各侧短路阻抗标么值等。零序参数计算应提供零序与正序成比例计算和根据实验数据计算两种方法。变压器各侧接地方式可以独立设置。

（6）发电机。发电机参数主要包括厂站名称、发电机名称、额定电压、额定容量、额定有功功率、额定功率因数、次暂态电抗的有名值和标么值。

（7）补偿器（电抗器、电容器）。补偿器参数主要包括厂站名称、补偿器名称、类型、额定电压、额定电流、补偿器阻抗百分数以及正序、零序电阻和电抗，分裂电抗器。利用互感系数把分裂电抗器拆分为三条支路处理。

（8）接地变（含接地站用变）。厂站名称、主变名称、型号、容量、各侧电压、接线方式、接地变经小电阻或消弧线圈接地的阻抗（各种短路阻抗、零序实测短路或开路阻抗、各侧短路阻抗标么值等）。

（9）等值电源。参数主要包括厂站名称、额定电压、正、负、零序电阻和电抗。

（10）母线。参数包括母线名称、电压等级、厂站名称等。

（11）能够对全网设备参数及网络拓扑结构进行正确性和合理性检查。

（12）支持参数报表的生成，参数报表格式可自定义，并可导出Excel格式。

（13）电网规模不受限制。

5.图形系统

建立电网结构，便于进行图形化操作和各种参数的录入、数据的标注与显示。

（1）电网建模方式采用图形化建模，且既能由图形生成模型，也能由模型生成图形。

（2）图形具有分层分区功能。图形应分为电网层和厂站层，电网层又可以按照不同供电区域来划分。允许一个变电站可以出现在两个不同的电网层图形上，即图形只是资源的表现形式。

（3）按照电网的层次结构和区域结构建立电网资源树，电网资源树应与电网图形动态连接，实现资源树导航、定位功能。

（4）能灵活添加、删除、修改各元件，能实现图形的移动、拖动、旋转、着色、拷贝、粘贴等，元件在移动过程中，元件之间的拓扑关系不发生改变。

（5）整个图形画面能够任意放大、缩小及恢复，在缩放时图中标注也同步缩放。

（6）能实现以上各种图形的打印输出，可全部或局部打印，能方便进行打印预览，能根据打印纸的大小进行图形的放大缩小，能通过各种打印机输出（激光、喷墨）。

（7）图形文件可以脱离程序支持查看或可导出图片格式。

（8）图形大小不受限制。

6.继电保护类型及软件版本管理

提供了对各种保护的装置类型、版本、定值清单以及相应的说明书的管理功能。装置类型管理提供对电网中所用到的二次设备的相关信息的管理[1]：提供保护装置厂家、型号、软件版本的管理、统计，也可根据导入的定值单内的装置厂家、型号、软件版本纳入管理；支持由模块版本直接生成软件版本；支持保护装置定值清单的输入，并支持按照一定格式通过Excel表格直接导入；支持定值清单的复制、粘贴等功能；支持保护装置说明书的导入、导出；为方便建模应支持保护装置整体信息（含保护装置厂家、型号、软件版本）的导入、导出，方便保护装置信息的共享。[4]

7.保护配置功能

主要管理各种设备所配置的保护装置以及保护装置的版本，管理用户厂站中用到的保护屏以及保护屏中的各种压板，该模块依赖于一次建模工具和装置类型管理模块。可将已经建立的某种型号的保护装置配置到被保护对象，并可在图形上显示线路、主变及母线的保护配置情况；支持保护屏的配置；支持保护屏压板等相关信息的输入；支持直接从图形上配置相关保护；支持保护配置图形的生成并可导出；支持二次台账信息的生成，并可导出Excel格式。

三、继电保护整定计算应用

继电保护整定计算应用子系统应包含短路故障计算、整定配合计算和装置级定值计算管理、运行方式设置功能子模块。

1.短路故障计算功能

适用于所有电压等级的故障计算，故障计算的电网规模不受限制，且计算核心基于精确模型计算，并可计算开关、刀闸等无阻抗元件的电气量。采用规范化的补偿计算方法，支持任意重任意复杂的故障计算，支持电网的等值计算，支持弧光电阻（过渡电阻）的输入，故障计算设置均以图形化的方式表示。计算分析的电气量可自定义，并提供计算结果的可视化表示，同时可根据用户设置对计算结果进行筛选或统计列表输出。可任意设置系统方式，方式组合灵活方便，方式个数不受限制。短路电流计算作为整定计算的基本功能，应能完成各种简单、复杂的纵向和横向故障计算的功能，能计算线路上任意点发生故障，经过渡电阻故障，能输出任意支路的故障电流、电压，且故障计算对电网规模和运行方式不作限制。支持接地系统、不接地系统、经小电阻接地及经消弧线圈系统的故障计算：计及各支路的电阻分量，按复数运算。

计算的分析量可定义；支持图形化操作，并可支持计算结果的图形化显示；支持无阻抗元件电压、电流等分析量的计算；短路故障计算：单相接地、两相短路、两相接地短路、三相短路；断线故障计算：单相断线、两相断线；平行双回线故障计算：平行双回线间的各种跨线故障；复杂故障计算计算：不同设备上发生的多重故障及同一设备上不同点的多重故障以及如下故障组合情况——简单故障+跨线故障，跨线故障+纵向故障；能适应经过渡电阻的故障、互感线路挂检的情况，能适应平行双回线、环网结构的情况，能适应接地系统、不接地系统、经小电阻接地系统及消弧线圈接地的情况；支持线路相继动作的情况；支持预设本线路多点连续故障，并以文本输出及图形输出；故障计算结果可根据需要输出有名值或者任意基准容量下的标么值；能够对故障计算结果进行最大、最小的筛选，并可以选择最大、最小前几名以方便排除无效的运行方式，提供丰富的计算结果输出功能，可以以文本输出及图形输出，输出内容可选择含故障点及非故障点的所有故障量；对故障计算轮断达到N-N，轮断开关可预设。

2.整定配合计算模块

应支持自定义整定配合原则，程序应自动识别用户定义的配合原则进行计算。整定配合计算过程采用自动计算（计算前可预设配合原则等）或自动计算与人工干预相结合的方式，自动计算时程序将按照用户定义的配合原则自动进行计算，用户可根据自动计算的结果结合电网实际情况和用户经验进行调整，包括调整配合关系、配合计算条件或者最后的定值，调整配合关系时程序应自动检查出无限循环并提示用户修改。程序始终遵循人工操作优于计算机操作的原则，即人工调整的结果不会被程序的自动计算过程所修改，且计算过程中用户所做调整均会记录。

整定原则可根据用户需要进行定义：计算的保护类型可定义；整定规则可定义；配合原则可定义；配合原则的计算方法可定义；定值的计算公式可定义；定值的取值原则可定义；提供丰富的定值显示颜色、格式的定义；根据用户选定的保护类型（相间距离、接地距离、零序电流等）、选择的范围或区域进行定值的配合计算；定值配合计算中的方式设置功能与故障计算中方式设置功能具有相同功能，能经过故障计算的结果再现配合计算的结果，以便对配合计算进行校核；在定值的计算过程中，可根据需要对自动计算的结果修改故障计算方式；配合计算完成后给出各段定值的取值范围，并根据取值原则自动给出最后的定值；各段定值能人为指定，并能自动计算附近受影响的定值；能根据配合计算过程，自动生成整定计算书，记录自动或手工选择的配合方式、配合元件、助增系数、计算公式等中间过程及最终取值，并对取值结果进行分析总结，指出存在的问题和运行中应注意的事项；整定计算书应能进行存档及打印；具有原定值管理功能；能够自动生成定值配合图；提供丰富的计算结果输出功能，可以以文本输出及图形输出。

3.装置级定值计算功能

管理各种保护装置类型的定值单模板、各定值项的计算方法，实现与整定配合计算系统的无缝衔接，完成定值单的自动计算、输出、流转等。用户通过公式编辑器可以定义各种定值项的计算方法，且计算方法库可复用。可保留长期的历史定值，与工作流服务相结合可支持定值单的流转、批复、等，定值单的格式支持XML、HTML、PDF等。装置定值计算：原理级定值的整定计算只是整定计算工作的第一个环节，第二个环节就是面向不同型号保护装置的整定。装置定值计算是在原理级定值计算结果基础上，根据建模时配置的保护型号和保护装置型号库中的定单模版，直接形成定值单。

可针对不同的保护装置定义不同的定值单模板；定值单每个定值项的计算方法可自定义；能够保存长期的历史定值单；定值单可，并能导出HTML、XML、EXCEL等格式方便与其他系统结合。

4.运行方式设置

运行方式设置提供灵活的电网运行方式管理工具，系统应能以方式树的形式创建、编辑、存储、调用、展示各种运行方式。方式树应与图形动态连接，快速切换，各种方式的停役元件应能着色展示。方式设定能在图形上完成。

厂站方式：系统应提供电网中各个厂站运行方式的设置，设置应通过操作开关、刀闸来实现，并能方便实现线路的断开、变压器的停用等操作；厂站方式个数不受限制。

系统方式：系统应提供对整个电网运行方式的设置；系统方式个数不受限制；电力元件的计算模型可扩展，以提供对未来新型电力元件的计算能力；具备智能电网建设所需的系统整合能力，支持与其他应用系统的二次数据共享和交换。

四、与EMS（CC2000）系统数据交互子系统

该系统应能够自动增量导出改动的电网模型数据。数据交互子系统支持从两系统约定的位置读取CC2000系统导出的一次设备的拓扑信息。支持对于多次导出数据的一次性读取，读取完成后，能够及时删除已经读取的过时数据。

五、与EMS（CC2000）系统数据解析子系统

基于交互接口读取的一次设备拓扑信息数据，数据解析接口子系统负责还原出一次设备的模型和它们之间的拓扑连接关系。解析接口模块完全支持电网图形标准SVG格式、电网模型cim-XML格式，同时解析接口支持对增量导出的数据解析功能，能够准确高效地实现和EMS（CC2000）系统的数据交互识别问题。

六、与OMS数据交互子系统

OMS数据交互接口子系统应支持从约定的位置读取OMS导出的参数，并实现和从EMS读取的电网模型数据的匹配。OMS数据交互接口子系统支持对数据的一次导出，多次读取，实现对过时数据的清理功能。

参考文献：

[1]1IEC61850-6变电站通信网络和系统系列标准第6部分：智能装置通信配置描述语言（SCL）[Z].

[2]IEC61970-301能量管理系统应用程序接口第301部分：公共信息模型（CIM）[Z].

[3]IEC61970-501能量管理系统应用程序接口第501部分：描述CIM的资源描述框架定义格式（CIM-RDF Schema）[Z].

[4]IEC61970-503 能量管理系统应用程序接口第503部分：CIM模型数据交换格式（CIM-XML）[Z].