數字地面系統中數據模型和結構的設計

呂敬民董

(華中科技大學(xué)水電與數字工程學(xué)院武漢430074)

本文討論了數據傳輸系統中數據模型的設計以及數據傳輸系統與監控系統之間的數據共享。為了滿(mǎn)足數字地面系統的實(shí)用性，保證數字地面系統仿真的實(shí)時(shí)性，描述了河南數字地面系統中電網(wǎng)描述和繼電保護數據結構的設計方案。實(shí)踐證明，這種解決方案是可行的。關(guān)鍵詞：調度員仿真系統電網(wǎng)描述數據模型集成

介紹調度員培訓仿真系統(DTS)是一套利用先進(jìn)的計算機技術(shù)模擬電網(wǎng)運行的數字仿真系統。作為一種現代有效的調度員培訓工具，它在內外得到了廣泛的應用。由于種種原因，DTS是在SCADA/EMS之后發(fā)展起來(lái)的。實(shí)際的數據傳輸系統必須滿(mǎn)足與電網(wǎng)已投入運行的SCADA/EMS系統集成的原則，否則會(huì )出現人機界面不一致、數據庫間接口復雜、維護不方便等問(wèn)題，很難滿(mǎn)足電力系統發(fā)展的需要。這樣一來(lái)，往往需要花費大量的時(shí)間準備一次培訓，而且隨著(zhù)電力系統的發(fā)展，無(wú)法同步反映當前的電力系統情況。訓練效果無(wú)法保證。河南電網(wǎng)從外引進(jìn)的監控系統。該系統采用DigitalUNIX操作系統、Oracle關(guān)系數據管理系統、TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議等標準軟件作為其軟件平臺，利用ANSIC編程語(yǔ)言和X Window/Motif開(kāi)發(fā)用戶(hù)的人機界面。因此，該DTS系統還采用了相同的軟件平臺和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，為調度員提供了一個(gè)具有實(shí)際SCADA/EMS系統的逼真訓練環(huán)境，使調度員達到沉浸式實(shí)操的目的。一體化要求DTS系統和SCADA/EMS系統在更高層次上共享信息資源，在電網(wǎng)結構、網(wǎng)絡(luò )參數、站場(chǎng)圖等方面保持與SCADA/EMS系統的一致性。該DTS共享SCADA/EMS系統網(wǎng)絡(luò )數據庫和網(wǎng)絡(luò )參數，使DTS數據庫可以與在線(xiàn)數據庫同步維護。共享SCADA/EMS站場(chǎng)圖和系統圖，實(shí)現數據文件和圖形格式的轉換；將SCADA/EMS在線(xiàn)系統的數據作為培訓的初始門(mén)檻，可以使DTS培訓更加實(shí)用，大大減少教師在建立初始門(mén)檻時(shí)的工作量。同時(shí)，在訓練過(guò)程中，由于模擬各種故障和正常運行調度，往往會(huì )在短時(shí)間內出現大量的組件動(dòng)作或調度操作，因此在設計DTS數據模型時(shí)必須考慮實(shí)時(shí)性，以滿(mǎn)足電力系統在故障處理和正常運行調度中的模擬。2 DTS和SCADA/EMS之間的數據共享數據共享要求后期開(kāi)發(fā)的DTS使用已經(jīng)投入運行的SCADA/EMS的數據源，避免兩套軟件在很多方面不一致，給DTS維護帶來(lái)麻煩。河南省DTS和SCADA/EMS系統采用與上述相同的支持環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具。因此，DTS和SCADA/EMS可以方便地共享一個(gè)數據庫管理系統、一個(gè)圖片管理系統和一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信管理系統。DTS通過(guò)UNIX網(wǎng)絡(luò )通信機制直接讀取描述網(wǎng)絡(luò )拓撲和網(wǎng)絡(luò )參數的SCADA/EMS數據文件，并按照一定的規則導入DTS的Oracle數據庫，以保證DTS仿真系統與實(shí)際電力系統在電網(wǎng)結構、元件參數等靜態(tài)信息上的一致性。對描述SCADA/EMS系統站場(chǎng)圖和系統圖的圖形數據文件進(jìn)行分析和轉換，DTS系統的圖形編輯系統可以直接調用和顯示，以保證DTS仿真系統和在線(xiàn)系統在顯示內容和畫(huà)面風(fēng)格上的一致性。在線(xiàn)系統實(shí)時(shí)斷面數據采集時(shí)，由于遙測點(diǎn)不足、信息通道不暢，會(huì )出現一些不良數據和缺失數據。因此，DTS所取的數據來(lái)源于實(shí)時(shí)系統狀態(tài)估計后的數據，對實(shí)時(shí)數據進(jìn)行處理，保證其盡可能與實(shí)際系統一致，從而建立DTS培訓教學(xué)計劃，即保證電網(wǎng)dyna中DTS仿真系統與在線(xiàn)系統的一致性 #p#分頁(yè)標題#e#

數據模型EMS/DTS等電力系統自動(dòng)化軟件的設計都是基于電力系統的數據模型。電力系統數據模型是嚴格地、唯一地反映電網(wǎng)并對電網(wǎng)進(jìn)行建模的數據組織形式。軟件中的一些程序收集操作信息和手動(dòng)輸入信息，并記錄在數據模型中，使模型始終處于較新?tīng)顟B(tài)。其他程序不再關(guān)心實(shí)際電網(wǎng)及其信號，只依賴(lài)數據模型。當電網(wǎng)結構發(fā)生變化時(shí)，只需相應地改變數據模型即可。DTS主要用于調度員培訓、運行方式研究和反事故演習。DTS數據模型的設計必須考慮以下問(wèn)題：1)滿(mǎn)足電力系統發(fā)展的需要。而當電力系統的物理結構發(fā)生變化時(shí)，SCADA/EMS和DTS不需要單先維護。2)滿(mǎn)足DTS訓練過(guò)程中的實(shí)時(shí)性要求。DTS使用過(guò)程中有大量的調度操作和事故處理事件。數據模型的設計應能處理電網(wǎng)運行方式的較大變化，以保證實(shí)時(shí)性；3)在培訓過(guò)程中，可以處理繼電保護和自動(dòng)化設備的切換，模擬各種條件，增加調度員培訓的復雜性，提高培訓效果。3.1 DTS中的電網(wǎng)描述電網(wǎng)中物理對象的描述以及對象之間可能存在的聯(lián)系，即“潛在拓撲”的描述，構成了電網(wǎng)的描述。隨著(zhù)河南電網(wǎng)的快速發(fā)展，有大量新的站場(chǎng)投入運營(yíng)，舊的站場(chǎng)也在進(jìn)行大的改造。這樣電網(wǎng)結構會(huì )在一段時(shí)間內發(fā)生變化，所以SCADA/EMS中的電網(wǎng)描述也會(huì )發(fā)生變化。實(shí)用DTS要求同時(shí)改變對電網(wǎng)的描述，使其與實(shí)際電網(wǎng)結構保持一致，提高訓練效果。電網(wǎng)結構在相對較短的時(shí)間內沒(méi)有改變，至少在一個(gè)培訓期內沒(méi)有改變。培訓開(kāi)始時(shí)，DTS檢查該系統與SCADA/EMS系統的電網(wǎng)描述的一致性，如果不一致，則通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信

機制由SCADA／EMS中重新讀取一份新的網(wǎng)絡(luò )描述數據文件，來(lái)替換掉DTS中Oracle數據庫中保存的老的電網(wǎng)描述資料，以此來(lái)產(chǎn)生DTS中新的數據模型。3．2 DTS中數據結構設計 為了適應實(shí)際電力系統變化的需要，DTS采用動(dòng)態(tài)數組來(lái)保存電網(wǎng)描述數據，Oracle數據庫中電網(wǎng)描述資料是全網(wǎng)的形式保存的。DTS啟動(dòng)時(shí)，對Oracle數據庫中保存的較新電網(wǎng)描述資料進(jìn)行語(yǔ)義分析，以廠(chǎng)站為單位對電網(wǎng)描述數據分類(lèi)、保存，記錄廠(chǎng)站結構信息，例如廠(chǎng)站開(kāi)關(guān)刀閘數、節點(diǎn)數等，如圖2中元件拓撲描述即元件名稱(chēng)和元件的先末節點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)、刀閘元件的開(kāi)合狀態(tài)。對于干式變壓器之類(lèi)元件，其參數（包括檔位）也保存在電網(wǎng)描述資料中。聯(lián)絡(luò )線(xiàn)數據單先保存。 以廠(chǎng)站為單位的數據結構符合電力系統的特點(diǎn)。仿真培訓過(guò)程中，要求對頻繁出現的開(kāi)關(guān)跳合閘動(dòng)作和運行人員的操作有快速的響應，除了采用合適的快速網(wǎng)絡(luò )拓撲算法，在數據結構的設計上，要根據電力系統的特點(diǎn)，采用合適的方式。電力系統在故障處理和運行調度時(shí)，開(kāi)關(guān)刀閘的動(dòng)作往往是以廠(chǎng)站為單位發(fā)生的，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構也是由于若干廠(chǎng)站內部的變化而引起電網(wǎng)拓撲結構的改變。因此以廠(chǎng)站為單位的數據結構可以快速和電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)一致。 在培訓過(guò)程中，對于開(kāi)關(guān)、刀閘動(dòng)作，可由相應廠(chǎng)站名稱(chēng)快速找到相應元件，修改其拓撲描述，對其他沒(méi)有元件動(dòng)作的廠(chǎng)站無(wú)需處理。 本DTS網(wǎng)絡(luò )拓撲算法是基于圖的鄰接表描述基礎上設計的。圖的鄰接表描述是電網(wǎng)描述的一種形式，它具有直觀(guān)、適應網(wǎng)絡(luò )結構快速變化的特點(diǎn)。數據結構設計如圖3所示。同樣對于有元件拓撲描述變化的廠(chǎng)站，只需對該廠(chǎng)站重新生成鄰接表描述或者在老的描述基礎上做些修正即可，其它廠(chǎng)站無(wú)需處理。 這種數據結構的設計，從根本上保證了DTS實(shí)時(shí)性，特別是在故障處理和運行方式有較大變化時(shí)，得到充分體現。#p#分頁(yè)標題#e#

3．3 繼電保護配置 繼電保護模塊是DTS的一個(gè)必不可少的模塊，現代電力系統繼電保護裝置十分復雜，主要的配置有：（1）線(xiàn)路保護1）主保護：高頻、縱差、橫差、距離Ⅰ段、零序Ⅰ段； 2）后備保護：距離Ⅱ，Ⅲ段、零序Ⅱ，Ⅲ段、過(guò)流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段；3）重合閘：?jiǎn)蜗嘀睾祥l、三相重合閘；（2）母線(xiàn)保護包括母差保護、失靈保護；（3）機組保護包括主保護與后備保護；（4）干式變壓器保護1）主保護：瓦斯保護，差動(dòng)保護；2）后備保護：過(guò)波保護，零序保護。 為了模擬實(shí)際情況，各種保護即可“投、退”也可設置為“拒動(dòng)”和“誤動(dòng)”狀態(tài)，開(kāi)關(guān)可設置“拒動(dòng)”和“誤動(dòng)”狀態(tài)。這樣從保護配置到對應操作都是很復雜，選擇合適的數據結構對于仿真效果顯得尤其重要?？紤]到實(shí)際電力系統是故障事件引起電力系統運行狀態(tài)的改變，若滿(mǎn)足某保護裝置的動(dòng)作條件，保護裝置被啟動(dòng)，其出口到相應開(kāi)關(guān)，若開(kāi)關(guān)狀態(tài)正常，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切除故障，否則故障擴展，后備保護動(dòng)作。由此可設想保護可以做為電氣設備的屬性，保護出口做為開(kāi)關(guān)的屬性。 例如某母線(xiàn)配置了母差、失靈保護?？梢园堰@兩種保護做為此母線(xiàn)的屬性記錄下來(lái)，記錄方式可用鏈表結構，如圖4。

對于保護“退”操作，即把相應保護鏈節從鏈表中拿掉即可?！巴丁辈僮?，把相應保護鏈節加在鏈表中即可。操作很方便、快捷。對于保護“誤動(dòng)”和“拒動(dòng)”，可在相關(guān)保護的鏈節中設置保護拒動(dòng)或誤動(dòng)屬性，然后由故障處理模塊處理。 同時(shí)根據繼電保護動(dòng)作原理和河南電力系統的自身特點(diǎn)，對開(kāi)關(guān)數據賦予屬性，即模擬保護出口。例如保護a、保護b、保護c均有出口到開(kāi)關(guān)A，開(kāi)關(guān)A結構如圖5。

對于開(kāi)關(guān)“拒動(dòng)”和“誤動(dòng)”，直接修改開(kāi)關(guān)A的屬性，然后由故障處理模塊處理。這種結構設計雖然數據有一定程度的冗余，但是其符合繼電保護的原理，特別是滿(mǎn)足了DTS實(shí)時(shí)性的需要。4 結束語(yǔ) 本文針對河南SCADA／EMS的特點(diǎn)，提出了實(shí)用化DTS數據模型的解決方案，該方案已經(jīng)在河南DTS中得到運用，目前此系統已經(jīng)投入實(shí)用化運行。在本系統開(kāi)發(fā)研制過(guò)程中，河南省電網(wǎng)由八十幾個(gè)廠(chǎng)站發(fā)展到近一百個(gè)廠(chǎng)站，全省電網(wǎng)結構有很大的變化，對應其電網(wǎng)物理描述有很大的改變。由于本系統采用和SCADA／EMS共享數據源的解決方案，DTS系統只需以網(wǎng)絡(luò )通信的形式讀取SCADA／EMS的電網(wǎng)結構數據文件來(lái)更新oracle離線(xiàn)數據庫中的電網(wǎng)結構和參數數據，以此為基礎產(chǎn)生的DTS電力系統數據模型就可從根本上滿(mǎn)足和實(shí)際電力系統物理結構的一致性，保證了DTS系統培訓的真實(shí)性效果。同時(shí)由于采用符合電力系統特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)數據結構存儲模式，操作和故障處理能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，加強了仿真的效果。 運行實(shí)踐證明此解決方案適應電力系統發(fā)展的要求，提供了一個(gè)逼真的培訓環(huán)境，滿(mǎn)足DTS實(shí)用化的要求。#p#分頁(yè)標題#e#

參考文獻

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