數(shù)字地面系統(tǒng)中數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)的設(shè)計

呂敬民董

(華中科技大學水電與數(shù)字工程學院武漢430074)

本文討論了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)模型的設(shè)計以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享。為了滿足數(shù)字地面系統(tǒng)的實用性，保證數(shù)字地面系統(tǒng)仿真的實時性，描述了河南數(shù)字地面系統(tǒng)中電網(wǎng)描述和繼電保護數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。實踐證明，這種解決方案是可行的。關(guān)鍵詞：調(diào)度員仿真系統(tǒng)電網(wǎng)描述數(shù)據(jù)模型集成

介紹調(diào)度員培訓仿真系統(tǒng)(DTS)是一套利用先進的計算機技術(shù)模擬電網(wǎng)運行的數(shù)字仿真系統(tǒng)。作為一種現(xiàn)代有效的調(diào)度員培訓工具，它在內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。由于種種原因，DTS是在SCADA/EMS之后發(fā)展起來的。實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)必須滿足與電網(wǎng)已投入運行的SCADA/EMS系統(tǒng)集成的原則，否則會出現(xiàn)人機界面不一致、數(shù)據(jù)庫間接口復雜、維護不方便等問題，很難滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。這樣一來，往往需要花費大量的時間準備一次培訓，而且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，無法同步反映當前的電力系統(tǒng)情況。訓練效果無法保證。河南電網(wǎng)從外引進的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DigitalUNIX操作系統(tǒng)、Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、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編程語言和X Window/Motif開發(fā)用戶的人機界面。因此，該DTS系統(tǒng)還采用了相同的軟件平臺和開發(fā)語言，為調(diào)度員提供了一個具有實際SCADA/EMS系統(tǒng)的逼真訓練環(huán)境，使調(diào)度員達到沉浸式實操的目的。一體化要求DTS系統(tǒng)和SCADA/EMS系統(tǒng)在更高層次上共享信息資源，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、站場圖等方面保持與SCADA/EMS系統(tǒng)的一致性。該DTS共享SCADA/EMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使DTS數(shù)據(jù)庫可以與在線數(shù)據(jù)庫同步維護。共享SCADA/EMS站場圖和系統(tǒng)圖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件和圖形格式的轉(zhuǎn)換；將SCADA/EMS在線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為培訓的初始門檻，可以使DTS培訓更加實用，大大減少教師在建立初始門檻時的工作量。同時，在訓練過程中，由于模擬各種故障和正常運行調(diào)度，往往會在短時間內(nèi)出現(xiàn)大量的組件動作或調(diào)度操作，因此在設(shè)計DTS數(shù)據(jù)模型時必須考慮實時性，以滿足電力系統(tǒng)在故障處理和正常運行調(diào)度中的模擬。2 DTS和SCADA/EMS之間的數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)共享要求后期開發(fā)的DTS使用已經(jīng)投入運行的SCADA/EMS的數(shù)據(jù)源，避免兩套軟件在很多方面不一致，給DTS維護帶來麻煩。河南省DTS和SCADA/EMS系統(tǒng)采用與上述相同的支持環(huán)境和開發(fā)工具。因此，DTS和SCADA/EMS可以方便地共享一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、一個圖片管理系統(tǒng)和一個網(wǎng)絡(luò)通信管理系統(tǒng)。DTS通過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(shù)的SCADA/EMS數(shù)據(jù)文件，并按照一定的規(guī)則導入DTS的Oracle數(shù)據(jù)庫，以保證DTS仿真系統(tǒng)與實際電力系統(tǒng)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)等靜態(tài)信息上的一致性。對描述SCADA/EMS系統(tǒng)站場圖和系統(tǒng)圖的圖形數(shù)據(jù)文件進行分析和轉(zhuǎn)換，DTS系統(tǒng)的圖形編輯系統(tǒng)可以直接調(diào)用和顯示，以保證DTS仿真系統(tǒng)和在線系統(tǒng)在顯示內(nèi)容和畫面風格上的一致性。在線系統(tǒng)實時斷面數(shù)據(jù)采集時，由于遙測點不足、信息通道不暢，會出現(xiàn)一些不良數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)。因此，DTS所取的數(shù)據(jù)來源于實時系統(tǒng)狀態(tài)估計后的數(shù)據(jù)，對實時數(shù)據(jù)進行處理，保證其盡可能與實際系統(tǒng)一致，從而建立DTS培訓教學計劃，即保證電網(wǎng)dyna中DTS仿真系統(tǒng)與在線系統(tǒng)的一致性 #p#分頁標題#e#

數(shù)據(jù)模型EMS/DTS等電力系統(tǒng)自動化軟件的設(shè)計都是基于電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型是嚴格地、唯一地反映電網(wǎng)并對電網(wǎng)進行建模的數(shù)據(jù)組織形式。軟件中的一些程序收集操作信息和手動輸入信息，并記錄在數(shù)據(jù)模型中，使模型始終處于較新狀態(tài)。其他程序不再關(guān)心實際電網(wǎng)及其信號，只依賴數(shù)據(jù)模型。當電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，只需相應(yīng)地改變數(shù)據(jù)模型即可。DTS主要用于調(diào)度員培訓、運行方式研究和反事故演習。DTS數(shù)據(jù)模型的設(shè)計必須考慮以下問題：1)滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。而當電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，SCADA/EMS和DTS不需要單先維護。2)滿足DTS訓練過程中的實時性要求。DTS使用過程中有大量的調(diào)度操作和事故處理事件。數(shù)據(jù)模型的設(shè)計應(yīng)能處理電網(wǎng)運行方式的較大變化，以保證實時性；3)在培訓過程中，可以處理繼電保護和自動化設(shè)備的切換，模擬各種條件，增加調(diào)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(gòu)成了電網(wǎng)的描述。隨著河南電網(wǎng)的快速發(fā)展，有大量新的站場投入運營，舊的站場也在進行大的改造。這樣電網(wǎng)結(jié)構(gòu)會在一段時間內(nèi)發(fā)生變化，所以SCADA/EMS中的電網(wǎng)描述也會發(fā)生變化。實用DTS要求同時改變對電網(wǎng)的描述，使其與實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)保持一致，提高訓練效果。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在相對較短的時間內(nèi)沒有改變，至少在一個培訓期內(nèi)沒有改變。培訓開始時，DTS檢查該系統(tǒng)與SCADA/EMS系統(tǒng)的電網(wǎng)描述的一致性，如果不一致，則通過網(wǎng)絡(luò)進行通信

機制由SCADA／EMS中重新讀取一份新的網(wǎng)絡(luò)描述數(shù)據(jù)文件，來替換掉DTS中Oracle數(shù)據(jù)庫中保存的老的電網(wǎng)描述資料，以此來產(chǎn)生DTS中新的數(shù)據(jù)模型。3．2 DTS中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了適應(yīng)實際電力系統(tǒng)變化的需要，DTS采用動態(tài)數(shù)組來保存電網(wǎng)描述數(shù)據(jù)，Oracle數(shù)據(jù)庫中電網(wǎng)描述資料是全網(wǎng)的形式保存的。DTS啟動時，對Oracle數(shù)據(jù)庫中保存的較新電網(wǎng)描述資料進行語義分析，以廠站為單位對電網(wǎng)描述數(shù)據(jù)分類、保存，記錄廠站結(jié)構(gòu)信息，例如廠站開關(guān)刀閘數(shù)、節(jié)點數(shù)等，如圖2中元件拓撲描述即元件名稱和元件的先末節(jié)點以及開關(guān)、刀閘元件的開合狀態(tài)。對于干式變壓器之類元件，其參數(shù)（包括檔位）也保存在電網(wǎng)描述資料中。聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)單先保存。 以廠站為單位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合電力系統(tǒng)的特點。仿真培訓過程中，要求對頻繁出現(xiàn)的開關(guān)跳合閘動作和運行人員的操作有快速的響應(yīng)，除了采用合適的快速網(wǎng)絡(luò)拓撲算法，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，要根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，采用合適的方式。電力系統(tǒng)在故障處理和運行調(diào)度時，開關(guān)刀閘的動作往往是以廠站為單位發(fā)生的，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也是由于若干廠站內(nèi)部的變化而引起電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的改變。因此以廠站為單位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以快速和電網(wǎng)實時狀態(tài)一致。 在培訓過程中，對于開關(guān)、刀閘動作，可由相應(yīng)廠站名稱快速找到相應(yīng)元件，修改其拓撲描述，對其他沒有元件動作的廠站無需處理。 本DTS網(wǎng)絡(luò)拓撲算法是基于圖的鄰接表描述基礎(chǔ)上設(shè)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、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速變化的特點。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。同樣對于有元件拓撲描述變化的廠站，只需對該廠站重新生成鄰接表描述或者在老的描述基礎(chǔ)上做些修正即可，其它廠站無需處理。 這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，從根本上保證了DTS實時性，特別是在故障處理和運行方式有較大變化時，得到充分體現(xiàn)。#p#分頁標題#e#

3．3 繼電保護配置 繼電保護模塊是DTS的一個必不可少的模塊，現(xiàn)代電力系統(tǒng)繼電保護裝置十分復雜，主要的配置有：（1）線路保護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、過流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段；3）重合閘：單相重合閘、三相重合閘；（2）母線保護包括母差保護、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，差動保護；2）后備保護：過波保護，零序保護。 為了模擬實際情況，各種保護即可“投、退”也可設(shè)置為“拒動”和“誤動”狀態(tài)，開關(guān)可設(shè)置“拒動”和“誤動”狀態(tài)。這樣從保護配置到對應(yīng)操作都是很復雜，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對于仿真效果顯得尤其重要?？紤]到實際電力系統(tǒng)是故障事件引起電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的改變，若滿足某保護裝置的動作條件，保護裝置被啟動，其出口到相應(yīng)開關(guān)，若開關(guān)狀態(tài)正常，開關(guān)動作，切除故障，否則故障擴展，后備保護動作。由此可設(shè)想保護可以做為電氣設(shè)備的屬性，保護出口做為開關(guān)的屬性。 例如某母線配置了母差、失靈保護?？梢园堰@兩種保護做為此母線的屬性記錄下來，記錄方式可用鏈表結(jié)構(gòu)，如圖4。

對于保護“退”操作，即把相應(yīng)保護鏈節(jié)從鏈表中拿掉即可?！巴丁辈僮鳎严鄳?yīng)保護鏈節(jié)加在鏈表中即可。操作很方便、快捷。對于保護“誤動”和“拒動”，可在相關(guān)保護的鏈節(jié)中設(shè)置保護拒動或誤動屬性，然后由故障處理模塊處理。 同時根據(jù)繼電保護動作原理和河南電力系統(tǒng)的自身特點，對開關(guān)數(shù)據(jù)賦予屬性，即模擬保護出口。例如保護a、保護b、保護c均有出口到開關(guān)A，開關(guān)A結(jié)構(gòu)如圖5。

對于開關(guān)“拒動”和“誤動”，直接修改開關(guān)A的屬性，然后由故障處理模塊處理。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然數(shù)據(jù)有一定程度的冗余，但是其符合繼電保護的原理，特別是滿足了DTS實時性的需要。4 結(jié)束語 本文針對河南SCADA／EMS的特點，提出了實用化DTS數(shù)據(jù)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(tǒng)已經(jīng)投入實用化運行。在本系統(tǒng)開發(fā)研制過程中，河南省電網(wǎng)由八十幾個廠站發(fā)展到近一百個廠站，全省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有很大的變化，對應(yīng)其電網(wǎng)物理描述有很大的改變。由于本系統(tǒng)采用和SCADA／EMS共享數(shù)據(jù)源的解決方案，DTS系統(tǒng)只需以網(wǎng)絡(luò)通信的形式讀取SCADA／EMS的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件來更新oracle離線數(shù)據(jù)庫中的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生的DTS電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型就可從根本上滿足和實際電力系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的一致性，保證了DTS系統(tǒng)培訓的真實性效果。同時由于采用符合電力系統(tǒng)特點的動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲模式，操作和故障處理能滿足實時性，加強了仿真的效果。 運行實踐證明此解決方案適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，提供了一個逼真的培訓環(huán)境，滿足DTS實用化的要求。#p#分頁標題#e#

參考文獻

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