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

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)的設計方案。實踐證明，這種解決方案是可行的。關鍵詞：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關系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡通信協(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)絡數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡參數(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)絡通信管理系統(tǒng)。DTS通過UNIX網(wǎng)絡通信機制直接讀取描述網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)絡參數(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)模型的設計應能處理電網(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)絡進行通信

機制由SCADA／EMS中重新讀取一份新的網(wǎng)絡描述數(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)設計 為了適應實際電力系統(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、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)的開關跳合閘動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)絡拓撲算法，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設計上，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，開關刀閘的動作往往是以廠站為單位發(fā)生的，網(wǎng)絡拓撲結(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、刀閘動作，可由相應廠站名稱快速找到相應元件，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、適應網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)快速變化的特點。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計如圖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”也可設置為“拒動”和“誤動”狀態(tài)，開關可設置“拒動”和“誤動”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(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，其出口到相應開關，若開關狀態(tài)正常，開關動作，切除故障，否則故障擴展，后備保護動作。由此可設想保護可以做為電氣設備的屬性，保護出口做為開關的屬性。 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，即把相應保護鏈節(jié)從鏈表中拿掉即可?！巴丁辈僮?，把相應保護鏈節(jié)加在鏈表中即可。操作很方便、快捷。對于保護“誤動”和“拒動”，可在相關保護的鏈節(jié)中設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A，開關A結(jié)構(gòu)如圖5。

對于開關“拒動”和“誤動”，直接修改開關A的屬性，然后由故障處理模塊處理。這種結(jié)構(gòu)設計雖然數(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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