數字地面系統中數據模型和結構的設計

呂敬民董

(華中科技大學水電與數字工程學院武漢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。為了滿足數字地面系統的實用性，保證數字地面系統仿真的實時性，描述了河南數字地面系統中電網描述和繼電保護數據結構的設計方案。實踐證明，這種解決方案是可行的。關鍵詞：調度員仿真系統電網描述數據模型集成

介紹調度員培訓仿真系統(DTS)是一套利用先進的計算機技術模擬電網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之后發展起來的。實際的數據傳輸系統必須滿足與電網已投入運行的SCADA/EMS系統集成的原則，否則會出現人機界面不一致、數據庫間接口復雜、維護不方便等問題，很難滿足電力系統發展的需要。這樣一來，往往需要花費大量的時間準備一次培訓，而且隨著電力系統的發展，無法同步反映當前的電力系統情況。訓練效果無法保證。河南電網從外引進的監控系統。該系統采用DigitalUNIX操作系統、Oracle關系數據管理系統、TCP/IP網絡通信協議等標準軟件作為其軟件平臺，利用ANSIC編程語言和X Window/Motif開發用戶的人機界面。因此，該DTS系統還采用了相同的軟件平臺和開發語言，為調度員提供了一個具有實際SCADA/EMS系統的逼真訓練環境，使調度員達到沉浸式實操的目的。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，在電網結構、網絡參數、站場圖等方面保持與SCADA/EMS系統的一致性。該DTS共享SCADA/EMS系統網絡數據庫和網絡參數，使DTS數據庫可以與在線數據庫同步維護。共享SCADA/EMS站場圖和系統圖，實現數據文件和圖形格式的轉換；將SCADA/EMS在線系統的數據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度，往往會在短時間內出現大量的組件動作或調度操作，因此在設計DTS數據模型時必須考慮實時性，以滿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發的DTS使用已經投入運行的SCADA/EMS的數據源，避免兩套軟件在很多方面不一致，給DTS維護帶來麻煩。河南省DTS和SCADA/EMS系統采用與上述相同的支持環境和開發工具。因此，DTS和SCADA/EMS可以方便地共享一個數據庫管理系統、一個圖片管理系統和一個網絡通信管理系統。DTS通過UNIX網絡通信機制直接讀取描述網絡拓撲和網絡參數的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仿真系統與實際電力系統在電網結構、元件參數等靜態信息上的一致性。對描述SCADA/EMS系統站場圖和系統圖的圖形數據文件進行分析和轉換，DTS系統的圖形編輯系統可以直接調用和顯示，以保證DTS仿真系統和在線系統在顯示內容和畫面風格上的一致性。在線系統實時斷面數據采集時，由于遙測點不足、信息通道不暢，會出現一些不良數據和缺失數據。因此，DTS所取的數據來源于實時系統狀態估計后的數據，對實時數據進行處理，保證其盡可能與實際系統一致，從而建立DTS培訓教學計劃，即保證電網dyna中DTS仿真系統與在線系統的一致性 #p#分頁標題#e#

數據模型EMS/DTS等電力系統自動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、唯一地反映電網并對電網進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輸入信息，并記錄在數據模型中，使模型始終處于較新狀態。其他程序不再關心實際電網及其信號，只依賴數據模型。當電網結構發生變化時，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題：1)滿足電力系統發展的需要。而當電力系統的物理結構發生變化時，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度操作和事故處理事件。數據模型的設計應能處理電網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，增加調度員培訓的復雜性，提高培訓效果。3.1 DTS中的電網描述電網中物理對象的描述以及對象之間可能存在的聯系，即“潛在拓撲”的描述，構成了電網的描述。隨著河南電網的快速發展，有大量新的站場投入運營，舊的站場也在進行大的改造。這樣電網結構會在一段時間內發生變化，所以SCADA/EMS中的電網描述也會發生變化。實用DTS要求同時改變對電網的描述，使其與實際電網結構保持一致，提高訓練效果。電網結構在相對較短的時間內沒有改變，至少在一個培訓期內沒有改變。培訓開始時，DTS檢查該系統與SCADA/EMS系統的電網描述的一致性，如果不一致，則通過網絡進行通信

機制由SCADA／EMS中重新讀取一份新的網絡描述數據文件，來替換掉DTS中Oracle數據庫中保存的老的電網描述資料，以此來產生DTS中新的數據模型。3．2 DTS中數據結構設計 為了適應實際電力系統變化的需要，DTS采用動態數組來保存電網描述數據，Oracle數據庫中電網描述資料是全網的形式保存的。DTS啟動時，對Oracle數據庫中保存的較新電網描述資料進行語義分析，以廠站為單位對電網描述數據分類、保存，記錄廠站結構信息，例如廠站開關刀閘數、節點數等，如圖2中元件拓撲描述即元件名稱和元件的先末節點以及開關、刀閘元件的開合狀態。對于干式變壓器之類元件，其參數（包括檔位）也保存在電網描述資料中。聯絡線數據單先保存。 以廠站為單位的數據結構符合電力系統的特點。仿真培訓過程中，要求對頻繁出現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絡拓撲算法，在數據結構的設計上，要根據電力系統的特點，采用合適的方式。電力系統在故障處理和運行調度時，開關刀閘的動作往往是以廠站為單位發生的，網絡拓撲結構也是由于若干廠站內部的變化而引起電網拓撲結構的改變。因此以廠站為單位的數據結構可以快速和電網實時狀態一致。 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描述的一種形式，它具有直觀、適應網絡結構快速變化的特點。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。 這種數據結構的設計，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。#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，現代電力系統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，開關可設置“拒動”和“誤動”狀態。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。考慮到實際電力系統是故障事件引起電力系統運行狀態的改變，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。可以把這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。“投”操作，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”和“拒動”，可在相關保護的鏈節中設置保護拒動或誤動屬性，然后由故障處理模塊處理。 同時根據繼電保護動作原理和河南電力系統的自身特點，對開關數據賦予屬性，即模擬保護出口。例如保護a、保護b、保護c均有出口到開關A，開關A結構如圖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，特別是滿足了DTS實時性的需要。4 結束語 本文針對河南SCADA／EMS的特點，提出了實用化DTS數據模型的解決方案，該方案已經在河南DTS中得到運用，目前此系統已經投入實用化運行。在本系統開發研制過程中，河南省電網由八十幾個廠站發展到近一百個廠站，全省電網結構有很大的變化，對應其電網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系統只需以網絡通信的形式讀取SCADA／EMS的電網結構數據文件來更新oracle離線數據庫中的電網結構和參數數據，以此為基礎產生的DTS電力系統數據模型就可從根本上滿足和實際電力系統物理結構的一致性，保證了DTS系統培訓的真實性效果。同時由于采用符合電力系統特點的動態數據結構存儲模式，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發展的要求，提供了一個逼真的培訓環境，滿足DTS實用化的要求。#p#分頁標題#e#

參考文獻

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