（电力系统及其自动化专业论文）电网故障信息处理系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t a r c t f a u l ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e mf o rp o w e rg d si s a l l i n t e g r a t e dp l a t f o r mt o r e c e i v e ，m a n a g e ，a n a l y z ef a u l ti n f o r m a t i o n , a n dc a na s s i s td i s p a t c h e r st od i a g n o s ef a u l t s c o r r e c t l y , h a n d l e f a u l t si nt i m ea n de v a l u a t et h ea c t i o no fr e l a y sa n dr e c o r d e r s t h e e s t a b l i s h m e n to fi tc a l lg r e a t l yi m p r o v et h ep o w e r 鲥d s s t a b i l i t y , s oi t sr e s e a r c hc o u l d p r o d u c es i g n i f i c a n te c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t a tp r e s e n lm o s td i s p a t c hc e n t e r sh a v eb u i l tf a u l ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m s ， w h i c hr e a l i z et h et r a n s m i s s i o na n dm a n a g e m e n to ff a u l ti n f o r m a t i o n ，a n ds o m es i m p l ed a t a a n a l y s i s t h e s es y s t e m se n h a n c et h ea u t o m a t i o nl e v e lo fm a n a g i n ga n da n a l y z i n gf a u l t i n f o r m a t i o n ，h o w e v e r , t h e r e a r es t i l ls o m el i m i t a t i o n si nt h e m s u c ha s ：t h el a c ko f c o m p r e h e n s i v ed a t aa n a l y s i s t h el o wl e v e lo ff a u l ti n f o r m a t i o ni n t e g r a t i v eu t i l i t ya n dt h e d e f i c i e n c i e so f f a u l td i a g n o s i sm e t h o d t os o l v et h e s el i m i t a t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，t h i st h e s i sd e v o t e st ot h ei m p l e m e n t a t i o n o ff a u l ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e mf o rp o w e rg r i d sa n dr e s e a r c ho fs o m ei m p o r t a n t p r o b l e m s f o r d e v e l o p m e m f i r s t l y , b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d d e f i c i e n c i e so ft h ep r e s e n tf a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m s ，t h ea r c h i t e c t u r eo ff a u l ti n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gs y s t e ma n d t h eh a r d w a r ec o m p o s i n go fs u b s t a t i o na n dm a s t e r - s t a t i o na r e p r o p o s e d ，e s p e c i a l l yt h em a s t e r - s t a t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gi t sd e s i g n g o a l ，m a i ns t r n c t u _ r ea n df u n c t i o nd i v i s i o n i nt h ea s p e c to fs y s t e m si m p l e m e n t a t i o n t h i s p a p e rp r e s e n t s t h ei s s u e so fr e a l t i m ed a t ap l a t f o r ma n dc o m m u n i c a t i o n s t r a t e g y o f m a s t e r - s t a t i o n t h ed a t ap l a t f o r mc h o o s e sm a i nm e m o r yd a t a b a s ea si t sd a t ap r o c e s s i n g c o r e ，a n dt h ei s s u e so fp h y s i c a ls t o r a g eo r g a n i z a t i o na n di n d e xs t r u c t u r eo ft h i sc o r ea r e e m p h a s i z e da sw e l l t h ec o m m u n i c a t i o ni nm a s t e r - s t a t i o ni si m p l e m e n t e db a s i n go nu d p p r o t o c 0 1 i nt h ee n d ，t h ef a u l td i a g n o s i n gm e t h o di ss t u d i e d ，a n dah i e r a r c h i c a ld i a g n o s i n g m e t h o di sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hf i r s t l yu s e sb r e a k e ri n f o r m a t i o nt of i n do u tt h ef a u l t a r e a s ， a n dt h e n a p p l i e sr e l a ya n dr e c o r di n f o r m a t i o nt oc o n f i r mt h ef a u l td e v i c ei nt h e s ef a u l ta r e a s k e y w o r d s ：f a u l t i n f o r m a t i o n ，i n t e g r a t e da n a l y s i s ，r e a l t i m ed a t ap l a t f o r m ， u d p c o m m u n i c a t i o n , h i e r a r c h i c a lf a u l td i a g n o s e “ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：崔魅 日期：埘平年f 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：键巍 日期： 嘶年f 月3 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 1 绪论 随着电力系统的不断发展，电网的规模不断扩大、接线方式日趋复杂，投入电网 的各种保护、自动装置、故障录波器等二次设备越来越多，并且其功能也越来越先进， 这些装置提供了更加丰富、全面的电网运行数据和信息，给变电站二次系统带来了一 次巨大的技术革新。同时，随着各级电力数据网络川的建立以及网络通信技术在电力 系统中应用的深入，调度中心实时得到各种电网运行信息也成为可能。在此基础上， 在调度中心综合利用微机保护、自动装置及故障录波器等二次设备提供的各种数据， 可以进一步提离电力系统的自动化程度，保证系统安全、有效、稳定地运行。 电网故障信息处理系统是对电网故障信息进行管理和分析的系统，它实时接收二 次设备提供的各类信息，在电网发生故障时通过在线分析故障信息进行故障诊断，并 为运行人员切除、恢复故障给出决策建议。在电网发生故障时，为了得到正确的故障 分析结果，首先要准确、全面地得到系统二次设备的实时数据信息，其次调度中心必 须以全局观点来综合处理电网的各类故障信息，而不是将它们按厂站分别处理。随着 计算机技术、通信网络技术在电网故障信息远传中的应用以及人工智能技术在故障诊 断中的发展，充分利用计算机、人工智能技术的优势来建立功能更强大的故障信息处 理系统，以提高电网故障处理的科学性和可靠性已成为必然的要求和新的研究热点。 目前，国内各大网、省局以及微机保护和故障录波器制造厂商都已认识到这发展方 向，均已投入大量的人力、物力进行广泛而深入的研究，并且都非常重视将最新的通 讯、网络和计算机技术引入自己的设计和开发中，以提高电网故障信息处理系统的数 据处理能力。 建立故障信息处理系统，可提供一个统一的接收、管理、分析电网故障信息的平 台，实现故障信息的综合处理：将有助于运行人员正确分析事故原因、及时处理事故、 评价继电保护和断路器等设备的动作情况，特别是在电网故障快速、准确处理方面发 挥积极作用；能够提高电网故障信息的综合利用水平和电网调度自动化程度，改善电 网安全稳定运行状况，具有巨大的社会效益和可观的经济效益。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 故障信息处理系统的发展及现状 进入8 0 年代后，微机保护和微机故障录波器等二次设备得到了迅速的发展，这些 设备具备了功能完整、信息储量大的特点。当电力系统正常运行时，微机保护设备可 对一次设备进行数据采样，实现对电力系统的有效监控；当电力系统发生异常时，微 机保护设备及时启动处理系统故障，并记录下故障的简要信息，与此同时微机故障录 波器也记录下故障的详细信息。这些信息都是对故障进行分折与综台处理所需的宝贵 的原始资料。 9 0 年代中期，随着微机保护和故障录波器的大量应用，出现了变电站综合自动化 这个新的研究领域。变电站综合自动化系统将变电站二次部分接入站内控制网中，以 实现变电站的综合自动化控制及自诊断功能，并实现与调度中心的远方通信。文献【2 ，3 详细论述了变电站综合自动化系统的功能与结构。变电站综合自动化在实现遥测、遥 信、遥脉的基础上还增加了远方修改保护定值、故障录波与测距等信息的远传其传 送给调度中心的信息比传统的远动系统大得多。 变电站综合自动化的广泛应用，使调度端全面实时地得到各个变电站的运行信息 成为可能卜”。由于现有变电站综合自动化系统只能比较好地处理站内故障，但对于变 电站之闻的故障因难以获得其他变电站信息而难以处理；另外，变电站由于受计算机 能力限制，对于开关状态信息、故障录波信息等运行信息只能分别独立地进行处理， 但为了进行更有效的分析，有必要将这些信息综合起来。因此，可以在调度中心建立 故障信息处理系统，从全局的角度出发，利用调度中心的高性能计算能力进行系统运 行的综合分析和评价，特别是故障发生时可以综合利用所有变电站信息对故障进行分 析和处理，这样将能够大大提高系统的安全稳定控制水平。有关部门已陆续开展了故 障信息处理系统的研究工作，并建成了一批故障信息处理系统引。 但是己建成的各故障信息处理系统只是基本实现了故障录波信息联网和数据管理 功能，还存在着一定的不足： ( 1 ) 不能实现对多种不同规约的自动转换。由于规约的多样性和复杂性，不同厂 家可能会采用不同的通信规约和数据格式，即使对相同的规约不同厂家的理解也可能 有细微的差别，现有系统不能实现对不同规约的自动转换，限制了信息的综合利用。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统分析功能不够全面。现有系统只实现了故障信息的管理功能，而提供的 数据分析功能比较有限，不能有效地为运行人员准确处理故障提供依据。 ( 3 ) 故障信息的综合利用度不够。大部分高级分析功能实际上都只是简单地将变 电站录波器的分析功能模块移植到调度端系统，没有充分发挥出调度端系统信息全面、 计算能力强的优势，应用的效果也不理想。 ( 4 ) 故障诊断方法有待改进。现有系统大多局限在利用开关和保护动作信息，运 用专家系统和人工神经网络的方法进行故障诊断，这些方法都存在一定不足，从而限 制了其应用【】。此外，开关和保护可能存在误动和拒动，因此仅仅利用这两类动作信 息进行故障诊断，特别是在发生复杂故障时，将难以得到正确的求解 1 4 , 1 5 1 。由此可见， 对电网故障进行准确的诊断还需要更多的信息去校验开关、保护的动作情况，才能得 到正确的求解。 ( 5 ) 系统开放性不好。不能方便地实现与其他系统( 如调度m i s 、s c a d a ) 的数 据共享与交换，没有在系统设计上充分考虑今后与其他系统互联的需要。 鉴于现有系统的不足，本文将构建综合处理故障信息的电网故障信息处理系统。 该系统将改善调度端故障信息的综合分析功能：将微机保护、微机故障录波器按厂、 站分层、分级组网并进行统一联网管理；在电网发生故障情况时，能快速采集故障信 息，通过自动上传和召唤传送方式将有关的故障信息上传至各有关部门；通过系统接 收的故障信息可实现故障点的定位及故障过程的再现：能够根据故障诊断结果及时向 运行人员提供其中关键的部分和相应的处理策略。 1 3 本文所作的工作 本文主要研究电网故障信息处理系统，这是个理论与工程实际紧密结合的研究 方向，目前国内尚无成熟的电网故障信息处理分析平台。所做工作包括以下各个方面： 提出了故障信息综合处理系统的研制构想，详细阐述了系统的结构与功能，并对系统 实现中的部分重点、难点问题给出了解决方案，主要是实时数据平台的设计、主站端 系统通信的设计。此外，对故障诊断的方法也进行了初步的探讨。在论文的结构安排 上，共分为六章，各章的主要内容介绍如下： 华中科技大学硕士学位论文 第二章在分析故障信息系统总体结构的基础上，阐述系统的子站端、主站端的系 统组成。同时对主站端系统进行了深入的研究，详细介绍了主站端系统的设计目标、 结构设计和功能划分。 第三窜论述了故障信息系统实时数据平台的设计与实现。根据系统对实时性以及 多任务的要求，平台采用多线程的内存数据库作为其实时库核心，并对实时库数据的 存储结构和索引结构进行了研究，实时库采用了区一段式的物理存储结构和空间划分 t 树的索引策略，同时，还对多用户同时操作数据的同步与互斥进行了讨论。 第四章在分析主站端系统通信的特点及需求的基础上，完成了通信系统的设计与 实现。主站系统是一个需要较多单机对多机通信且实时性要求高的系统，针对这种特 点我们采用了u d p 这种面向无连接的数据报协议。基于u d p 的通信机制，文中还详 细阐述了基于u d p 报文的数据封装、报文的分类，以及为了提高报文传输可靠性采取 的几种实用策略。 第五章在简要介绍了现有电网故障诊断方法的基础上，提出了综合利用故障信息 进行故障分级诊断的方案。这种方案首先通过开关信息对故障区域进行划分，然后通 过保护动作与故障录波信息来确定故障元件。此外，还论述了根据录波信息来判断保 护动作行为的方法。 最后一章对本文的工作进行了小结，概述了本文的重要结论，并展望了下一步将 要开展的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 故障信息处理系统的功能与结构 2 1 引言 现有的故障信息处理系统一般是将变电站综合自动化功能从厂站端转移到调度端 f 2 1 ，大部分高级分析功能，如故障诊断，只是简单地将功能模块从旧系统移植到新 系统中，没有充分发挥联网后调度端信息全面、计算能力强的特点。 参照这些系统的不足，我们对电网故障信息处理系统的研制进行了深入研究。新 的故障信息处理系统是一个综合处理全网故障信息的系统，它可以对电网二次设备的 各类信息进行管理，并在线监测电网二次设备的工作状态，在电网故障时实时得到各 种故障信息，并通过故障诊断对故障进行定位，还能与其他系统接口。实现这样一个 系统，首先必须建立一个全面集成、高度开放的系统平台，平台可实现从电网一、二 次设备参数的管理到网络通信规约的标准化。在这个平台上系统可实现故障诊断、信 息管理功能，并实现各个功能模块之间的无缝连接。同时，提供方便、直观的人机界 面，并满足维护、扩展和集成的要求。本章将详细阐述电网故障信息处理系统的总体 结构和功能划分。 2 2 电网故障信息处理系统的总体结构 电网故障信息处理系统，从物理结构上可以分为设备层、子站层和主站层。设备 层，位于变电站或发电厂内，主要包括微机保护、微机故障录波器以及g p s 等；子站 层是变电站数据采集中心，实现对本站各种设备的管理和监控，完成子站设备的数据 采集、处理、存储、打印以及简单分析功能，并实现数据上送：主站层，位于各级调 度部门，实现对下属各变电站数据的集中分析、管理功能，并实现与其他电力系统应 用软件的数据接口。系统结构如图2 1 所示。 设备屡与予站层通过多种接口连接，包括快速以太网、r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接 口等，通过这些接口可以适应不同种类的设备同子站前置机的连接。在子站层与主站 层之间，提供电力数据通信网络和电话拨号两种方式连接，实现子、主站间的冗余通 信备用。主站与子站采用实时或半实时连接，可随时接收录波装置或微机保护经前置 华中科技大学硕士学位论文 机主动上发的数据、报告，同时录波装置和微机保护也可经前置机随时响应来自上 级主站的命令。 2 2 1 子站端系统组成 图2 - 1 系统总体结构 子站端系统负责子站内二次设备的接入，以及将前置机收集到的全站继电保护和 故障录波信息通过通信服务器传送到调度端，或者接收调度端下发的查询等命令再下 发到保护装置中去。子站端系统的组成如图2 - 2 所示。子站端系统的组成主要包括： ( 1 ) 数据采集机( 前置机) ：变电站数据采集中心的功能以前置机为核心展开的， 6 华中科技大学硕士学位论文 具有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、并口、以太网等接口的设备均可接入前置机。 ( 2 ) 多串口通信器：由于计算机一般只配置两个串口，数量远低于现场设备的数 目要求，因此配备多串口卡实现计算机的串口扩展。多串口通信器可通过以太网与前 置机相连。 ( 3 ) 光电隔离装置：变电站是电磁干扰比较严重的场所，在设备与多串口设备通 信器相连时，中间加装此装置可以保护设备，防止各种干扰，提高通信的可靠性。 ( 4 ) 子站二次设备：主要包括保护装置和故障录波器。这些设备可以通过串口或 并口与多串口通信器相连，也可以通过其他各种总线( 以太网、l o n w o r k s 网) 与前置 机相连，这些都需要根据具体设备的接口方式而定。 ( 5 ) 信息采集装置：子站中各种设备种类繁多，且差异性较大，其中保护装置有 非微机型( 电磁型、晶体管型、集成电路型) 和微机型之分，对于非微机型保护设备， 只能通过开关量采集装置来获得保护中间继电器的状态变化，由此得到保护动作事件 的信息。 ( 6 ) 串口转换器：由于多串口通信器仅仅具有r s 2 3 2 类型的串口，因而需要有 r s - 4 8 5 r s 一2 3 2 转换器以及串并转换器之类的设备实现接口转换。 ( 7 ) 全球卫星定位系统( g p s ) ：g p s 通过前置机对子站内的保护和录波装置周期 地进行广播对时，使全网的保护和录波设备时间同步，从而使调度端系统能够综合利 用各个子站的故障数据。 图2 - 2 子站端系统组成 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 主站端系统组成 主站端系统负责信息的综合管理、分析，是整个电网故障信息处理系统的处理核 心。主站端系统的组成如图2 3 所示。主站端系统的组成主要包括： ( 1 ) 通信服务器：它实现主站与子站间的通信，它接收从子站发送来的信息，或 接收主站发送的信息再下发到子站。通信服务器将接收到的报文信息解析后，根据信 息划分的级别分别存入历史数据库和实时数据库，以供上层应用程序使用。通信服务 器可以采用双机备份，以保证网络通信的可靠性。 ( 2 ) 实时数据服务器：为应用程序提供对各类实时运行数据的访问服务。 ( 3 ) 历史数据服务器：为应用程序提供对各类历史运行数据的访问服务。 ( 4 ) w e b 服务器：提供对历史、实时信息的网上发布。 ( 5 ) 工作站客户机：为故障信息处理系统的应用程序提供运行硬件环境。 局域网 圆z 网配置 lll 十珀丽刖直咿l f 电力载波电话网| | 电力数据通信网l 囱 防炳n 调籼。l l lv 。一 非审 图2 - 3 主站端系统组成 2 3 主站端系统设计目标与结构功能 2 3 1 主站端系统的设计目标 根据调度端信息全、计算机处理能力强的有利条件以及电网故障信息管理和分析 的基本要求，主站端系统将达到以下目标： ( 1 ) 基于高度开放的软件体系结构、商用关系型数据库、i n t e m e t i n t r a n e t 以及图 8 华中科技大学硕士学位论文 形化人机交互平台，实现电网故障信息所有相关的数据管理工作的全面集成，包括对 系统参数、图档资料、设备信息、运行信息、保护定值等数据的统一集中管理【l 引。 ( 2 ) 建立完善的开关、继电保护、故障录波信息管理历史数据库。实现对设备运 行信息( 如动作记录、波形数据等) 的存储和管理，为运行部门进行日常维护、事故 分析提供丰富的历史信息。 ( 3 ) 建立能够实时获得电网运行状态的通信系统和实时数据库平台，为实现故障 的在线处理奠定基础。 ( 4 ) 建立故障诊断系统对电网进行安全评估，拓展故障数据的应用范围，由计算 机在线帮助运行人员进行故障分析、决策、事故后分析等。提供强大的分析功能，实 现故障诊断、保护动作分析、故障重演、录波分析等功能的全面集成，为运行人员进 行故障分析、决策、事故居分折提供支持。 ( 5 ) 提供信息管理和故障分析工作的全图形化，实现图形交互与管理、分析功能 的无缝结合。提供强大的电网图形处理能力，实现分层、分区的图形管理和自动维护。 ( 6 ) 实现软件系统的模块化和组件化，以利于维护和升级。基于组件技术实现各 功能模块的独立开发和无缝集成，各模块能够实现单独的升级和替换：各模块内部编 程采用面向对象技术，面向对象技术为人们提供了一个非常有力的技术工具，使对象 具有良好的封装继承的特性，提高系统的重用率，系统的维护和扩展也变得容易实现 【1 7 l 8 1 。 ( 7 ) 提供完善的网络安全性和数据库安全性控制。采用内部认证机制，并通过防 火墙与外部网相连，有效阻止外部非法侵入；采用严格的数据平台用户验证和权限控 制机制保证数据库的安全性。 ( 8 ) 实现与其他系统( 如调度m i s 、s c a d a ) 的数据共享与交换，并在系统设计 上考虑今后与其他系统互联的需要，预留开放性接口。 2 3 _ 2 主站端系统的结构与功能 主站端系统是管理子站配置和分析、管理故障信息的统一平台。主站端系统将实 现：管理电网中元件的拓扑连接关系、管理子站中二次设备对应电网元件关系、监测 实时信息、管理历史信息、根据故障信息对故障进行诊断、重演和各种分析。 一一 9 华中科技大学硕士学位论文 正常情况下，主站端系统可以用于日常监视、定值核对、装置巡检、获取装置的 状态信息和日常继电保护管理工作。日常监视功能可以使运行值班人员能随时监视保 护装置的运行状态，在工作站的计算机屏幕上，实时显示每套保护装置的运行状态， 并用不同颜色表示投、退、告警等不同状态。定值核对，则根据生产管理系统定值单 信息，校核各厂站保护设备的现场定值数据，在应用功能和网络安全等条件具备的情 况下，可以实现通过网络核对远方保护定值。图形维护完成对主干电网图、变电站主 接线图、二次设备接线图等图档资料的管理。继电保护信息的管理工作，与调度生产 管理系统互联，可以从网上以w e b 方式查询有关规程、规定等规章制度以及继电保护 动作统计分析情况、继电保护基本建设动态、继电保护开发和科研的新进展等信息， 为专业人员在继电保护运行与整定计算、继电保护装置有关图纸资料、微机故障录波 等历史文档等方面提供共享平台。 在故障情况下，主站端系统可以根据采集到的开关、保护动作事件，给出相应的 告警信息，并进行故障诊断、事故重演等；同时还可以结合相关故障录波数据进行保 护动作分析，并以波形图的方式显示出来，让调度人员可以一目了然地看到故障前后 模拟量和开关量的变化波形，对事故进行准确的分析；并可对故障数据进行查询、备 份、归档、打印。 图2 4 主站系统总体结构图 一_ 1 0 华中科技大学硕士学位论文 为了实现以上功能，将主站端系统划分为五个功能模块，即通信模块、故障信息 数据平台、系统管理模块、故障信息管理模块和故障信息综合分析模块，分如图2 - 4 所示。 ( 1 ) 通信模块 通信模块完成主站工作站与通信服务器间的报文传输。通过此模块将来自通信服 务器的各类实时、历史报文上送到主站各工作站，并将工作站的各种查询、控制命令 下发到通信服务器，然后由通信服务器转发到子站。通信服务器与工作站之间采用 t c p u d p 协议作为其通信协议。 ( 2 ) 故障信息数据平台 故障信息数据平台分为两部分：实时数据库与历史数据库。实时数据库存储电网 的当前拓扑结构和系统参数，以及各种子站上送实时报文，这些报文包括遥信、遥测、 遥脉和保护的动作、告警、故障信息。历史信息数据库则存储系统日志信息、保护、 录波器动作和操作的历史记录信息、系统告警的历史记录信息。实时数据库采用内存 数据库的设计，以保证其查询和修改的速度，历史信息数据库采用磁盘数据库的设计 保证其存储容量。 ( 3 ) 系统管理模块 通过系统管理模块可形成电力系统的拓扑结构，表达和管理系统的各种图形，输 入一次、二次设备基本信息及电气参数，设置程序运行所必需的参数或缺省值，实现 用户权限的分级、分类，控制不同用户对数据的访问，具体分为： 电网拓扑管理：用户可以通过图形化方式刨建所关心的电力系统，表达电力系 统的拓扑连接关系：可以生成各种常用图形，方便信息的表达和查询。 设备参数管理：管理电力系统中各种设备的计算用参数，如一次设备的各种电 气参数、保护设备定值参数等：提供一些计算转换功能，如可以根据线路型号、长度 计算线路阻抗，可以进行标么值和有名值转换。参数查询功能；并提供多样的查询手 段，可以按照元件名称、型号、生产厂家、电压等级、所属地理区域、厂站、元件类 型等关键字进行精确查询和模糊查询。 程序设置：对程序运行所必需的参数或缺省值进行设置。 l l 华中科技大学硕士学位论文 用户管理：对用户权限分级、分类，控制不同用户对数据的访问a ( 4 ) 故障信息管理模块 它对收集到的来自故障录波器和保护的信息进行格式转换、存储，并建立相应的 故障信息库，以满足各种查询和浏览及打印的需要，为现场运行和管理人员服务。主 要功能包括如下几部分： 各类信息的显示。针对通信模块接收到的各类报文，在图形晃面中显示出来， 对于报警、故障信息伴以醒目的提示。 各类历史信息查询。针对收集上来的各种信息和分析结果组成的数据库，基于 w i n d o w s 风格和s q l 查询开发了大量的查询界面，可以按变电站名称、录波屏柜名称、 线路名称、故障时间、故障类型等进行故障信息查询，查询结果以表格形式输出或打 印。同时开发了以w e b 方式浏览查询结果的功能，实现了信息的网络共享。 子站端故障录波的管理。子站故障录波器启动后，能主动向主站端发送紧急制 表信息或故障录波信息，主站还可按线路或厂站调用故障录波器的实时信息或历史文 档。考虑到因录波器的型号不同而信息格式可能不同的情况，在主站计算机上需要对 收集到的数据进行统一处理，转换成统一制表格式。统一以后的信息存储在相关的数 据库中，以备数据分析和查询使用。 保护、录波器定值管理。保护、录波器启动定值和配置情况可以在主站端远程 设定，当要修改某一设备参数时，在特许口令下，在提供的相关配置界面上修改相应 的配置文件，包括模拟通道数、各个c p u 的电流比例系数、电压比例系数、零序电压 比例系数、低电压启动限值、负序电压启动限值、零序电压启动限值、频率启动限值、 中性点电流启动限值、突变量启动限值、振荡启动定值、开关量启动等。配置文件一 旦确认后，可以下传到当地录波器执行。 ( 5 ) 信息综合分析模块 - 信息综合分析模块是电网故障信息处理系统的分析核心主要完成一下功能：故 障测距功能，可以采用单端测距和双端测距：录波分析功能，采用快速傅立叶变换对 故障后的电压、电流和功率进行分析，计算出基波分量、直流分量和各次谐波分量： 保护动作分析功能，完成对录波装置启动原因的评判、保护动作的评判、断路器动作 1 2 华中科技大学硕士学位论文 评判和自动重合闸动作评判：故障诊断功能，诊断系统依据收集到的全网故障信息( 包 括保护、断路器动作信息和故障录波信息) ，采用人工智能和专家系统技术进行全面的 故障诊断，找出准确故障原因，得出确切的设备和可能的拒动或误动的设备a 录波分析 录波分析模块的波形分析功能主要包括：电压电流波形、对称分量分析、谐波分 析( 包括电压、电流、有功功率、无功功率的谐波) 、正序阻抗波形、瞬时功率波形、 平均功率波形、频率波形、有功序分量、无功序分量、电压向量波形、电流向量波形 等。对不同的故障数据文件可进行格式转换，并显示的波形提供了多种操作，包括横 向和纵向缩放、拷贝和粘贴、波形移动、波形比较，波形剪切及分页显示功能。 保护动作分析和故障重演 保护动作分析功能主要包括：分析故障录波器的起动原因，评价保护动作、断路 器分合闸、重合闸动作的正确性。 故障重演是根据录波文件记录的各路模拟量，通过任意组合形成特定的保护动作 方程，动态演示该动作方程在采样时间段内的动作轨迹，阻再现故障过程，并与开关 量变位情况、保护动作情况相结合，进行对比分析。 故障诊断 故障诊断功能实现在线对故障点精确定位，确定故障类型，并及时向运行人员提 供关键信息和相应的处理意见。现有的故障诊断方法主要包括专家系统、人工神经网 络、遗传算法、- 模糊控制及它们的结合。本系统在这些方法的基础上综合利用故障 信息，采取故障分级诊断的方案，该方案首先通过开关信息对故障区域进行划分，然 后通过保护动作与故障录波信息来确定故障元件。 故障测距 故障测距利用故障线路两端的电压、电流数据，通过离线分析。对线路故障点定 位。现有的故障测距方法主要包括单端故障测距法和双端故障测距法，前者虽然受短 路过渡电阻的影响，测距精度不高f 1 9 吒”，但不存在数据同步问题，易于实现：后者虽 然存在两端数据同步问题，但测距精度比前者高田】。考虑到两种方法各有利弊，系统 设计同时支持这两种方法。同时，系统还提供了丰富的测距算法，包括故障分量电流 i3 华中科技大学硕士学位论文 电压、故障电流相位修正、解二次方程、解微分方程、时域解法等。另外，为了保证 软件的灵活性，还提供了多样的人机交互手段。 2 4 小结 本章在分析故障信息系统总体结构的基础上，介绍了系统的子站端、主站端系统 的组成，尤其对主站端系统进行了深入的研究，详细阐述了了主站端系统的设计目标、 结构设计和功能划分。 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 实时数据平台设计 数据库是数据库管理系统的相关数据文件的集合，数据库的内容是把来自各个点 的数据组织起来，所有用户或应用程序都可以使用，冗余数据应减至最少。数据库系 统主要包括数据库，数据库管理系统，数据库存储介质及数据库用户 2 3 1 。我们可以这 样描述数据库系统：它可以实现有组织地、动态地存储大量相关联的数据，能够为多 用户访问的计算机软、硬件所组成的系统服务；它的特点是数据可以充分共享、交叉 访问、与应用程序有高度的独立性。 数据库技术经过3 0 多年的发展已成为计算机科学技术的重要分支之一，多学科的 技术内容与数据库技术相结合是当代数据库技术发展的重要特征，它使数据库领域中 新的技术内容层出不穷。实时数据库、内存数据库、模糊数据库、多媒体数据库、并 行数据库、分布式数据库等数据库都是数据库家族的成员】。当前，数据库技术除支 持传统的应用外，在众多的领域中得到了更广泛的应用。 电网故障信息处理系统需要处理的数据量非常大，而且随着现代电力系统的快速 发展，对实时性和精确度的要求也越来越高，因此必须用传统的数据处理方法己经不 能达到满意的效果，必须引入数据库技术的最新研究成果。故障信息处理系统对数据 库系统性能的主要要求是： ( 1 ) 响应速度快。电网发生故障时子站各类设备会产生大量的故障信息，不仅需 要较宽的网络带宽以实现信息的传输，而且在主站端处理这些信息时还需要数据库系 统有良好的响应特性，即能完成实时的数据查找、访问。 ( 2 ) 较高的备用。由于故障信息处理系统必须是2 4 小时运行，所以数据库系统应 该有较高的备用，以保证在任何操作出错、软硬件故障的情况下都不中断运行。 ( 3 ) 可靠性高。为了能够准确地反映子站设备的工况，数据库系统应具有高度可 靠性。 ( 4 ) 便于修改和扩充。由于电网结构和予站设备可能发生变更，数据库系统应能 满足和适应系统的变化，方便地进行在线扩充和修改，但不影响系统的正常运行。 l s 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 存取方便。操作者可以使用符合s q l 规范的标准化接口方法对数据库进行搜 索、读写。 针对以上要求，在设计故障信息系统中，我们采用了内存数据库技术作为系统实 时数据平台的数据库核心，利用内存数据库对实时数据进行管理，以满足系统实时响 应的要求。传统的商用关系型数据库一般都是磁盘数据库，数据常驻在磁盘中，其数 据需要按一定的数据交换策略被调到内存缓冲区后才能被存取，在执行过程中受到磁 盘i o 的束缚。事务的响应时间受等待延迟、查找延迟等限制。实时内存数据库存储 的数据常驻内存，消除了事务处理的i o 瓶颈问题，极大地提高了系统的性能和吞吐 量，其在电力系统对实时性要求高的系统中均有应用【2 4 3 1 i 。但由于内存的操作在很多 方面不同于磁盘，因此在开发内存数据库时要针对其特点，采用与一般磁盘数据库不 同的设计方法。 3 2 内存数据库 内存数据库在数据库技术的研究中是一个较新的领域，它与传统的磁盘数据库的 本质区别是它将其数据的主拷贝或“工作版本”常驻内存而不是常驻磁盘。文献 3 2 】 给出了内存数据库的定义： 设有数据库d b ，d b m ( t ) 是，时刻d b ；e e 内存中的数据集，d b m ( t ) d b ；t s 为 所有事务的集合，a t ( t ) 是r 时刻的活动事务集，a t ( t ) t s ：v t a t ( t ) ，口( r ) 为7 1 在f 时刻的操作数据集，口( r ) d b ：若在任一时刻，均有： v t a t ( t ) ，口( r ) d b m ( t ) 成立，则称d b 为一个内存数据库，简记为m m d b ( m a i nm e m o r yd a t a b a s e ) 。 根据上述内存数据库的定义，数据库的“工作版本”将常驻内存，任何一个事务 在执行过程中没有内外存问的数据i o 交换。为此，它需要一定的内存容量，但并不 要求整个数据库都必须常驻在内存。与传统的磁盘数据库相比，即使磁盘数据库的缓 冲区足够大，以致可以容纳所有数据也不能算是一个内存数据库。因为磁盘数据库是 针对磁盘特性、在数据库常驻磁盘的假定下设计的，不仅它的索引结构是针对磁盘存 一一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 取的，而且数据的存取也必须经过缓冲区管理。 内存系统与磁盘系统具有不同的特性，主要表现在以下几个方面5 ： ( 1 ) 内存和磁盘在存取时间上有若干数量级的差别，内存的存取时间在1 0 8 s 的数 量级而磁盘在5 x1 0 3 s 数量级。 ( 2 ) 内存是易失性的，而磁盘是永久性的存储器。当系统断电时，前者所存的信 息立即消失，通电后也不会恢复：后者则反之，断电时保持信息不会消失，通电后即 原样可使用。 ( 3 ) 存储格式不同。内存是字节或字编址的，而磁盘是块存储设备。 ( 4 ) 数据的存储组织方法对性能影响不同。不同的组织方式对磁盘的性能影响远 比对内存影响大，如顺序存取与随机存取的时间对内存没有什么变化，而对磁盘则有 数量级的差别。 ( 5 ) 存取方式不同。内存可由中央处理器直接存取，磁盘则不能，内存比磁盘更 易于受到来自程序错误的直接数据破坏。 由上述分析可见，内存数据库的设计与磁盘数据库的设计完全不同，特别是在物 理数据的组织、数据的索引策略上要求采用适应内存特点的数据结构和算法。 3 2 1内存数据库的存储结构 一个用于数据处理的计算机系统都有一个多层结构的存贮子系统。基于m m d b 的定义，m m d b 采用了如下类似的数据存储层次结构【3 4 ，如图3 1 所示。 图3 - 1 m m d b 存贮空间结构 在整个m m d b 中，主存贮器( p r i m a r ys t o r a g e ) 是易失内存m l ( v o l a t i l e m e m o r y ) ， 它存放支持各事务的工作数据，故称为m m d b 的“工作版本，j o - d b ( o 瓶c i a id a t a b a s e ) 。 一。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 它由事务直接存取，一般事务也只与它打交道，所以o - d b 的组织也必须适应这种特 征，它的具体组织将在后面详细讨论。 由于m 1 是易失的，需要一定量的n v r a m 作为临时的固定存储器m 2 ，用以存 储一些活动的临时性数据，称为“临时版本”t d b ( t e m p o r a ld a t a b a s e ) 。其中的数 据再依其永久性要求的不同而决定移或不移到磁盘固定存储器m 3 上。 m 2 是m 1 的延拓，所以o d b 和t d b 统称为m m d b 的“内存版本，m d b ( m e m o r y d a t a b a s e ) 。目前在m m d b 环境下，实现n v r a m 的有效技术还只有电池备用的一 般随机存取存储器b b r a m ( b a t t e r yb a c k u pr a m ) 和u p s ( u n i v e r s a l p o w e r s u p p l y ) 。 m m d b 的定义并没排除内存放不下整个数据库的情形，所以磁盘存储器m 3 用来 存放不在内存的数据库部分，当然还要存放用作恢复的数据库备份。这部分数据库统 称m m d b 的“外存版本”s d b ( s e c o n d a r y d a t a b a s e ) 。 这种m m d b 存贮体系结构是基于m m d b 的定义、考虑了各种数据的应用语义与 特征和系统功能的实现的，因而是合理可行的。 3 2 2 内存数据库的物理数据组织 m m d b 系统的主要目标是提供各种操作的高速执行、紧凑的数据结构和高效的空 间利用率，因此其存贮结构、索引结构、中间数据存贮结构都必须考虑内存的直接存 取这一特征。目前有一些适合于m m d b 盼物理组织方法，如：区一段式、影子式等阢 j “圳。 区一段式是一种应用较多的组织方法，其组织是基于关系数据模型的。它将存贮 空间按逻辑划分为“分区”，每一分区存贮一个关系，它物理地由若干“段”组成。 一个段是内存中一固定长度的连续区域，它相当于“页”，是内外存i o 的单位，也 是内存空间分配及内存数据库恢复的单位。 影子式将内存数据库空间划分为两部分：m m d b 的主拷贝和影子拷贝。在事务的 正常操作期间，每次查询都产生一个分别对应于影子拷贝和主拷贝的双地址，且总是 先对影子拷贝试探，若不成功，再对主拷贝操作。影子式可减少日志缓冲区，减少对 主拷贝的存取，各事务可并行对各影子拷贝操作。