（电力系统及其自动化专业论文）继电保护及故障信息系统数据建模和应用研究.pdf

山东大学博士学位论文 信息模型，应用信息模型分为一次系统公共信息模型和二次系统公共信息模型。 一次系统公共信息模型的结构直接引用c 6 1 9 7 0 c i m ，针对专业特点，对c i m 进行了适当的扩展，以满足系统计算和管理特殊需要。二次系统公共信息模型是 基于c 6 1 8 5 0 信息模型与i e c 6 1 9 7 0 一c i m 的一种协调模型，体现为继电保护及故 障信息系统通信环节的信息模型在i e c 6 1 9 7 0 - c i m 中的视图表示。 为了使系统特定业务能够通过以继电保护专业特定的应用语义访问二次系统 c i m ，并达到系统应用功能的“即插即用”和互操作，本文提出了面向业务的应 用语义空间的结构和应用语义空间发布方法。应用语义空间是一个面向继电保护 及故障信息系统各种业务的、具有上下文层次关系的、表现出多维特征的语义约 定的集合。应用语义空间发布方法以i e c 6 1 8 5 0s c l 为基础对继电保护及故障信 息系统的各功能层次进行了配置描述。为了使建模方法适用于整个系统，能够对 全系统的任何资源对象进行唯一标识，而不再局限于变电站内部，对i e c 6 1 8 5 0 s c l 的某些元素进行了扩展，扩展后的描述方法能够兼容砸c 6 1 8 5 0 6 的s c l ， 并能够全系统统一建模。 目前继电保护及故障信息系统对系统发生故障时电压、电流采样值中所蕴涵 的大量的故障信息没有深层次地挖掘。真正用于系统参数的评估及暂态过程分析 的内容还很少，针对上述问题，本文提出了基于故障录波数据的高级数据应用。 对故障录波数据所涉及的基本分析算法进行了分析总结，将故障录波数据转换为 标准的c o m t r a d e 格式，从中提取出故障电压和电流的暂态数据，采用离散傅立叶 变换和快速傅立叶变换对电压和电流的暂态波形进行了频谱分析，编写了相应的 算法对衰减非周期分量特性进行特性分析。 关键词：继电保护，故障信息系统，i e c 6 1 8 5 0 ，通信信息模型，自动配置，故 障录波，傅立叶变换 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h eg o a lo fr e l a yp r o t e c t i o na n df a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m ( r h s ) i sm o n i t o r i n g a n dm a n a g i n go p e r a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o n i ti sat e c h n o l o g ys u p p o r ts y s t e ma sw e l l a sa l li n f o r m a t i o ns u p p o r t , a s s i s t a n ta n a l y s i sa n dd e c i s i o ns y s t e m t oe n h a n c et h el e v e l o fi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ti nc o n t r o lc e n t e ra n dc o n t r o le v e r yp a r to f 砸di ns u b s t a t i o n , t h es y s t e mi sm u s tb ee s t a b l i s h e d i th a si m p o r t a n tt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u et o r e s e a r c ht h er e l a t e dt h e o r e t i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m h o w e v e r , t h e r ei sf e wp e o p l e r e s e a r c ht h es y s t e mo ni t ss t z l l c t n r e , c o m m u n i c a t i o na n da p p l i c a t i o n t h ed i s s e r t a t i o n d o e sm u c hr e s e a r c ho nt h es y s t e ma n dt h e nd r a w sv a l u a b l ec o n c l u s i o n s f o rt h er e l a yp r o t e c t i o na n df a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m , an e wh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e i sp r o p o s e d t h es t x a l c t u r ei sd i v i d e dt h r e el a y e r s ：c o m m u n i c a t i o nl a y e r , d a t al a y e ra n d a p p l i c a t i o nl a y e r t h ei n t e r f a c eo fe v e r yl a y e ri sd e f m e d t h es t r u c t u r es i m p l i f i e st h e d e s i g no fr f i s o nt h eb a s eo ft h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n du s et h em o d e l i n g m e t h o d so fi e c 6 1 8 5 0 a n dt h e n ，t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fr f i si ns u b s t a t i o n p a r ta n dc o n t r o l c e n t e rp a r ti sd e f m e d t h es e l f - c o n t a i n e dc o m m u n i c a t i o nm o d e l b a s e do nt h ef u n c t i o ni sp r o p o s e d t h es u b s t a t i o nd e v i c ea n dc o n t r o lc e n t e rd e v i c eo f r f i si sm o d e l e da sl o g i c a ld e v i c e ( u ) ) a n dl o g i c a ln o d e ( l n ) t h el e g a c yd e v i c e s a n dp r o c e s sd a t ai sa l s oc o n s i d e r e da n di sw r a p p e da su do rl n t h ei n t e r o p e r a b i l i t y i nr f i si sr e a l i z e dt h r o u 班a b o v em e t h o d s ah e wm a p p i n gf r o mi e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 1 0 4t oi e c 6 1 8 5 0i sp r o p o s e d u s i n g s p e c i f i e dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p p i n g ( s c s m ) f o rr e f e r e n c e ，t h em a p p i n g m a p p e dt h ea p p l i c a t i o ns e r v i c ed a t au n i t ( a s d u ) o fi e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 1 0 4t ot h e c o m m u n i c a t i o nm o d e ls u c ha ss e r v e r , l o g i c a ld e v i c e ，l o g i c a ln o d ea n dd a t ao f i e c 6 1 8 5 0i n p r o c e s sl a y e r a p p l y i n g t h e m a p p i n g ，t h e d e v i c e s u s i n g i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 1 1 0 4c a l lc o m m u n i c a t ew i t hd e v i c e su s i n gi e c 6 1 8 5 0 ，w h i c he n h a n c e d t h ec o m p a t i b i l i t yo fr e l a yp r o t e c t i o na n df a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m an e wa p p l i c a t i o nm o d e lo fr f i si sp r o p o s e d t h em o d e li sc o m p o s e do fp r i m a r y 山东大学博士学位论文 s y s t e mc o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c v da n ds e c o n d a r ys y s t e mc o m m o n i n f o r m a t i o nm o d e l t h ep r i m a r ys y s t e mc i mc i t e si e c 6 1 9 7 0a n de x p a n d sn e w e l e m e n t sa n da t t r i b u t e s ，w h i c hi su s e df o rs e t t i n gc a l c u l a t i o na n dd e p a r t m e n t m a n a g e m e n t t h es e c o n d a r ys y s t e mc i mh a r m o n i z e si e c 6 1 9 7 0c i mw i t hi e c 6 1 8 5 0 c o m m u n i c a t i o nm o d e l i ti sas h o wo fi e c 6 1 8 5 0m o d e la p p l y i n gi e c 6 1 9 7 0c i m f o r m a l f o rt h es p e c i f i e da p p l i c a t i o nc a l la c c e s ss e c o n d a r ys y s t e mc i mt h r o u g hs p e c i f i e d a p p l i c a t i o ns e m a n t i c aa p p l i c a t i o ns e m a n t i cs p a c eo r i e n t e dr f i so p e r a t i o ni sd e f m e d t h em a p p i n go fa p p l i c a t i o ns e m a n t i ci sd e f i n e da sw e l l t h es e m a n t i cs p a c ei sd e f m e d t h r o u g hm e al a n g u a g e ，a n d i sac o n t e x t - s e n s i t i v e , m u l t i d i m e n s i o n a ls e m a n t i c a g g r e g a t i o n t h ep u b l i s hm e t h o do fa p p l i c a t i o ns e m a n t i cs p a c ei sp r o p o s e d i e t h ec o n t e n ta n d d e s c r i b i n gm e t h o do fa u t o m a t i cc o n f i g u r a t i o n i sd e f i n e d t oa p p l yt h em o d e l i n g m e t h o di ns u b s t a t i o na n dc o n t r o lc e n t e r , a l lr e s o u l - c oo b j e c ti nr f i si si d e n t i f i e d , w h i c h i sr e a l i z e dm a i n l yt h r o u g he x p a n d i n gs o m ee l e m e n t si ns u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n l a n g u a g e ( s c l ) o f l e c 6 1 8 5 0 t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e st h ed a t am o d e la d v a n c e da p p l i c a t i o nb a s e do nf a u l t d i g i t a lr e c o r do fr f i s t h ep r i m a r ya l g o r i t h mr e l a t e dw i t hd i g i t a lf a u l tr e c o r di s a n a l y z e da n dc o n c l u d e d a l ld i g i t a lf a u rr e c o r di st r a n s f e r r e di e e ec o m t r a d e f o r m a t , a n dt h e nt h et r a n s i e n tw a v e f o r mo fv o l t a g ea n dc t t r r e n ti sd i s t i l l e d t h r o u g h d f ta n df f ra l g o r i t h m s - t h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo ff a u rv o l t a g ea n df a u rc u r r e n ti s d e s c r i b e d a tt h es a m et i m e , t h ed i 【g i t a lf a u l tr e c o r dd a t ai su s e dt 0a n a l y z et h et r a n s i e n t c h a r a c t e ro fd e c a y i n gd cc o m p o n e n t sa n dd r a wv a l u a b l ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ；i e c 6 1 8 5 0 ；c o m m u n i c a t i o ni n f o r m a t i o nm o d e l ；d a t as e r v i c e i n t e r f a c e ；a u t o m a t e dc o n f i g u r a t i o n ；d i g i t a lf a u l tr e c o r d e r ；d f t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：查2 叁至日期：丝丝鱼翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈导师签名：论文作者签名：旦竺士导师签名： 山东大学博士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着科学技术的发展，特别是微计算机技术和通信技术的发展，电 力系统继电保护在原理上和技术上都有了很大的变化。以微处理器为核心的数字 式保护已成为继电保护的主流产品，在各种电压等级的电力系统中获得了广泛的 应用，使继电保护的性能得到了很好的完善。但在已有的微机保护装置中，在设 计上主要着重于保护功能本身，在数据共享及分析方面考虑较少。当电网发生故 障时，缺乏有效的手段将保护的动作情况及故障信息主动上送到调度中心，调 度中心的运行人员通常只能靠变电站当地的运行人员的口头汇报进行事故处理， 对故障测距、阻抗分析、保护动作统计等功能的实现均停留在自动化程度及智能 化程度较低的水平。 与变电站自动化、调度自动化技术的发展水平相比，继电保护、安全自动装 置和故障录波器作为电网的重要组成部分，在调度运行管理方面的信息化、智能 化水平已经相对落后，技术手段已经不能满足调度运行管理自动化的需要。如对 二次装置的监视、控制、管理，为二次装置服务的计算、分析手段，基于二次装 置产生信息的综合分析、利用的信息化、智能化水平都相对较低“3 。 目前，微机型继电保护、安全自动装置和故障录波器已经具备了以数据方式 向电网调度中心传输各种二次装置信息及电网故障信息的能力0 1 。继电保护及故 障信息系统的建设，将从整体上提升电网调度运行管理的信息化、智能化水平， 使二次装置运行、管理的各个环节“可控、在控，实现继电保护专业管理现代化。 继电保护及故障信息系统是一个继电保护运行、管理的技术支持系统，同时 又是一个电网故障时的信息支持、辅助分析和决策系统。它能在正常和电网故障 时，采集、处理各种二次装置信息，并充分利用这些信息，为继电保护运行、管 理服务，为实现继电保护装置状态检修提供前提条件，为分析、处理电网故障提 供支持。 建设继电保护与故障信息系统，已成为继电保护运行管理部门的迫切要求， 深入开展与之相关的理论和技术问题研究，具有重要的理论意义和很高的实用价 t 山东大学博士学位论文 值。 1 2 国内外研究现状 继电保护、安全自动装置和故障录波器等二次装置作为实现电网自动化系统 的智能终端装置，其本身的信息化、智能化水平也很高，但从调度运行管理的角 度讲，对于二次装置的设备管理、运行状态监视、动作定值整定、以及对二次装 置所记录的电网异常或故障信息的综合有效运用分析等，仍然普遍处于较低的自 动化水平，无法满足调度运行管理自动化的要求。鉴于上述原因，原国家电力部 早在1 9 9 4 年在关于开展电力系统继电保护管理工作的决定文件中，就提到了 要建立继电保护管理信息系统的要求。此后，国电公司在一流电网调度机构考 核实施细则、国家电力公司电网二次系统“十五”规划等一系列文件中也对 继电保护运行信息管理系统的建立、实施及考核提出了明确的要求。为了解决继 电保护信息管理方面存在的问题，国内对继电保护及故障信息系统进行了大量的 研究工作。研究方向主要集中在下述领域。 ( 1 ) 系统结构设计 在继电保护及故障信息系统研究的初期阶段，其研究重点主要集中于系统的 结构，系统的基本结构由主站、子站和通信网络构成。其中予站位于变电站、发 电厂侧，主要完成装置接入、数据的接收、处理和转发等；主站位于调度中心侧， 主要完成从予站获取、处理及储存数据，并根据需要实现录波数据分析、电网故 障分析等功能；子站和主站之间通过通信网络相连接【3 】。 早期的通信结构一般采用主从结构，主从机间采用简单的r s - 4 8 5 串行通信， 采用双绞线并联，在功能上也只能简单地实现录波和故障信息的收集和转发，不 能进行数据的处理。 随着计算机技术和网络技术的发展，站内所用的通信采用了现场总线和以太 网技术，装置接入数量、通信速率和实时性，以及可靠性和组网的灵活性都较原 来有了较大的改善；整个系统规模变得更大，不但主站直接连接的子站更多，且 省调、地调和县调各层主站之间也普遍通过i n t e m e t 或电力数据专网实现数据共 享【4 l 。在主站与子站之间一般由电力数据专网作为通信网络，数据传输的可靠性、 稳定性及实时性都有较好保障；有的系统仍然保留拨号网络作为备用通信网络。 2 山东大学博士学位论文 文献 5 】提出了基于c o r b a 的系统结构，文献【6 】提出了比较完整的系统方案。 如图1 - 1 所示 图1 - 1 继电保护故障信息处理系统的设计结构 ( 2 ) 硬件结构、具体功能模块和软件开发 早期的系统在功能上也只能简单地实现录波和故障信息的收集和转发，不能 进行数据的处理；主站只能与较少数量的子站相连接，构成系统规模较小，只能 实现与子站通信、显示打印子站上送的波形和故障信息等数据，进行双端测距分 析等简单功能。 随着计算机技术和网络技术的发展，其功能也由简单的收集转发发展到了各 种后台分析功能，如故障测距、谐波分析、向量分析功率分析、继电器动作特性 及轨迹分析( 阻抗轨迹分析) 、序分量分析、差动再现和数值分析等 7 1 。并可以对 故障数据和录波数据进行简单的处理，如将录波数据转换为c o m m a d e 格式；主站 侧的功能也逐渐得到增强，除了原有的故障信息及录波数据分析外，设备管理、 运行管理、定值计算、统计分析等专业管理也纳入了继电保护及故障信息系统的 范畴 a 3 1 9 1 。 ( 3 ) 通信协议 由于继电保护站内装置种类繁多、型号复杂，各厂家所用规约各不相同，通 山东大学博士学位论文 信协议的使用与转换也是一个关键问题。文献 1 0 】从通信协议的角度出发，对子 站需处理的信息类型、主站与子站通信的物理接口、链路层和网络层规范、通信 报文的规范设计进行了深入分析，文献 n l 和文献 1 2 】对i e c 6 1 8 5 0 在继电保护及 故障信息系统中的使用阐述了自己的观点。 文献【1 3 】从系统的专业特点出发，针对s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ， 同步数字传输体系) 、t c wi p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l ，传 输控制协议，因特网协议) 和光纤通信的特点，提出了光纤+ s d h + i p 继电保护及 故障信息网络传输模型。指出采用光纤+ s d h + i p ，能够传送继电保护及故障信 息系统所有类型的业务，这对电力系统远方传送的控制、保护信息等关键业务是 至关重要的。 ( 4 ) 系统通信数据建模 随着继电保护及故障信息系统的不断发展和成熟，新的问题也不断出现，由 于电网规模的不断扩大，调度和管理的范围也不断扩大，对系统信息共享和系统 间的互联互通提出了更高的要求，文献 1 4 1 6 没有探讨具体的通信和功能问题， 而是指出了系统在数据建模和通信建模上存在的一般性问题，并提出了解决这些 问题的初步思路。 ( 5 ) 对基于故障录波数据的应用探讨 多年来，故障录波装置已成为分析系统事故，特别是分析继电保护动作行为 的重要依据。目前各网( 省) 调已相继完成以实现全网故障录波数据远传为主要目 标的联网工作，获取全网数据已经成为可能。继电保护及故障信息系统包括对故 障录波器的管理，因此可以对故障录波数据进行分析，获得电网故障时的各项信 息量的暂态特性规律，提高电力系统调度和运行的水平，提高对电力系统事故的 快速反应能力。文献 1 7 1 1 1 8 提出了基于故障录波数据的“软保护”概念，充分发 挥录波数据的优势，完成对电网复杂故障的精确定位，并对硬件保护( 考虑后备配 合关系) 进行评价。文献 1 9 1 贝j j 是利用故障录波数据对线路保护进行评价。文献 2 0 提出一种采用微机故障录波数据的保护特性分析方法，重点介绍了主要的分析和 计算方法：录波数据预处理的主要算法、基频分量算法、谐波分析算法、相量故 障分量检测算法、测频算法、故障类型与相别判断方法、测量阻抗轨迹显示方法、 继电器动作校验方法。对软件的使用方法和应用示例进行了简要说明。这些研究 4 山东大学博士学位论文 工作都为继电保护及故障信息系统数据模型的高级应用和分析提供了很好的思 路。 上述研究从不同角度出发，针对不同问题做了大量基础性工作，为继电保护 及故障信息系统的完善和发展奠定了很好的基础，但由于继电保护及故障信息系 统本身的复杂性，目前系统还有许多问题没有解决。在系统结构上，没有考虑与 e m s ，变电站自动化，调度自动化等系统的互联，即使讨论到异构系统之间的互 联，也没有具体的解决方法；过于注重硬件和软件的开发，没有对该系统所应具 有的功能进行系统的总结；数据平台结构没有统一标准，通信协议使用混乱。系 统数据( 主要是故障录波数据) 的应用局限于故障定位、谐波分析等初级应用， 对系统发生故障时电压、电流采样值中所蕴涵的大量的故障信息没有深层次地挖 掘。 随着i e c 6 1 8 5 0 标准和i e c 6 1 9 7 0 标准的正式发布，无缝通信体系的概念出现 2 1 1 。所谓无缝通信体系是指在变电站内、变电站与主站端之间采用统一的通信协 议体系，从而实现装置到子站系统、子站系统到主站系统的无缝通信。建立无缝 通信体系是变电站自动化系统的发展方向，继电保护及故障信息系统与变电站自 动化系统关系密切，因而无缝通信体系也集中了大量的研究。统一模型和抽象通 信服务是建立无缝通信体系的两项重要内容，在文献和 2 2 - 2 4 1 中对这两点进行了 详细的论述。 建立无缝通信体系还要求系统与s c a d a 数据库，即i e c6 1 9 7 0 数据模型协 调一致，在文献 2 5 】以及i e c 第5 7 技术委员会的报告中提及了利用继承和关联 关系将二者联系起来的思路。 目前，国家电力公司委托山东电力集团公司组织制定的继电保护及故障信 息管理系统技术规范( p r f i s 技术规范) 亦将很快定稿。在标准的制定过程 中，对系统的结构功和目前系统存在的问题进行了深入研究，借鉴了m c 6 1 8 5 0 和i e c 6 1 9 7 0 的建模思想，对继电保护及故障信息系统的系统结构、通信信息模 型、映射、公共数据服务接口和系统配置描述等方面做了详细规定，本论文即是 在参与标准制定全过程的基础上，探讨了继电保护及故障信息系统的建模问题并 在此模型基础上初步开发了基于故障录波数据的高级应用。 5 山东大学博士学位论文 1 3 论文的主要工作 本论文从继电保护及故障信息系统的系统结构和设计入手，在系统通信结构 建模，数据建模和系统自动配置等方面开展了深入的研究，提出了系统设计方法 和实用方案，论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 针对目前继电保护及故障信息系统存在的接入装置或系统采用的通信协 议互不兼容，无法实现装置或系统之间的互操作的问题，提出了继电保护及故障 信息系统的分层通信结构。以分层结构为基础，借鉴i e c 6 1 8 5 0 的建模思路，深 入分析了继电保护及故障信息系统中子站和主站的通信功能并进行分层划分，开 发了继电保护及故障信息系统主站和子站的完备的通信信息模型，对子站管理机、 非兼容的i e d 和过程数据的封装进行了详细的描述。为系统的开放性、可扩展性、 可维护性创造必要条件；减少了数据存储的冗余；实现复杂性的就地封闭；从而 降低系统总体成本，特别是系统维护的成本。 ( 2 ) 为了将采用1 0 3 1 0 4 通信协议的老装置纳入新的i e c 6 1 8 5 0 通信体系， 解决新旧系统通信的兼容性问题，在深入研究i e c 6 1 8 5 0 的映射结构特点的基础 上，本文提出了将m c 6 1 8 5 0 到正c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 1 0 4 规约的映射方法和思路，在 过程层将a c s i 中提供的过程层服务映射为i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 1 0 4 的a s d u ( 应用 服务数据单元) 来交换信息，并提出了具体的通信方案。 ( 3 ) 针对目前继电保护及故障信息系统在应用层存在的数据模型平面化、信 息语义和通信语法耦合过于紧密的问题。本文提出了继电保护及故障信息系统的 应用信息模型，该模型以i e c 6 1 9 7 0 的通用信息模型c i m 为基础，对其进行了扩 展( 即增加新的类、属性或关联) ，定义了一次系统c i m 和二次系统c i m ，以适 应继电保护及故障信息系统应用开发的特殊需要。 由于继电保护及故障信息系统的二次装置模型引用了i e c 6 1 8 5 0 的通信信息 模型，本文还提出了一次系统模型和二次装置模型之间的协调机制，使一次系统 和二次系统有机的统一起来，为将来的无缝通信系统提供一个可以借鉴的思路。 此外，为了使特定业务能够通过以特定的应用语义访问二次系统c i m ，本论 文提出了面向业务的应用语义空间，应用语义映射描述方法以及语义空间的配置 描述。语义空间的配置信息描述引用c 6 1 8 5 0 6 规定的s c l 。为了使建模方法 适用于整个系统，对i e c 6 1 8 5 0 - 6 s c l 的某些元素进行了扩展，使其能够对全系统 6 山东大学博士学位论文 的任何资源对象进行唯一标识，实现全系统范围的统一建模。 ( 4 ) 目前继电保护及故障信息系统对系统发生故障时电压、电流采样值中所 蕴涵的大量的故障信息没有深层次地挖掘。真正用于系统参数的评估及暂态过程 分析的内容还很少，针对上述问题，本文提出了对继电保护及故障信息系统的数 据高级分析和应用研究思路，分析了电力系统暂态数据交换通用格式 ( c o m t r a d e ) 。利用插值拟合算法、离散傅立叶变换和快速傅立叶变换对故障 电压和电流的波形频谱的特性进行了研究，从故障录波数据中提取衰减非周期分 量信息，并对其特性规律进行了分析，并得出有价值的结论。 7 山东大学博士学位论文 第二章系统通信模型的构建 从目前继电保护及故障信息系统的研究现状来看，系统在通信层面还存在接 入的装置采用的通信协议和配置方式互不兼容，无法实现装置之间的互操作，产 生该问题原因主要在于现有装置各自的通信模型和配置和具体通信协议耦合过于 紧密，又没有一个适合于继电保护及故障信息系统的标准通用信息模型，从而造 成系统内部装置之间以及不同的系统之间互操作性无法实现。本章针对上述问题 提出了系统分层结构及与之相适应的结构化通信模型，将通信功能模型与具体实 现其功能的通信协议解耦。解决了装置和系统的互操作问题。 2 1 继电保护及故障信息系统的系统设计结构 图2 - 1 系统分布特征示意图 继电保护及故障信息系统涉及面广，需要考虑继电保护、调度运行、变电运 行和管理等多方面的需求；功能复杂，涉及n - - - 次装置的实时监测和控制、电网 故障的自动分析、继电保护动作行为的自动分析、继电保护相关计算分析、继电 保护专业管理等方面的几十个应用功能。跨地域，跨系统，接入设备种类多，需 要与变电站自动化、调度自动化、d m i s 等系统互联并兼容各种不同厂家、不同 型号的保护、录波器等自动装置。数据和信息复杂。考虑到各种可能通信连接和 山东大学博士学位论文 专业应用，其完整的结构应如图2 1 所示。 图2 一l 中子站系统通过网络( 或者专线、载波等) 的方式连接到主站系统， 同一个子站系统可以连接到多个主站系统。主站系统通过电力调度数据网络连接 在一起，不同区域的主站系统可能分属不同的通信网络。子站系统将采集到的所 有数据发送到直连的主站系统。主站系统作为数据集中者，通过数据服务向其它 主站系统提供接入的子站系统数据；同样，主站系统也可以访问到分布在其他主 站系统中的子站数据。从上面的结构来看，一方面，系统呈现为自然分布特征， 使得数据在物理上处于分布状态；另一方面，主站系统不仅需要所有直连子站系 统的数据，而且还可能需要其他非直连子站的数据，使得数据在逻辑上存在被“集 中”使用的可能。系统应采用分层、分布式结构。分层可以简化系统设计，为系 统的开放性、可扩展性、可维护性创造必要条件。分布可以减少数据存储的冗余， 实现复杂性的就地封闭，从而降低系统总体成本，特别是系统维护的成本。根据 上述的系统特点和要求，本文提出了继电保护故障信息系统的分层结构，如图2 2 所示。 i应用两 乎怒 1 数据 字璧k 。 l 通信 应用层 数据层 通信层 图2 2 系统分层结构参考模型图 该分层结构自下而上包括通信层、数据层、应用层三层：通信层用于屏蔽具 体的通信方式和通信协议，以便于对信息交换方式进行规范。数据层用于屏蔽具 体的数据库特征和数据分布特征，以便于对数据服务方式进行规范。应用层体现 了继电保护及故障信息系统的主要功能，建立在通信层和数据层之上。通信层和 数据层之间通过信息交换接口交换通信数据模型。数据层和应用层只间通过数据 服务接口交换应用数据模型。为了简化应用功能的开发，可以在应用层构建支持 9 山东大学博士学位论文 系统。在这个分层结构中，若要达到系统内部和系统间无缝通信和装置之间能够 互操作的目标，需要解决的关键问题就是构建数据服务接口和信息交换接口数据 模型。数据服务接口和信息交换接口包括如图2 3 所示的三种类型。 主站层 子站层 装置层 i主站a 专 逻辑接e l 蕈 t ：i i i ：i ：i l j 物理谩口 i装置a 1 1 图2 3 系统的通信环节示意图 其中，接口1 代表站内智能装置与子站系统的通信；接口2 代表站内子站系 统与主站系统的远程通信；接口3 代表主站系统之间的通信。接口1 是智能装置 的对外通信接口，i e c 6 1 8 5 0 标准对该接口的通信信息模型做了完备的规定。可 以直接引用。 在子站层，系统的子站仅表现为智能装置信息服务的一个客户，子站系统必 须适应包括i e c 6 1 8 5 0 在内的各种智能装置的通信协议。为了屏蔽各种智能装置 通信协议和通信语义的差异性，需要规定一种代理机制，以适应站内的各种通信 协议，并完成站内信息语义的统一，实现站内智能装置接入继电保护及故障信息 系统后的自动配置及自适应。 对于接口2 ，必须建立能够传输保护相关二次信息的远程传输机制。 对于接口3 ，必须建立支持主站系统之间的信息共享机制。 因此对于上述接口必须制定一种统一的数据访问方式以及统一的数据访问语 义，方便各种应用组件的开发和集成。其内容包括统一信息交换接口的形式和时 序。统一应用接口的数据访问形式。为了使上述信息交换和数据服务方法所承载 的信息在结构和语义上具有一致性，还需要统一信息模型结构和语义。 i e c 6 1 8 5 0 标准的制定，为继电保护及故障信息系统的通信数据接口建模提供 l o 山东大学博士学位论文 了很好的思路。“。i e c 6 1 8 5 0 的信息模型具有很强的信息表达能力，适合于继电保 护及故障信息系统对二次信息传输方法的需要。i e c 6 1 8 5 0 的信息交换模型能够传 输变电站的所有信息，适合于对二次信息建模的需要；采用了抽象通信服务与具 体的通信协议栈分离的机制，满足了对通信技术发展适应性的要求。i e c 6 1 8 5 0 的 变电站配置描述语言，适合于继电保护及故障信息系统的统一建模描述。因此借 鉴i e c 6 1 8 5 0 的通信模型建模方法能够很好的解决上述问题”1 。 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准的建模思路 i e c 6 1 8 5 0 是变电站自动化系统( 甚至会延伸到其它系统) 面向未来的通信标 准。侧，主要由信息模型、信息交换模型、信息建模描述方法组成。图2 _ 4 是 i e c 6 1 8 5 0 标准的结构体系。”： 图2 _ 4 c 6 1 8 5 0 标准的结构体系框图 i e c 6 1 8 5 0 的通信体系结构1 3 4 1 ，按照信息模型呻州、抽象通信服务接口( a c s i ) 、特定通信服务( s c s m ) 映射三个层次定义。信息模型代表了通信环节中 的信息语义约定以及语义上下文结构。抽象通信服务接口( a c s i ) 定义了一套面 向信息模型的传输服务，向下不依赖于特定的通信协议栈。特定通信服务映射 ( s c s m ) 规定了将抽象通信服务映射到不同的通信协议栈的方法。通信协议栈 可以是任何满足系统性能和安全性要求的信息传输协议集陟4 “。 i e c 6 1 8 5 0 的一个主要目标就是实现“互操作性”( i n t e r o p e r a b i l i t y ) “2 1 。互操 山东大学博士学位论文 作性依赖两个基础：通信模型( c o m m u n i c a t i o nm o d e l ) 和信息模型( i n f o r m a t i o n m o d e l ) 。按照传统的概念可以将通信模型对应为通信协议，包括通信的语法和协 议数据的语义，解决数据互通问题：而信息模型包括模型结构和模型的语义约定， 解决数据的相互理解问题。与以往的通信标准相比，i e c 6 1 8 5 0 最重要的是对信息 模型的详细语义作出了形式化的约定，在采用i e c 6 1 8 5 0 时首先必须符合其信息 模型结构：其次对信息模型语义进行裁减和扩充，形成具体应用采用的语义空间 ( i e c 6 1 8 5 0 规定采用s c l 语言1 进行空间的描述) ；最后选择特定的通信协议栈， 并实现抽象通信服务接口( a c s i ) 的映射。 物理装置( i e d )l 例如间隔单元( 名称非标准化) 实现 逻辑设备( l d )i 例如保护功能( 名称非标准化) 组合 望塑堇直! ! 盟!i p d i s ( 距离保护) 上数据 数据对象( d o ) x 1 ( a s g ) ( 正序阻抗) m i n v a l ( 最小值) m a x v a l ( 最大值) 图2 5i e c 6 1 8 5 0 层次化信息模型 c 6 1 8 5 0 信息模型按照服务器，逻辑设备，逻辑节点和c d c 类的分层结构 定义”，其分层结构如图2 5 所示。该模型以逻辑节点( l n ) 为基本的功能单 位。逻辑节点由数据项( d a t a ) 构成，数据项的类型为公共数据类( c d c ) ，公共 数据类用数据属性( d a ) 定义；任何智能装置( 正d ) 由若干逻辑装置( l d ) 实 例组成，逻辑装置实例包含若干个逻辑节点实例。逻辑节点( l n ) 的名称及语义、 u q 中数据对象( d o ) 的名称及语义属于i e c 6 1 8 5 0 的约定范围，具有一致的含 义。逻辑设备( l d ) 和物理装置( d ) 的名称不属于c 6 1 8 5 0 的约定范围， 由系统配置时设定，不具有约定的语义，为了形成上述约定，c 6 1 8 5 0 采用了面 向对象的方法，将其分为抽象模型类、公共数据类( c d c ) 、兼容l n 及数据项 ( d a = r a ) 等部分。对用于信息建模的各种模型类作出规定，例如l d ，l n 和d a t a 等的基本结构和基本语义，其语义约定属于s c a d a 语义。c d c 的定义包括各种 1 2 墼 山东大学博士学位论文 可用的数据类型，例如模拟量定值( a s g ) 、单点信号( s p s ) 、双点信号( d p s ) 等，数据类型及其数据属性的语义约定也属于s c a d a 语义。 i e c 6 1 8 5 0 中与变电站相关的语义约定包括兼容1 2 4 及其d a t a 定义，所谓兼 容l n 就是抽象l n 的面向对象继承，所包含的d a t a 是相应c d c 的继承，m c 6 8 5 0 对兼容l n 及其d a t a 的名称规定了专用的语义，例如图中的逻辑节点p d i s 是 抽象l n 的继承，代表距离保护，它包括的数据项x i 是c d c 类型a s g 的继承， 代表正序阻抗。通常情况下用于信息交换的通信服务是一种交互方法的交互时序 的约定，并不具有信息语义，但是由于i e c 6 1 8 5 0 采用面向对象技术将通信服务 与信息模型进行了封装，使通信服务也连带有一定的信息语义，即代表了“传送 的是什么信息”。 用于构成i e c 6 1 8 5 0 结构化模型的类似信息语义承载的主体，分为以下几类： 具有应用语义的模型类。例如l n ( 逻辑节点) 、d a t a ( 数据) 及其数据属性等， 它们与变电站自动化应用语义有着紧密关系，代表着应用功能的构成，用于形成 信息的交换语义。 具有结构语义的模型类。例如s e r v e r ( 服务器) 、l d ( 逻辑设备) 等，它们 与自动化系统的结构相关，用于形成类似“) d 【站一x x 设备的一x x 功能发生了 一x x 情况一及具体参数数据”的层次结构上下文语义。 具有操作语义的模型类。例如s u b s t i t u t i o n ( 取代) ，c o n t r o l