新一代智能变电站继电保护故障可视化分析方案

DOI:10.7500/AEPS20130816002新一代智能变电站继电保护故障可视化分析方案李宝伟1,2,倪传坤1,李宝潭1,文明浩2,王　莉1,黄继东1(1.许继集团有限公司,河南省许昌市461000;2.强电磁工程与新技术国家重点实验室,华中科技大学,湖北省武汉市430074)摘要:阐述了新一代智能变电站中继电保护故障记录信息流方案,指出了继电保护故障可视化分析的应用方式。分析了电力系统图形描述规范(G语言)表达图形的方法,并对继电保护逻辑图进行了研究和抽象。在此基础上,提出一种应用G语言表达继电保护逻辑图的方法,并进一步提出了继电保护故障可视化分析的整套方案。该方案中,继电保护装置采用G语言对其保护逻辑图进行自描述,后台服务器采用通用的G语言解析工具对继电保护装置的逻辑图形文件进行解析和可视化回放分析。该方案解决了不同厂家设备间的兼容性和互操作性问题,以及保护逻辑图与保护程序不匹配的问题,具有软件处理简单、通用性强、可靠性高、易于实现的优点。关键词:智能变电站;继电保护;G语言;可视化;故障分析收稿日期:2013-08-16;修回日期:2013-10-28。0　引言继电保护装置作为电力系统的重要组成部分,在系统发生故障时快速切除故障设备,从而保证了系统的安全运行,但若其不正确动作也会对系统造成危害[1]。电力系统故障分析和继电保护动作行为评价,一直是继电保护工作者所面临的问题。传统的故障分析方法一般是打印保护装置动作报告、动作录波,查看故障录波器录波进行分析[2],不仅较为繁琐,而且只能看到保护装置最终的动作状态,无法对其内部工作情况以及潜在问题进行分析。新一代智能变电站提出全面支撑调控一体,助力电网发展方式转变[3]。基于一体化信息平台方式[4]的智能告警及故障信息综合分析决策技术是智能变电站高级应用的重要技术之一[5-6]。在故障情况下对包括事件顺序记录信号及保护装置、故障录波等数据进行数据挖掘、多专业综合分析,并将故障分析结果以简洁明了的可视化界面综合展示。智能变电站信息规范提出,保护装置动作时应将内部关键逻辑动作情况生成中间节点信息,并且要求中间节点信息满足逻辑图展示要求,以时间为线索,可清晰再现故障过程中各保护功能元件的动作逻辑及先后顺序,通过对保护装置内部保护逻辑的分析,防止潜在问题的存在。考虑到各厂家装置内部逻辑存在差异,各厂家应提供可嵌入调用的展示软件,与装置型号匹配。但所定义的中间节点文件仅包含节点动作状态,没有保护逻辑图以及保护逻辑图与中间节点数据的关联关系,如果保护逻辑图及其关联关系包含在展示软件中,在实际工程应用中会存在数据和保护逻辑图的匹配问题,而且不同厂家提供的逻辑图风格也存在差异。本文分析了新一代智能变电站的继电保护故障记录信息流方案,给出了继电保护故障可视化分析的应用模型。研究了电力系统图形描述规范(G语言)表达电力系统图形的方法,以及继电保护逻辑图。在此基础上,提出一种继电保护逻辑图的自描述方法,并给出一种继电保护故障可视化分析方案。1　全站保护信息流图1所示为新一代220kV智能变电站的继电保护故障记录信息流方案。*4*=4+K%

E4E4@=44 *

A A3 @@=40*K 24D/KK0D/44044+6*@024
/E4*0)24  

K.=4D/@10kV =4111111111112121212


图1　220kV智能变电站保护信息流Fig.1　Protectioninformationflowin220kVsmartsubstation—37—第38卷　第5期2014年3月10日Vol.38　No.5Mar.10,2014　　图中:数据11为继电保护装置的动态逻辑及中间节点信息,数据接收方为监控主机、Ⅰ区数据通信网关机(调度中心)、动态记录装置;数据12为故障录波信息,用于分析展示,数据接收方为Ⅱ区数据通信网关机(调度中心)、综合应用服务器。根据保护动作记录信息流分析继电保护故障可视化分析的应用方式,综合应用服务器采集装置的中间节点数据,基于可视化展示技术,结合保护装置逻辑图及其内部各级监视点的数据进行分析。2　G语言概述针对基于可缩放矢量图形(SVG)的公共图形交换格式无法直接表达电力系统图形和模型一体化等不足,国家电力调度控制中心提出了电力系统图形描述规范(G语言)。G语言是在IEC61970-453基于公共信息模型(CIM)的图形交换基础上,所发展起来的应用于电力系统的一种新型的图形描述语言[7]。G语言是一种基于标记的遵循可扩展标记语言(XML)标准的纯文本语言[8]。G语言除定义了基本绘图元素外,还将一些常用的电网图形符号定义为标准的图元模板,以简化图形生成和解析过程。为描述各图元之间的连接关系,G语言还定义了端子和连接线,并定义了图形的颜色显示和消隐方法。因此,G语言具备了描述普通动态二维图形的能力。仅显示图形不是目的,显示图形是为了将数据更加形象和直观地展示出来,因此,就需要将图形与数据进行关联。G语言中每个图元均定义了关键字keyid,用于和数据对象关联,很好地解决了此问题。G语言以图形方式表达电力设备和电网的相关信息,支持高效存取电力图形和模型关联数据,支持不同系统、厂家和电力企业之间的电力图形和模型关联数据的交换,通用性强[9]。因此,需要对继电保护逻辑图进行研究和抽象,研究使用G语言对继电保护逻辑图进行描述的方法。3　保护逻辑图的描述方法本文对继电保护逻辑图进行分析和研究,对其基本组成元素进行抽象,并采用G语言对其进行描述。3.1　保护逻辑图分析继电保护的原理可抽象为阈值比较、逻辑判别、动作计时3个部分。以纵联差动保护为例,装置中间节点动作逻辑示意图如图2所示。图中组成元素为:逻辑“与”、逻辑“或”、逻辑“非”、状态输入、状态输出和连线,对其抽象后可将图形文件分为数据输入、逻辑判别和连线3种类型。其中,数据输入取自中间节点文件,逻辑判别为内部判别功能,连线为各数据输入和逻辑判别之间的逻辑关系。
  C4

&
Y2&Y1&Y3&Y4&Y5&Y6&Y7CA,,A,LA,

1H2

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1H4A,*3,B,LB,B3,C,LC,C3

B
CC,C,,*,*图2　纵联差动保护逻辑示意图Fig.2　Logicdiagramoflongitudinaldifferentialprotection因此,可以用连线来表达各节点间的逻辑关系,而将数据输入和逻辑判别均作为基本元件来引用。3.2　保护逻辑图的基本图元将保护逻辑图的各节点元素均设计为基本元件模板,实际图形中应用时引用模板中的元件。每个元件都有id和keyid属性,初始值均为-1。id用于描述实例化的元件在图形中的序号,keyid用于关联中间节点文件数据、传递数值和判断结果。因此可定义图2中所引用到的基本元素模板。基本绘图元素包括以下几种。①连接线:包含3个keyid,其中keyid1取连线左侧端子的id,keyid2取连线右侧端子的id,keyid3取连线左侧端子的keyid。②端子:用于连线,每个端子包含2个keyid,输入端子的keyid1取连接线的keyid3,keyid2用于逻辑“非”判别,输出端子的keyid1取本元件的keyid,keyid2保留。端子不用于绘图操作,仅包含在基本图元中。基本图形元素包括以下几种。①状态量输入:keyid取中间节点文件中的状态通道号,包含一个输出端子,输出端子的keyid取中间节点文件中对应通道号中的值。②状态量输出:keyid为中间节点文件中的状态信号通道号,包含一个输入端子,输入端子的keyid取中间节点文件中对应通道号中的值。③“与/或”门:keyid为自定义,包含逻辑“与/或”判断,创建空间存储判断结果,包含输入和输出端子,最大支持8进1出。输入端子包含“非”门判断,输入端子id取连接线的id,输出端子id取本元件的keyid。各基本图元含位置坐标属性,图元实例化后该属性用于描述该元件在图形中的放置位置。对于连接线,由于其可能存在多个拐点,因此含多个位置属性,用于表达连接线的位置关系。—47—2014,38(5)　3.3　保护逻辑图的逻辑关系使用预定义的基本绘图元素和基本图形元素进行绘图操作,根据连接线决定各图元之间的连接关系,并将连接关系存储在图元实例中。基本图形元素的id用于描述实例化的元件在图形中的序号,keyid用于关联中间节点文件数据、传递数值和判断结果。以图3为例,图中Y3与外部元件逻辑关系如下:管脚1输入为零序差动A相动作标志,值为1;管脚2输入为A相电流互感器断线标志,值为0,取其反逻辑;Y3逻辑判别为“与”,因此Y3的keyid为Y3判别结果1;输出端子keyid取Y3的keyid,值为1。因此,保护逻辑图的逻辑关系包含在各基本图形元素和连接线内部。  C4&Y1&Y2&Y3CA,,A,LA,
1H2
1H1A,*3keyid5keyid11keyid0keyid1keyid1图3　基本图元逻辑关系示意图Fig.3　Logicdiagramofbasicprimitives3.4　中间节点文件中间节点文件后缀为.mid(中间文件)和.des(描述文件)。.mid文件存储相对时标、模拟量和开关量通道值。.des文件用于描述.mid文件的数据存储格式,.des文件包含两部分内容:第1部分用于说明中间文件.mid的格式,包括序号、模拟量名称、模拟量数据类型、模拟量量纲、开关量(数字量)名称和开关量(数字量)数据类型;第2部分存储基于G语言的保护逻辑图。描述部分用des标记,图形部分用G标记。.des文件结构见附录A图A1。其中,AnalogList部分为.mid文件中模拟量存储通道描述,LogicList部分为.mid文件中状态量存储通道的描述,G部分用于可视化分析的保护逻辑图。保护逻辑图中给出了一个输入状态(Status)、一个逻辑元件(Logic)以及两者之间的连接线(ConnectLine)示例。4　故障可视化分析方案4.1　故障信息的生成继电保护装置动作或启动后产生5个动作记录文件,分别为故障录波文件.cfg和.dat、中间节点文件.des和.mid、动作情况简报文件.hdr,故障信息文件的传输方式采用DL/T860的文件服务。保护装置每次启动或动作同时生成故障录波和中间节点文件,两者所记录的时间段完全一致。故障录波文件仅包含本次动作情况的概要信息。中间节点文件不仅包含故障录波文件中的所有信息,而且包含装置内部保护逻辑的具体动作情况,以及用于可视化回放的保护逻辑图形。故障录波主要用于初步的故障分析,而中间节点文件则主要用于详细和深入的故障分析。4.2　事故可视化分析保护逻辑可视化分析功能嵌入故障录波分析工具中,以时间为线索,结合故障录波文件、中间节点文件和故障简报进行综合事故分析,可清晰再现故障过程中各保护功能元件的动作逻辑及先后顺序。保护逻辑图可视化分析时,各中间节点动作情况在图形中采用高亮显示,图形绘制风格在基本图元中定义。每个图元包含一个属性state,用于表示该图元状态个数的属性。图元中内部对象包含属性sta,用于表示图形元素所属状态,以及图元定义时的所有图形元素对象。图元模板中内部对象可根据sta的值对该对象进行条件绘制,因此,图形便可根据不同的值显示不同的显示风格。为了显示简洁,仅将连接线根据其keyid3的值进行条件绘制,sta为0时绘制黑色线,sta为1时绘制红色线。4.3　互操作方法保护逻辑图采用G语言的方式进行自描述,综合应用服务器可使用通用的G图形处理工具进行解析,因G语言为应用于电力系统的一种标准的图形描述语言,因此,可以实现不同厂家间的互操作。但考虑到实际工程