数字地面系统中数据模型和结构的设计

数字地面系统中数据模型和结构的设计

吕敬民董

(华中科技大学水电与数字工程学院武汉430074)

本文讨论了数据传输系统中数据模型的设计以及数据传输系统与监控系统之间的数据共享。为了满足数字地面系统的实用性，保证数字地面系统仿真的实时性，描述了河南数字地面系统中电网描述和继电保护数据结构的设计方案。实践证明，这种解决方案是可行的。关键词：调度员仿真系统电网描述数据模型集成

介绍调度员培训仿真系统(DTS)是一套利用先进的计算机技术模拟电网运行的数字仿真系统。作为一种现代有效的调度员培训工具，它在内外得到了广泛的应用。由于种种原因，DTS是在SCADA/EMS之后发展起来的。实际的数据传输系统必须满足与电网已投入运行的SCADA/EMS系统集成的原则，否则会出现人机界面不一致、数据库间接口复杂、维护不方便等问题，很难满足电力系统发展的需要。这样一来，往往需要花费大量的时间准备一次培训，而且随着电力系统的发展，无法同步反映当前的电力系统情况。训练效果无法保证。河南电网从外引进的监控系统。该系统采用DigitalUNIX操作系统、Oracle关系数据管理系统、TCP/IP网络通信协议等标准软件作为其软件平台，利用ANSIC编程语言和X Window/Motif开发用户的人机界面。因此，该DTS系统还采用了相同的软件平台和开发语言，为调度员提供了一个具有实际SCADA/EMS系统的逼真训练环境，使调度员达到沉浸式实操的目的。一体化要求DTS系统和SCADA/EMS系统在更高层次上共享信息资源，在电网结构、网络参数、站场图等方面保持与SCADA/EMS系统的一致性。该DTS共享SCADA/EMS系统网络数据库和网络参数，使DTS数据库可以与在线数据库同步维护。共享SCADA/EMS站场图和系统图，实现数据文件和图形格式的转换；将SCADA/EMS在线系统的数据作为培训的初始门槛，可以使DTS培训更加实用，大大减少教师在建立初始门槛时的工作量。同时，在训练过程中，由于模拟各种故障和正常运行调度，往往会在短时间内出现大量的组件动作或调度操作，因此在设计DTS数据模型时必须考虑实时性，以满足电力系统在故障处理和正常运行调度中的模拟。2 DTS和SCADA/EMS之间的数据共享数据共享要求后期开发的DTS使用已经投入运行的SCADA/EMS的数据源，避免两套软件在很多方面不一致，给DTS维护带来麻烦。河南省DTS和SCADA/EMS系统采用与上述相同的支持环境和开发工具。因此，DTS和SCADA/EMS可以方便地共享一个数据库管理系统、一个图片管理系统和一个网络通信管理系统。DTS通过UNIX网络通信机制直接读取描述网络拓扑和网络参数的SCADA/EMS数据文件，并按照一定的规则导入DTS的Oracle数据库，以保证DTS仿真系统与实际电力系统在电网结构、元件参数等静态信息上的一致性。对描述SCADA/EMS系统站场图和系统图的图形数据文件进行分析和转换，DTS系统的图形编辑系统可以直接调用和显示，以保证DTS仿真系统和在线系统在显示内容和画面风格上的一致性。在线系统实时断面数据采集时，由于遥测点不足、信息通道不畅，会出现一些不良数据和缺失数据。因此，DTS所取的数据来源于实时系统状态估计后的数据，对实时数据进行处理，保证其尽可能与实际系统一致，从而建立DTS培训教学计划，即保证电网dyna中DTS仿真系统与在线系统的一致性 #p#分页标题#e#

数据模型EMS/DTS等电力系统自动化软件的设计都是基于电力系统的数据模型。电力系统数据模型是严格地、唯一地反映电网并对电网进行建模的数据组织形式。软件中的一些程序收集操作信息和手动输入信息，并记录在数据模型中，使模型始终处于较新状态。其他程序不再关心实际电网及其信号，只依赖数据模型。当电网结构发生变化时，只需相应地改变数据模型即可。DTS主要用于调度员培训、运行方式研究和反事故演习。DTS数据模型的设计必须考虑以下问题：1)满足电力系统发展的需要。而当电力系统的物理结构发生变化时，SCADA/EMS和DTS不需要单先维护。2)满足DTS训练过程中的实时性要求。DTS使用过程中有大量的调度操作和事故处理事件。数据模型的设计应能处理电网运行方式的较大变化，以保证实时性；3)在培训过程中，可以处理继电保护和自动化设备的切换，模拟各种条件，增加调度员培训的复杂性，提高培训效果。3.1 DTS中的电网描述电网中物理对象的描述以及对象之间可能存在的联系，即“潜在拓扑”的描述，构成了电网的描述。随着河南电网的快速发展，有大量新的站场投入运营，旧的站场也在进行大的改造。这样电网结构会在一段时间内发生变化，所以SCADA/EMS中的电网描述也会发生变化。实用DTS要求同时改变对电网的描述，使其与实际电网结构保持一致，提高训练效果。电网结构在相对较短的时间内没有改变，至少在一个培训期内没有改变。培训开始时，DTS检查该系统与SCADA/EMS系统的电网描述的一致性，如果不一致，则通过网络进行通信

机制由SCADA／EMS中重新读取一份新的网络描述数据文件，来替换掉DTS中Oracle数据库中保存的老的电网描述资料，以此来产生DTS中新的数据模型。3．2 DTS中数据结构设计 为了适应实际电力系统变化的需要，DTS采用动态数组来保存电网描述数据，Oracle数据库中电网描述资料是全网的形式保存的。DTS启动时，对Oracle数据库中保存的较新电网描述资料进行语义分析，以厂站为单位对电网描述数据分类、保存，记录厂站结构信息，例如厂站开关刀闸数、节点数等，如图2中元件拓扑描述即元件名称和元件的先末节点以及开关、刀闸元件的开合状态。对于干式变压器之类元件，其参数（包括档位）也保存在电网描述资料中。联络线数据单先保存。 以厂站为单位的数据结构符合电力系统的特点。仿真培训过程中，要求对频繁出现的开关跳合闸动作和运行人员的操作有快速的响应，除了采用合适的快速网络拓扑算法，在数据结构的设计上，要根据电力系统的特点，采用合适的方式。电力系统在故障处理和运行调度时，开关刀闸的动作往往是以厂站为单位发生的，网络拓扑结构也是由于若干厂站内部的变化而引起电网拓扑结构的改变。因此以厂站为单位的数据结构可以快速和电网实时状态一致。 在培训过程中，对于开关、刀闸动作，可由相应厂站名称快速找到相应元件，修改其拓扑描述，对其他没有元件动作的厂站无需处理。 本DTS网络拓扑算法是基于图的邻接表描述基础上设计的。图的邻接表描述是电网描述的一种形式，它具有直观、适应网络结构快速变化的特点。数据结构设计如图3所示。同样对于有元件拓扑描述变化的厂站，只需对该厂站重新生成邻接表描述或者在老的描述基础上做些修正即可，其它厂站无需处理。 这种数据结构的设计，从根本上保证了DTS实时性，特别是在故障处理和运行方式有较大变化时，得到充分体现。#p#分页标题#e#

3．3 继电保护配置 继电保护模块是DTS的一个必不可少的模块，现代电力系统继电保护装置十分复杂，主要的配置有：（1）线路保护1）主保护：高频、纵差、横差、距离Ⅰ段、零序Ⅰ段； 2）后备保护：距离Ⅱ，Ⅲ段、零序Ⅱ，Ⅲ段、过流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段；3）重合闸：单相重合闸、三相重合闸；（2）母线保护包括母差保护、失灵保护；（3）机组保护包括主保护与后备保护；（4）干式变压器保护1）主保护：瓦斯保护，差动保护；2）后备保护：过波保护，零序保护。 为了模拟实际情况，各种保护即可“投、退”也可设置为“拒动”和“误动”状态，开关可设置“拒动”和“误动”状态。这样从保护配置到对应操作都是很复杂，选择合适的数据结构对于仿真效果显得尤其重要。考虑到实际电力系统是故障事件引起电力系统运行状态的改变，若满足某保护装置的动作条件，保护装置被启动，其出口到相应开关，若开关状态正常，开关动作，切除故障，否则故障扩展，后备保护动作。由此可设想保护可以做为电气设备的属性，保护出口做为开关的属性。 例如某母线配置了母差、失灵保护。可以把这两种保护做为此母线的属性记录下来，记录方式可用链表结构，如图4。

对于保护“退”操作，即把相应保护链节从链表中拿掉即可。“投”操作，把相应保护链节加在链表中即可。操作很方便、快捷。对于保护“误动”和“拒动”，可在相关保护的链节中设置保护拒动或误动属性，然后由故障处理模块处理。 同时根据继电保护动作原理和河南电力系统的自身特点，对开关数据赋予属性，即模拟保护出口。例如保护a、保护b、保护c均有出口到开关A，开关A结构如图5。

对于开关“拒动”和“误动”，直接修改开关A的属性，然后由故障处理模块处理。这种结构设计虽然数据有一定程度的冗余，但是其符合继电保护的原理，特别是满足了DTS实时性的需要。4 结束语 本文针对河南SCADA／EMS的特点，提出了实用化DTS数据模型的解决方案，该方案已经在河南DTS中得到运用，目前此系统已经投入实用化运行。在本系统开发研制过程中，河南省电网由八十几个厂站发展到近一百个厂站，全省电网结构有很大的变化，对应其电网物理描述有很大的改变。由于本系统采用和SCADA／EMS共享数据源的解决方案，DTS系统只需以网络通信的形式读取SCADA／EMS的电网结构数据文件来更新oracle离线数据库中的电网结构和参数数据，以此为基础产生的DTS电力系统数据模型就可从根本上满足和实际电力系统物理结构的一致性，保证了DTS系统培训的真实性效果。同时由于采用符合电力系统特点的动态数据结构存储模式，操作和故障处理能满足实时性，加强了仿真的效果。 运行实践证明此解决方案适应电力系统发展的要求，提供了一个逼真的培训环境，满足DTS实用化的要求。#p#分页标题#e#

参考文献

1 张力平．电网调度员培训模拟（DTS）［M］．北京：中电力出版社，1999．2 孙宏斌，张伯明．EMS／DTS一体化系统设计［J］．中电力，1999，32（8）：23～273 高建军，董朝霞．Oracle数据库和内存数据库在DTS中的应用［J］．计算机应用，2001，21（11）：67～684 王庆平，陈超英，陈礼义．DTS技术及其展望［J］．继电器，2002，30（5）：29～32