DTS中数据模型和结构的设计

吕敬民　董朝霞

（华中科技大学水电与数字化工程学院　武汉　430074）

摘要　本文讨论了DTS中数据模型的设计和DTS与SCADA／EMS之间的资料共享。针对满足DTS的实用化，保证DTS仿真的实时性，讲述了在河南DTS中电网描述和继电保护数据结构设计方案。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　一体化

1　引言
　　电网调度员培训仿真系统（DispatcherTrainingSimulator，简称DTS）是一套运用先进计算机技术模拟电网运行的数字仿真系统。它作为一种现代化的培训调度员的有效工具，已经在国内外得到广泛的应用。由于各种原因，DTS后于SCADA／EMS开发和研制。实用化的DTS系统必须满足和电网已经投入运行的SCADA／EMS系统一体化的原则，否则存在人机接口不一致，数据库之间接口复杂，维护不方便，难以满足电力系统发展的需要。结果往往培训一次，就要花费大量的时间做准备工作，而且随着电力系统的发展，不能同步反映当前电力系统的状况。培训效果得不到保障。
河南电网引进国外的SCADA／EMS系统，此系统采用DigitalUNIX操作系统、Oracle关系式数据管理系统、TCP／IP网络通信协议等标准软件构成其软件平台，用ANSIC编程语言和XWINDOW／MOTIF开发用户人机接口。故本DTS系统也采用相同的软件平台和开发语言，以保证给调度员提供一个和实际SCADA／EMS系统逼真的培训环境，使调度员得到身临其境的实况演练的目的。一体化在更高层次上要求DTS系统和SCADA／EMS系统共享信息资源，保持和SCADA／EMS系统在电网结构、网络参数、厂站图的一致。本DTS共享SCADA／EMS系统网络数据库和网络参数，使DTS数据库可与在线数据库同步维护；共享SCADA／EMS的厂站图、系统图，实现数据文件与图形格式的转换；取SCADA／EMS在线系统的资料作为培训的初始条件，可以使DTS的培训更具现实意义，同时也可大大减少教员建立初始条件的工作量。
　　同时在培训过程中，由于对各种故障和正常运行调度的模拟，往往短时间会有大量的元件动作或者调度操作，因此在DTS数据模型的设计中必须考虑实时性，以满足模拟电力系统在故障处理和正常运行调度的情形。
2　DTS和SCADA／EMS的资料共享
　　资料共享是要求后开发的DTS使用已经投运的SCADA／EMS的资料源，以免两套软件在诸多方面的不一致，并且造成DTS维护麻烦。因为河南DTS和SCADA／EMS系统采用如上所述的相同支撑环境和开发工具。故DTS和SCADA／EMS可以方便的共享一个数据库管理系统，共享一个画面管理系统，共享一个网络通讯管理系统。DTS通过UNIX的网络通讯机制直接读取SCADA／EMS的描述网络拓扑关系的数据文件和描述网络参数的数据文件，按一定规则导入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和元件参数等静态信息上的一致性。将描述SCADA／EMS系统的厂站图和系统图的图形数据文件经过分析转换处理，DTS系统的图形编辑系统可直接调用显示，以保证DTS仿真系统与在线系统在显示内容与画面风格上的一致性。取在线系统的实时断面资料时，由于遥测点不足和资料信息道不良的原因，会有一些坏资料和缺少的资料，因此DTS所取的资料来源于实时系统进行状态估计后的资料，对实时数据进行加工，以保证尽可能地与实际系统相符，用其建立DTS培训教案，即保证DTS仿真系统与在线系统在电网动态信息上的一致性。
DTS和SCADA／EMS资料共享如图1所示。

3　数据模型的设计
　　EMS／DTS等电力系统自动化软件是建立在电力系统的数据模型基础之上的。电力系统的数据模型是在组成和状态上严格唯一映像电网，将电网模型化的一个数据组织形式。软件中有一部分程序收集运行信息和人工输入信息，并记入数据模型，使这个模型总是处于最新的状态。另外一部分程序不再关心实际的电网及其信号，而只依靠数据模型工作。当电网结构发生变化时，只须相应地改变数据模型就可以了。
　　DTS主要用于调度员培训，运行方式的研究和反事故演习等。DTS的数据模型的设计必须考虑以下问题：1）适应电力系统发展的需要。和SACDA／EMS无缝连接，无需在电力系统物理结构变化时，要对SCADA／EMS和DTS分别维护；2）满足DTS培训过程中的实时要求，在DTS使用过程中，有大量的调度操作和事故处理事件，数据模型的设计要能处理在电网运行方式发生较大变化时，保证实时性；3）在培训过程中，能处理电网继电保护和自动装置设备的投退，模拟各种状况，增加调度员培训的复杂性，提高培训的效果。
3．1　DTS中电网的描述
　　电网中物理对象组成描述和对象之间可能的联系即“潜在拓扑”描述构成电网描述。
　　河南省电力网发展迅速，新增厂站和即将投入运行的厂站数目不少，而且旧厂站的改造力度也很大。这样电网结构一段时间就会发生变化，因此SCADA／EMS中电网描述也随之改变。实用化的DTS要求其中的电网描述要同时发生变化，使之与实际电网结构保持一致，提高培训效果。电网结构在相对短的时间，至少在一次培训期间基本没有变化。DTS在培训开始时检查本系统和SCADA／EMS系统电网描述的一致性，如果不一致，就通过网络通讯机制由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数据库中保存的最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首末节点以及开关、刀闸元件的开合状态。对于变压器之类元件，其参数（包括档位）也保存在电网描述资料中。联络线数据单独保存。
　　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。

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）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。

参考文献

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