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摘要：針對目前電力系統故障分析和繼電保護動作行為評價中存在的效率低等問題，提出一種基于G格式的保護邏輯可視化展示系統實現方案。首先，介紹了電力系統圖形描述規范表達圖形的方法，提出了基于G格式的保護邏輯可視化展示系統總體設計方案；其次，通過分析基于G格式的保護裝置總體設計方案，研究了保護裝置中實現基于G格式的保護邏輯圖抽象的方法，以及在綜合應用服務器中實現可視化展示和回放的步驟；最后，對所提方案可視化展示與回放效果進行了示例展示。展示結果表明該系統能夠以時間為線索，清晰再現保護裝置故障過程中各保護功能元件的動作邏輯和順序，提高發現保護裝置隱形故障的效率。

關鍵詞：繼電保護；G格式；保護邏輯；可視化展示

作為智能電網重要組成部分的繼電保護，是電力系統安全運行的保障，其能否履行所設計的保護區安全職責是電網安全運行的關鍵所在，其自身的可靠性和有效動作可避免系統受到擾動或發生故障時造成嚴重停電事故，保證電力系統安全穩定運行[3]。由于繼電保護裝置的特殊地位，對其動作行為和故障緣由的分析評估一直是電力系統研究的熱點。文獻[4]基于變權重系數和模糊關系矩陣，通過逐層計算模糊評判結果相量完成對繼電保護裝置的狀態評估，有效地解決了模糊綜合評判法不能反映狀態量變化的不足；文獻[5]構建了基于正向推理的繼電保護動作評價體系，實現了故障的在線檢測、分析報告打印以及專家系統推理等功能；文獻[6]提出了基于智能變電站系統特性的繼電保護在線監測方法，能夠充分利用繼電保護狀態信息間豐富的耦合及約束關系，全面分析和評價繼電保護狀態，并實現故障定位；文獻[7]探討了在繼電保護功能時序可視化中應用規范描述語言的可行性，通過消息序列圖動態展示各元件動作過程，達到直觀展示繼電保護功能邏輯時序的目的；文獻[8]提出了多種基于繼電保護故障信息系統的保護裝置常態特性在線監視與隱性故障診斷方法，能夠實現模擬量診斷繼電保護隱性故障；文獻[9]提出了一種基于SVG圖形的保護邏輯圖的表達方式，通過標準化的定義輸入關聯、邏輯關系和連接線等元件，形成標準化保護邏輯關系圖，配合標準化的錄波文件，清晰地完成繼電保護故障分析，解決了分析工具不統一的問題；文獻[10]運用Matlab與C混合編程方式，能夠在PC平臺上提供脫離繼電保護裝置的實驗驗證環境，利用各種錄波波形驗證保護程序邏輯，實現對繼電保護故障的模擬；文獻[11]提出基于多參信息量的繼電保護二次回路在線監測及故障診斷方法，通過網絡報文記錄分析裝置或保護狀態監測及診斷裝置，構建一套繼電保護二次回路在線監測與故障診斷系統；文獻[12]采用動態故障樹分析全數字化保護系統的可靠性，解決了傳統可靠性分析方法無法體現全數字化保護系統動態失效特性的問題。傳統的繼電保護故障分析方法一般是打印保護裝置動作報告、動作錄波，查看故障錄波并進行分析。目前國內基于Comtrade的錄波分析軟件層出不窮，能夠解析Comtrade格式，以波形方式再現故障數據[13]，在一定程度上增強了錄波數據的可讀性，然而這種方式僅能呈現采樣數據的變化、錄波開關量的分合，而故障時保護裝置動作的標志集狀態、動作原因及流程則需要專業的保護裝置研發人員才能分析出來。這種方法不僅較為煩瑣，而且只能看到保護裝置最終的動作狀態，無法對其內部工作情況以及潛在問題進行分析[14]。目前，作為智能變電站高級應用重要功能之一的基于一體化信息平臺方式的智能告警和故障信息綜合分析決策已得到應用[15]，主要實現方案是通過提取繼電保護裝置內部保護邏輯中間狀態，并將其中間狀態生成為文件，可脫離保護源程序實現對其邏輯的離線監測分析，以有效解決繼電保護內部缺陷。但定義的中間節點文件僅包含數據源，沒有保護邏輯圖以及保護邏輯圖與中間節點數據的關聯關系。如果實現可視化保護邏輯展示，需要在展示平臺手動配置保護邏輯，但保護裝置種類繁多，不同廠家保護原理和邏輯又各不相同，造成保護邏輯圖配置困難且容易出錯，無法實現標準共享。針對上述存在的問題和IEC61850標準的應用為動態展示保護功能時序提供的信息模型基礎[16]，本文提出一種基于G格式的保護邏輯可視化展示系統實現方案，即在保護裝置生成中間狀態數據文件時自動生成保護邏輯圖形描述文件（簡稱G格式或G語言）；利用展示平臺對G格式文件進行解析，生成各保護裝置的可視化保護邏輯圖，并根據中間節點文件數據進行動態回放，實現對保護裝置內部元件、模塊、總線和邏輯動作等的透明化監視分析，及時發現保護裝置的安全隱患，確保繼電保護裝置能在系統發生故障時快速切除故障，從而保證系統的安全穩定運行。

1G格式介紹

G格式是一種基于標記的遵循XML標準的純文本語言[17]，和SVG之間可以相互轉換，適用于描述電力系統圖形和電力應用系統間圖形交換，支持高效存取電力圖形和模型關聯數據，以及不同系統廠家和電力企業之間電力圖形與模型關聯數據的交換。目前，由中國牽頭制定的電力系統圖形描述規范（CIM/G規范）已成為中國電力行業標準（標準號DL/T1230—2016），該標準是在IEC61970－453基于公共信息模型（CIM）的圖形交換基礎上發展起來并且應用于電力系統的一種新型的圖形描述語言[18-19]。電力系統圖形描述規范采用CIM/G語言作為圖形存儲和交換的標準，能夠以圖形方式表達電力設備和電網的相關信息，定義CIM中電力設備的圖形繪制和存儲方式[20]，解決基于SVG交換規范描述效率低的缺陷。采用G格式進行保護邏輯可視化展示，能夠從根本上解決不同廠家設備間的兼容性和互操作性、保護程序和保護邏輯圖不匹配等問題。G格式的元素主要由基本繪圖元素組成圖元模板的電網圖形元素，如直線、折線、矩形、橢圓和多邊形等。G格式中每個圖元均有一個索引號，可與中間節點文件中的通道，按通道號進行映射，以實現G格式描述圖形與數據的關聯。

2系統總體設計方案

基于G格式的保護邏輯可視化展示系統總體設計方案如圖1所示，繼電保護裝置在收到召喚觸發命令或在擾動/故障生成錄波的同時自動生成一個G語言自描述文件，將中間文件數據進行組態處理，建立邏輯圖與中間狀態數據的對應關系，綜合應用服務器采用通用的G語言解析工具對其保護邏輯圖進行解析，并結合內部各級監視點的數據進行可視化展示與回放，從而實現脫離保護源程序對其邏輯進行離線監測分析。綜合應用服務器可將監測數據文件及分析結果上送至調控中心主站。

3基于G格式的保護裝置設計方案研究

3.1總體方案分析。目前，繼電保護裝置已具備導出中間節點文件功能，中間節點文件名與Comtrade格式文件一致，后綴分為.mid文件（中間文件，采用Comtrade格式的dat文件）、.des文件（描述文件，采用Comtrade格式的cfg文件），傳輸方式采用DL/T860的文件服務，保護動作信息與該次故障的保護錄波、中間節點信息相關聯。但目前定義的中間節點文件僅包含數據源，沒有保護邏輯圖以及其與中間節點數據的關聯關系。如果實現遠端保護邏輯可視化展示，保護裝置僅提供中間節點文件是無法實現的，而且保護裝置種類繁多，又涉及不同廠家保護原理和邏輯的不同，只有保護裝置研發人員才能提供保護邏輯圖。本文提出一種實現可視化展示的保護裝置實現方案，即保護裝置動作或起動后產生動作記錄文件，包括暫態錄波數據、中間節點數據和單獨的內部邏輯自描述G格式圖形文件（.g），如圖2所示。G格式圖形文件名稱與Comtrade文件名稱相同，綜合應用服務器將后綴為.g文件調取，分析故障時可以選擇是否進行波形和可視化邏輯同步回放。3.2基于G格式的保護邏輯圖抽象實現。將保護邏輯圖的各節點元素均設計為基本元件模板，實際圖形中應用時引用模板中的元件，每個元件都有Id和KeyId屬性，初始值均為－1。Id用于描述實例化的元件在圖形中的序號；KeyId用于關聯中間節點文件數據、傳遞數值和判斷結果。按照文獻[13]所述構建Id和KeyId的方法，以圖3部分保護邏輯圖為例，說明利用G格式抽象的結果。4基于G格式的保護邏輯可視化展示及回放實現研究保護裝置動作時同時生成故障錄波、G格式和保護邏輯中間節點文件，三者所記錄的時間段及采樣點數相同，利用綜合應用服務器將保護邏輯可視化展示功能嵌入故障錄波工具中，通過解析保護邏輯圖形文件，關聯保護邏輯中間節點狀態數據，結合故障錄波文件，以時間為線索，實現故障過程中各保護功能元件的動作邏輯及先后順序的可視化展示與回放，上述實現框圖如圖4所示。基于G格式的保護邏輯可視化實現步驟如下：1）保護裝置起動或動作后，將其內部的保護邏輯生成基于G格式描述的保護邏輯圖形文件。2）解析基于G格式描述的保護邏輯圖形文件及圖元文件，繪制出保護邏輯圖的初始畫面。保護邏輯圖形中圖元之間連接線的狀態由左端圖元的狀態決定。左端圖元的狀態為1時，連接線顏色為紅色；左端圖元的狀態為0時，連接線顏色為黑色。3）保護裝置生成保護邏輯圖形文件的同時，還會生成保護邏輯中間節點狀態的數據文件，解析該數據文件，獲取保護動作過程中保護邏輯所有中間節點在各個采樣時刻的斷面數據，采用波形曲線的方式展示，并根據其時間范圍生成時間游標，該時間游標可被定位至任一采樣時刻。4）建立保護邏輯中間節點通道數據與保護邏輯圖形中各圖元的關聯關系，將節點通道數據傳遞給相應的節點圖元，根據圖元內部定義的方式實時繪制其動態效果，從而實現以圖形化的方式展示保護邏輯動作情況。5）保護邏輯圖共用波形曲線的時間游標，拖動時間游標至某采樣時刻，便可將該時刻的保護邏輯中間節點的斷面數據在保護邏輯圖上展示，從而回放故障過程中保護裝置保護邏輯的動作情況。此外，保護邏輯圖形與波形還具有數據交互驗證功能。將鼠標放在保護邏輯圖某元件，可彈出該元件關聯的通道ID及名稱等信息；鼠標左鍵單擊某元件，可自動定位到該元件關聯的通道波形，方便查看波形曲線。

5可視化展示與回放實現算例分析

基于本文方案，所開發的保護邏輯可視化展示工具實際應用效果如圖5所示。移動波形曲線時間游標，可將任一時刻的保護邏輯中間節點斷面數據在保護邏輯圖形上展示；通過手動拖動時間游標或設置為自動播放模式，可回放保護裝置保護邏輯的動作過程，如圖6所示。保護邏輯圖形還可通過鼠標與波形曲線進行交互，即通過將鼠標懸停到保護邏輯圖形某保護邏輯元件上，可彈出當前元件的通道ID及通道名稱等信息；鼠標左鍵單擊某元件，可在波形展示窗口上將相應通道的波形設置為選中狀態，如圖7所示。

6結束語

本文提出一種基于G格式的保護邏輯可視化系統展示方案，實現了對保護裝置內部的元件、模塊、總線和邏輯動作行為等的透明化監視分析，能夠及時發現保護裝置的安全隱患，提高繼電保護裝置的可靠性，確保繼電保護裝置在系統發生故障時可靠動作，保障電力系統安全穩定運行。目前，該方案已在現有保護裝置和綜合應用服務器中成功應用，并在國內某變電站成功掛網，其有效性得到了充分驗證。

作者:王旭東 王雷濤 單位:1.中國核電工程有限公司鄭州分公司 2.許繼集團有限公司