基于信息融合的继电保护智能管控系统研究

摘 要：目前继电保护专业系统多且独立，存在着无法协同共享数据等问题。

结合此现状，首先分析了目前继电保护信息系统应用情况；其次，通过对运行控制系统、保护信息管理及故障分析系统（简称保信系统）、录波系统、行波系统四类关键继电保护系统的分析，梳理了核心技术参数；然后，构建了基于可扩展标记语言（XML ）的数据规范和模型融合方法；最后，介绍了信息融合的继电保护智能管控系统总体架构，并设计了智能管控系统应用功能，实现多源异构系统的信息融合、互通，以保信系统和运行控制系统等的各类稳态、暂态数据为基础，实现实时告警、智能诊断及事故辅助决策分析等功能，可为电网提供有效的智能决策服务。

关键词：信息融合；继电保护；智能管控；智能决策；故障诊断
中图分类号：TM76 文献标志码：A DOI ：10.19421/ki.1006-6357.2020.03.009
基于信息融合的继电保护智能管控系统研究
张琳波1，李本瑜1，石恒初1，游昊1，赵明1，祁忠2
（1．云南电力调度控制中心，云南 昆明 650011；2．南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）
［引文信息］张琳波，李本瑜，石恒初，等．基于信息融合的继电保护智能管控系统研究［J ］．供用电，2020，37（3）：52-57．
ZHANG Linbo ，LI Benyu ，SHI Hengchu ，et al ．Study of relay protection and intelligent management and control system based on information fusion ［J ］．Distribution & Utilization ，2020，37（3）：52-57．
基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目 (YNKJXM20170198)。

Supported by China Southern Power Grid （YNKJXM20170198）．
0 引言
作为电力系统的第一道防线，继电保护是保障其
安全稳定运行的重要组成部分。

当有电气元件故障时，继电保护系统能快速将故障元件从电力系统中切除，避免其遭受更大破坏，并保证电力系统尽快恢复正常运行［1-2］。

继电保护专业的运行管理是以大量实时运行数据为支撑的，现有的继电保护专业有保护信息系统、在线保护定值校核系统、故障录波系统等，这些系统在对继电保护的运行监视与管理、事故分析与处理等方面发挥着重要作用。

然而目前这些系统分别部署在生产大区或者控制大区之间，各大区之间通过隔离装置进行了物理隔离，相互之间数据传输存在瓶颈，数据通信和交互无法直接进行。

这些独立运行的数据采集与应用系统信息之间无法有效共享，系统间缺乏协同运作机制，难以实现对信息的统一处理与分析［3-5］。

文献［6］通过在电网运行控制系统（operation control system ，OCS ）与运行管理系统（operation management system ，OMS ）中分别部署高速数据总线和通用服务总线，实现了OCS 与OMS 的互动。

文献［7-10］研究信息融合技术在继电保护整定计算、状态检修决策、配电网
故障定位中的应用。

文献［11-12］从继电保护动作新判据、数据有效性甄别、智能化继电保护等方面分析了多源信息融合技术在继电保护中的利用。

文献［13-14］依据电网基本故障形式来建立识别故障的编码，并基于后备保护或者常规主保护来保护断路器位置信息和保护动作信息，提出了基于多信息融合的广域继电保护新算法。

文献［15-16］构建了一套调度自动化系统，确保调度自动化系统、调度运行管理系统可靠运行。

文献［17］提出了一种电网在线监测的一、二次设备统一模型融合方法。

文献［18-20］采用可扩展标记语言（XML ）作为存储数据的中间过程，使非结构化的数据
结构化，提出基于XML 、E 文件接口、WebService 及FtpFS 等技术的跨系统和跨安全区的实时同步方法。

结合目前继电保护专业的现状和电力企业推进全网调控一体化的要求，本文从继电保护专业的实际需求出发，以运行的继电保护系统为基础，基于信息融合技术，提出基于XML 的数据规范化转换和模型融合方法，实现多系统间实时数据交互及信息融合，为继电保护故障诊断支持服务和信息的全流程智能管控提供强有力的支撑。

1 继电保护专业系统应用现状
20世纪90年代初，我国电力系统逐步开始应用微机继电保护系统。

随着电网规模的日益增长和技术的不断发展，微机继电保护因其具备采集、监视、控制、自检等功能，已成为继电保护设备的主导。

目前，科学技术日新月异，计算机网络技术、微电子技术、人工智能等技术不断更新和提升，继电保护自动化技术也得到快速发展［7］。

目前继电保护专业的各应用系统大多是针对不同的业务要求单独进行设计，系统的整体性差，结构不合理，难以灵活地进行系统扩展，普遍存在以下几个问题：
（1）各个应用系统分散建模、独立维护，无统一的电网模型。

（2）系统涉及多个厂家，导致系统协调和互通性差，信息共享困难，维护任务繁重，不能适应电网不断发展的需求。

（3）各个应用系统缺乏统一的平台支撑，图形、数据库没有统一的规范，系统的横向集成和纵向贯通困难，与外部系统的接口复杂。

（4）各系统间孤立的信息导致无法高效充分利用数据进行详细的故障分析、告警事件处置等，综合应用分析欠缺。

（5）在电网故障诊断方面，国外提出的基于专家系统、人工神经网络、模糊集理论、粗糙集理论和多代理技术的故障诊断技术和方法已得到广泛应用。

国内有基于稳态数据、暂态数据和动态数据的故障诊断或者是多源故障诊断结果的集成，但尚未利用保信数据进行详细的故障分析；欠缺针对OCS和保信系统分别采集到的或者反映出的告警或者事件信息，来进行聚类分组划分后的综合故障分析研究。

继电保护专业系统的应用现状在一定程度上制约了继电保护的提升和发展，其分散的运行模式无法实现继电保护管理的一体化、信息化和智能化。

因此，为了提升目前继电保护专业的工作效率和水平，亟须对现有的模式进行变革，解决数据孤岛与无法实时共享的问题。

2 继电保护智能管控系统基础数据
基于信息融合的继电保护智能管控系统通过对OCS、保信系统、录波系统、行波系统信息的智能获取，融合各系统可支撑全面分析的关键参数及指标，实现保护数据的全流程管控与智能分析，全力支撑调控一体化，实现故障后的诊断与分析。

（1）运行控制系统。

OCS的运行状态直接影响着电网运行监视及控制，目前主要存储来自数据采集与监视控制系统（SCADA）、电网广域监测系统（WAMS）、水情调度自动化系统、继电保护故障信息、电网安全稳定控制系统等的历史实时数据。

继电保护管控系统中集成OCS中遥测及遥信［2］。

（2）保信系统。

保信系统可实现对控制中心的监视控制，并对微机保护、故障录波器、自动装置等进行自动化管理。

继电保护管控系统中集成保信系统关键数据：保护定值、开关量、模拟量、告警信息、动作事件及波形数据。

（3）录波系统。

录波系统在继电保护专业系统中的应用现状，在一定程度上制约了继电保护的提升和发展，其分散的运行模式无法实现继电保护管理的一体化、信息化和智能化。

故障录波系统主要实现对故障的电参量变化的动态记录，包含电流、电压模拟量和开关量的数据采集、计算、分析、触发、存储等。

继电保护管控系统中集成录波系统关键数据，即全站录波波形数据［18］。

（4）行波系统。

行波系统可分为双端行波测距和单端行波测距2种，具体参数如表1所示。

表1 行波系统参数
双端行波测距
测距结果、本端第1个波头时间、对端第1个波头
时间、故障电流、故障电压、线路长度、线路名
称、变电站名称、对端变电站名称、波速度等
单端行波测距
测距结果、本端第1个波头时间、故障电流、故
障电压、线路长度、线路名称、变电站名称、
波速度等
3 信息融合
3.1 基于XML的数据规范化
通过对继电保护智能管控系统的基础数据分析可知，数据有开关量、遥测等结构化数据，这类数据为数据层数据信息；也有告警信息、故障波形图等文本图形的非结构化数据，这类数据多为特征层或决策层数据。

分散于各系统的数据信息有不同的数据类型、不同的表述方式和展现形式，如果不将这些信息以一个统一的、可扩展的结构进行描述，则无法实现对数据的有效融合，更无法建立有效的数据仓库来为数据挖掘和诊断提供帮助。

为了实现对分散在各个系统的信息进行融合，本文构建基于XML 的数据结构规范化处理模型，据形式的转换。

作为“描述数据的数据”的，已经，依托XML 技术建立一套灵活可扩展的、适应性强的继电保护数据计算结构。

非结构化数据的使用一般可考虑查阅型和应用型2种。

目前，电网长期运行的大量数据均为非结构化数据。

对于查阅型数据，XML 中支持嵌入链接数据，如波形、图像等。

对于应用型数据，则需要将其转换成结构化数据。

通过定义XML Schema 模式，将数据的提取、分类、整合等流程，采用“非结构化－半结构化－结构化”的逐级转换思路，实现对非结构化数据的充分解析与挖掘［13］。

以保信系统中动作事件为例，提出了基于XML 技术的保信动作事件，如图1所示为保信系统动作事件页面信息。

表2 数据结构
ActionTime 含义：动作时间，格式为yyyy-mm-ddTHH:mm:ss.SSS ActionType 含义：动作类型，使用枚举类型描述Device 含义：动作设备
Target
含义：对象，使用枚举类型描述
Content 含义：动作内容，细分为ActionPattern （枚举）、
RelativeTime （数据单位）、FaultSequenceNumber （数据单位）、FaultLocator （数据单位）
通过基于XML 的数据规范化形式，可实现对分散的各个系统数据进行有效转换，为继电保护管控系统提供数据支撑。

3.2 模型融合
继电保护专业运行的系统，可通过XML 的方式进行数据的统一规范处理，然后进行统一的融合和分析。

信息融合技术是指对若干传感器采集的数据进行统一分析和综合信息处理过程。

本系统基于信息融合的继电保护管控系统，将继电保护专业的众多异构系统的数据信息加以综合利用、融合处理。

信息融合的层次结果可以有3种基本融合类型，即
数据层信息融合、特征层信息融合和决策层信息融合，如图2所示。

图1 保信系统动作事件
Fig.1 The action events of protection information management and
fault analysis system
对动作事件信息进行分析如下：
数据结构名称：动作事件（T_ActionEvent ）。

数据结构描述：用于将保信系统动作事件进行建模，包括动作时间、动作类型、设备、对象等，并规定了默认数据单位。

<ActionEvent>
<ActionTime>yyyy-mm-ddTHH:mm:ss.SSS</ActionTime>
<ActionType>保护动作</ActionType> <Device>CPU1</Device> <Object>电流差动保护</Object> <Content>
<ActionPattern>动作</ActionPattern> <RelativeTime>0</RelativeTime>
<FaultSequenceNumber>0</FaultSequenceNumber> <FaultLocator>0</FaultLocator> </Content></ActionEvent>
数据结构说明如表2所示。

图2 信息融合处理技术
Fig.2 Information fusion process technology
数据层信息融合是底层最基本数据的融合，即对感知层设备或者传感器采集的基础数据进行融合。

特征层信息融合为信息融合的中间层，即将各类感知层的数据通过特征提取分析，得到具有一定特征量的信息，综合各类提取分析的特征进行统一的信息融合和分析。

决策层信息融合为高级信息融合，感知层采集的设备进行特征提取和信息处理后，将按照一定的规则和判定条件，为结果的分析判断提供决策支持。

本文构建的继电保护管控系统架构分为三部分：数据采集层、数据融合层、高级应用层，系统整体架构如图3所示。

合和高级分析的一整套流程的完整应用。

4.2 系统功能
（1）日常运行监视。

通过获取不同系统的信息，实时展示各类保护装置、开关、定值是否异常等信息。

不同权限、不同部门的人员对信息的关注重点不一样，实现不同角色人员的个性化定制展示。

（2）保护动作校验。

实现对于双重化配置情况下2套保护动作行为互校功能，记录行为差异，若行为存在差异，则通过录波波形分析校验保护异常行为。

基于故障录波波形分析实现主保护动作完整性判断，对可疑动作元件和遗漏元件进行提示。

（3）告警信息。

告警信息是以获取的OCS 与保信系统分散告警、事件信息，通过识别、聚类、分组、关联的综合分析，结合实时断面数据和模型信息的联动校验，实现告警信息的综合展示。

（4）故障诊断。

故障诊断数据包括故障发生后的保护动作的厂站名、线路、装置地址、管理序号、动作序号、起动绝对时间、序号、动作相、动作相对时间、动作元件、测距结果、相别及相电流值、故障零序电流、故障差动电流、起动时开入量状态、起动后变位报告、故障波形等数据。

1）故障分析。

故障诊断以分阶式的形式开展：当
事故发生时，开关SOE 动作、保护动作、实时潮流断面等信息都可在故障发生后瞬间几秒时间单位内获取。

通
过对获取的事故运行方式、开关动作情况、保护装置动作情况等信息进行智能故障分析诊断，利用行波测距数据进行故障的精准定位，可快速生成故障诊断简报。

及时性的故障预判可在事故短时间内获取核心信息，可快速定位故障设备。

2）利用波形的故障定位。

根据获取的COMTRADE 波形分析，经过波形文件的删选、通道抽取合并、频率同步、波形分析，给出故障位置、相别、保护安装处测量阻抗、故障电流等信息。

对快速故障诊断结果指示的故障设备位置（区内或者区外）进行确认，同时利用行
波测距数据进行故障的精准定位。

（5）事故智能辅助分析。

获取的事故瞬时信息可通过故障诊断功能实现事故的预判。

故障录波文件以及波形分析所需的定值等数据信息，由于召唤耗时，存储于事故智能辅助分析模块中，通过融合故障录波系统数据，辅助校核故障诊断结果。

（6）历史信息。

通过继电保护原始数据采集、分析、故障诊断及辅助综合分析的信息积累，以故障和告警为顶层事件，实现对故障设备历史故障信息建档、告警信息等的统计查询。

图3 系统整体架构
Fig.3 The diagram of system frame
数据采集层：从继电保护专业的OCS 、保信系统、录波系统与行波系统获取模型与数据，充分整合利用OCS 中的遥测和遥信信息，保信系统中的保护定值、开关量、模拟量、告警信息、动作事件和波形数据，录波系统中的全站录波器波形数据，行波系统中的行波测距和杆塔定位信息，提取支撑继电保护管控系统的基础核心数据。

数据融合层：对各专业子系统的数据、文件等进行预处理；包含实时数据区、数据缓冲区、统一视图区和数据分析层，基于数据融合技术实现多源数据共
享，对来自不同信息源的数据，进行统一整合和存储，确定唯一的关键字索引；定期、动态地从信息源更新数据。

高级应用层：通过多源数据的整合与深度挖掘分析技术，构建对保护专业设备的日常运行监视、告警及异常监控、电网事故智能辅助分析与处理、电网故障设备历史故障信息建档及历史数据后期分析应用的全流程管控平台。

通过数据采集层、数据融合层和高级应用层的协同作业分析，
实现了对继电保护系统数据的采集、智能融
5 结语
通过对目前继电保护专业的现状及智能电网数据结构的分析，提出了基于XML 的数据结构规范化方法和继电保护系统模型的统一方法，并构建了继电保护专业电网运行控制系统、保信系统、录波系统与行波系统信息的智能融合架构，设计了继电保护管控系统，有效地突
破了目前继电保护专业存在的数据瓶颈，一方面提升了继电保护数据的整合与深度挖掘，另一方面实现保护数据的全流程管控与智能分析，全力支撑调控一体化。

后期将进一步研究采集数据时间窗的问题。

故障判断过程中若时间窗太小，则故障相关的数据不完整；若时间窗太大，则故障诊断耗时。

因此需进一步研究时间窗算法以实现高效和精准的故障诊断。

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作者简介：
张琳波（1981—）男，本科，工程师，研究方向为电力系统继电
保护。

李本瑜（1975—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系收稿日期：2019-07-01；修回日期：2019-08-05统继电保护。

石恒初（1983—）男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护。

Study of Relay Protection and Intelligent Management and Control System Based on Information Fusion ZHANG Linbo1，LI Benyu1，SHI Hengchu1，YOU Hao1，ZHAO Ming1，QI Zhong2
（1．Yunnan Electric Power Dispatch Control Center，Kunming 650011，China；2．Nanjing NR Electric Co．，Ltd．，
Nanjing 211100，China）
Abstract：The relay protection professional system， which has many independent systems， cannot cooperate and share data．Based on this situation， the current appli-cation status of relay protection information system was analysed． Through the analysis of four kinds of key relay protection systems: the operation control system， the protection information management and fault analysis system， the recording system， the traveling wave fault location system， the core technical parameters are sorted out．The method of data specification based on XML and model fusion is constructed． The application function of intelligent control system is designed by introducing the overall architecture of relay protection and intelligent control system based on information fusion． It can realize the information fusion and intercommu-nication of multi-source and heterogeneous systems， make comprehensive use of various steady-state and transient data of credit guarantee system and OCS system， which can provide effective intelligent decision-making service for the power grid．
Key words：information fusion；relay protection；intelligent management and control；intelligent decision；fault diagnosis （上接第26页 continued from page 26）
Research on New Generation Standard System for Smart Grid Dispatching Automation GAO Zhiyuan1，CHEN Peng2，CHEN Tianhua2，CAO Yang1，ZHUO Junfeng2，GAO Yuan2
（1．China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China；2．NARI Group Corporation（State Grid
Electric Power research Institute），Nanjing 211000，China）
Abstract：The research of dispatching automation standard system is not onlythe summary and consolidation of various related technical achievements，but also the important foundation for further promotion application and development．Firstly，the status quo of domestic and foreign for dispatching automation standards was reviewed．Through the analysis of the business and technical requirements of the general dispatching automation foundation，support platforms，application functions and business scenarios，the standardized work tasks were defined．According to the construction principle of the new generation smart grid standard system，the new generation dispatching automation standard system architecture was designed．In order to ensure the orderly progress of dispatching automation standardization，the corresponding standard plan and key standard list were proposed．
Key words：dispatching automation；standard system；strong smart grid；information and communication technology（ICT）；dispatching control technology
（上接第44页 continued from page 44）
Power Chip Technology Standard Architecture Design and Roadmap
XU Pingjiang，ZHAO Dongyan，SHAO Jin，PANG Zhenjiang，FU Qingqin
（Beijing Intelligent Microelectronics Technology Co．，Ltd．，Beijing 102200，China）
Abstract：In order to solve the problem of technical consistency problem in the chip application in power sector，it is necessary to establish a power chip standard system． Firstly，the application of chips in the power industry and the status quo of standards in the integrated circuit industry were introduced，and the development status，standard status and existing problems of the chip industry in the power field at home and abroad were disscussed． From the technical point of view，the special requirements for the application of power chip in China were put forward． From the economic point of view，the huge role of power chip standard in promoting the application and expounds the necessity of power chip standard system was explained． Finally，according to the practical chip application in power sector，a hierarchical design model of the power chip standard system and its implementation roadmap were proposed，which provides a theoretical support for the overall implementation of the power chip standard system．Key words：power chip；standard system；architecture design；roadmap。