0引言

　　为了给电网调度运行人员提供更准确的辅助决策信息，越来越多的应用功能需要利用保护的信息。电力系统应用所需要的各种信息存储在数据库中，一次系统信息一般都遵循公共信息模型（CIM）构建数据库结构，而保护、自动装置等二次系统信息则没有较为通用的模型。CIM中虽然有针对保护信息的描述，但是难以适应当前电力系统大量使用成套微机保护装置的现状。实现了面向实际成套保护装置的建模，但该数据库模型只能表达保护装置的内部结构，不能描述装置外部特征；虽然增加了对保护压板的描述，但没有完整考虑保护装置各种外部特征的表达以及对多定值区、保护屏柜操作和装置面板上操作的支持，而且也没有考虑对装置模型的用户自定义扩展和装置模型升级后自动更新的支持。

　　本文首先分析了CIM在保护信息描述方面的不足，然后以调度员仿真培训系统为应用背景，从成套微机保护装置自身的结构出发，设计了继电保护数据库的核心模型，并在核心模型的基础上继续扩展以满足集控站/变电站仿真的需要，最后建立了该模型与数据采集与监视控制（SCADA）、保护信息管理等系统中保护模型的映射方法。至此，本文提炼出一种通用的继电保护数据库模型，它不仅可用于描述保护装置内部的各功能单元，也可用于描述装置面板上或引出到保护屏上的各种信号和操作按钮等外部特征，可以用于各种仿真培训系统及基于保护信息的辅助决策系统。

　　1CIM中对保护信息描述的不足

　　CIM中的保护包描述了保护设备（如继电器）的信息模型，图1为保护包的类图。

　　图1CIM中保护包的类图（1。jpg）

　　CIM中的保护设备类，实际上是用于描述继电器的，因为它的子类有电流继电器和同期检查继电器。CIM没有定义保护装置类，因此没有描述成套微机保护装置的能力。可以认为CIM对于保护的描述仍然停留在由继电器构建保护的阶段，难以适应电力系统中当前已经大量部署了成套微机保护装置的现状。

　　2继电保护数据库的核心模型

　　调度员仿真培训系统需要模拟当系统发生故障时保护装置内保护的动作结果和开关动作结果，不涉及保护装置面板上的各种信号和保护屏上的压板等，因此本节以调度员仿真培训系统为应用背景，建立继电保护数据库的核心模型，描述保护装置的内部结构及其在电力系统中的部署。

　　2。1保护装置中功能单元的配置

　　以微机线路保护装置为例，不同型号保护装置中保护功能单元的配置情况如表1所示。

　　表1保护装置的功能单元配置

　　型号 功能配置

　　RCS-901A Ⅱ段零序，*

　　RCS-901B Ⅳ段零序，*

　　RCS-901D I段定时限+I段反时限零序，*

　　注：*：纵联变化量方向，纵联零序方向，工频变化量阻抗，Ⅲ段接地和相间距离，自动重合闸。

　　从表1可以发现：①不同型号保护装置由若干保护单元配置而成；②不同型号装置之间可能具有相同的保护单元；③保护装置的具体行为决定于所包含的保护单元。上述3点非常直观，因此，在数据库中也很自然地按照这种方式建模，如图2所示。

　　图2保护装置中功能单元配置的数据库模型（2。jpg）

　　保护装置模型表描述不同型号的保护装置，如RCS-902A微机线路保护装置，装置型号属性是该表的关键字。保护单元模型表描述各种保护功能单元，如距离保护等，中文名称属性是该表的关键字，仿真程序用功能号属性来区分不同功能的保护单元，同一功能号的保护单元可以进一步用方向特性属性和反时限特性属性区分所具有的不同特性。由于保护装置模型表和保护单元模型表是多对多的关系，因此增加一张中间表“关联的保护单元模型”来表达。“关联的保护单元模型”表中段数和时限数属性分别表示所指向的保护单元模型在保护装置模型表中是第几段和第几时限。安装位置属性表示保护单元具体关联的一次设备的位置，例如变压器保护装置中的高压侧零片过流I段保护单元，其安装位置就是变压器高压侧，母线保护装置中的母联充电保护单元，其安装位置是母联开关。保护单元所包含的定值用保护单元模型表和定值模型表之问1：n的关联表达。定值模型表中的“是否控制字”属性用于区分该定值是控制字还是动作或时间定值，定值存放的顺序一般是时间定值、若干动作定值，最后是各种控制字。

　　2。2保护装置在电力系统中的部署

　　保护数据库中一旦存储了不同型号保护装置所包含的功能单元配置信息，就可以在保护装置级对各种一次设备配置保护。保护装置在电力系统中的部署情况在数据库中用图3描述。

　　图3保护装置在电力系统中部署的数据库模型（2。jpg）

　　保护装置表描述电力系统中实际部署的所有保护装置，一般与实际保护装置一一对应，当然也有例外，例如对于发变组保护装置就需要在数据库中用2个保护装置对象表达，分别关联发电机和变压器。每个实际部署的保护装置所包含的功能单元存储在保护单元表中。为了提高仿真程序访问定值的效率，保护单元的当前定值直接用该表的若干属性表达，包括控制字、时间定值、动作定值等，3个动作定值的具体语义由定值模型表中的顺序决定，控制字是一个整型量，其每一位表示一个控制字定值，每一位的具体语义也是由定值模型表中的顺序决定的。保护单元表中的功能号与对应的保护单元模型表中的功能号相同。关联支路属性可能是变压器的某一侧、母联开关或者母线的某一出线支路等。由于保护单元与出口跳闸的开关之间实际上是多对多的关系，所以增加“跳闸开关”中问表来表达。

　　用户进行保护配置时，只需要选择一次设备所配置的保护型号，就可以完成保护配置过程，保护装置内部结构（包括保护单元表、跳闸开关表及表问的关联关系）由程序自动生成。

　　电压等级表与保护装置表之间的1：n关联表示该电压等级下母线组与母线保护装置问的关系。因为母线保护装置一般保护由正母、副母、旁母、母联等构成的母线组，所以母线保护装置没有直接与母线建立关系，而是与所属的电压等级建立关系。线路端表与保护装置表之间的关联表示线路某厂站侧与该侧线路保护装置问的关系，线路一般有两端，而对于T接线来说，还可能有多端。其他一次设备与保护装置之间的关联可以次类推。

　　2。3保护数据库核心模型的分析与评价

　　微机保护装置由若干功能单元组合而成，从微机保护装置的内部结构出发，建立继电保护数据库模型，使得保护数据库模型更加符合物理实际，概念更加清晰，建模过程也更为自然。采用这种保护数据库模型，可以大大提高保护数据库建模的效率，分析如下：

　　（1）用户只需要在保护装置级进行保护配置，不必关心保护装置的内部结构。这样既提高了配置效率，又降低了对用户的要求。

　　（2）用户可以从保护单元模型表中选择不同单元模型组合构成新型号的保护装置模型。这种自定义方式粒度适中，用户很容易掌握，而且新的型号部署到一次设备上，仿真程序不需要做任何修改。

　　（3）可以实现保护模型正确性的自动验证，确保保护装置表中已经部署到一次设备上的各型号装置与保护装置模型表中所定义的该型号结构完全一致。保护数据库模型中有2个关联关系用于自动验证，即保护装置表与保护装置模型表之间的关联、保护单元表与“关联的保护单元模型”表之间的关联。

　　（4）某种型号保护装置的功能单元配置改变后，可以通过升级版本属性，自动对全系统已经配置了该型号的保护装置进行调整，不需要用户重新配置。

　　3用于集控站/变电站仿真的扩展

　　调度员不需要直接面对保护屏柜，也不需要具体操作保护装置的多定值区，因此调度员仿真一般不模拟保护屏上的各种信号和操作以及保护装置的多定值区。而对于集控站或变电站值班员来说，这些都是必须的培训内容，所以需要对继电保护数据库核心模型进行扩展，以满足集控站/变电站仿真对保护建模的要求。

　　继电保护数据库核心模型已经描述了一次设备、保护装置、保护单元和跳闸开关及其之间的关系，为了描述保护屏上的信号、压板、开关、把手、按钮等（本文中被统一抽象为保护信号）以及多定值区，需要增加保护定值表、保护信号表、液晶信息表以及若干属性。为了描述某型号的保护装置所相关的保护信号，还需要增加保护信号模型表以及表达保护装置模型与保护信号模型多对多关系的中间表“关联的保护信号模型”。扩展后的保护数据库模型如图4所示。

　　图4考虑变电站仿真的保护数据库模型扩展（3。jpg）

　　图4中“一次设备”并不是指数据库中具体的表，而是各种一次设备表的简化表达，具体可以是电压等级表、线路端表、变压器表等。保护定值表是指保护单元所包含的时间定值、动作定值和控制字，例如零序过流Ⅲ段保护单元包含零序Ⅲ段时问、零序Ⅲ段定值、投零序Ⅲ段、零序Ⅲ段经方向等保护定值，存储顺序与定值模型表中完全一致。保护信号表描述保护装置面板上的各种信号灯、按钮以及保护屏柜上的各种硬压板、切换开关等，例如RCS-902包含装置电源开关、交流电压开关、旁路切换开关、重合闸切换开关、A/B/C相跳闸硬压板、投主保护硬压板等保护屏柜上的压板或开关以及装置运行、电压互感器断线、重合闸充电、跳闸等装置面板上的指示灯和复归按钮等。液晶信息表描述保护装置面板上液晶的显示内容。保护装置模型表、关联的保护信号模型表、保护信号模型表及其关联关系完整地描述了某型号保护装置模型所相关的保护信号模型。

　　保护装置的型号可唯一确定它所包含的保护单元和保护信号。保护单元的功能号唯一确定了它的语义和所包含的定值，不同功能的保护单元具有不同的功能号。保护信号的功能号唯一确定了它的语义，不同作用的保护信号也具有不同的功能号。保护单元和保护信号的功能号由研发人员确定，并且一旦确定后就不再更改。

　　为了描述保护装置的多定值区，在保护装置表中增加了当前定值区属性，在保护单元表中增加了定值个数属性。多个定值区的定值依次连续存放在保护定值表中，保护单元表中的属性时间定值、动作定值1～3、控制字存放该保护单元当前定值区中的定值。以RCS-902保护装置为例，它在保护数据库中的存储方式如图5所示。

　　图5保护数据库中的存储结构（4。jpg）

　　为了仿真保护屏柜上的各种压板对保护装置动作行为的影响，在保护单元表中增加了保护出口属性，在跳闸开关表中增加了主跳出口和副跳出口属性。在保护仿真流程中，需要根据保护屏柜上各种压板、把手、开关等的状态（存储在保护信号表中）计算保护单元表中保护出口的属性值和跳闸开关表中主跳出口和副跳出口的属性值。某保护单元对象的保护出口属性为真时，表示保护出口回路畅通，一旦该保护单元动作，保护动作信号即可正常出口。某跳闸开关对象的主跳出口或副跳出口为真时，表示跳闸出口回路至少有一条是畅通的，一旦接收到跳闸信号，就立即出口跳开相应的开关。

　　4与其他保护数据库模型的映射

　　上述提出的通用保护数据库模型主要用于各种仿真培训系统，为了能够从实时态SCADA或保护信息系统中获得保护装置的当前定值以及把保护遥测、遥信等保护仿真结果发送给学员台的仿真态SCADA，需要建立通用保护数据库模型与SCADA等系统中保护模型的映射关系。

　　4。1SCADA和保护信息系统的保护数据库模型

　　SCADA和保护信息系统中保护数据库模型如图6所示。其中，每个文字框表示数据库中的一张表，各个表之间具有1：n的关联关系，文字框右边的属性是对应于该表的关键字。这种保护数据库模型具有如下特点：①给定远方终端单元（RTU）地址和保护装置地址可以唯一确定部署在电力系统中的某实际保护装置；②保护装置内的各种监视信息可以用GIN号唯一确定，GIN号与保护装置的部署没有关系，部署在不同一次设备上的同型号保护装置内的同一种监视信息具有相同的GIN号。

　　图6SCADA和保护信息系统中的保护数据库模型（4。jpg）

　　保护遥测包括各相电流或电压、各序电流或电压等。保护遥信包括各个功能单元的动作信号、硬压板、软压板和告警信息等。

　　4。2考虑与其他模型映射的扩展

　　考虑与SCADA、保护信息系统中保护数据库模型的映射关系后，通用保护数据库模型需要在相应的表中增加一些表达映射关系的属性，如图7所示。首先，在保护装置表中需要增加RTU地址和装置地址属性；其次，在“关联的保护单元模型”表和“关联的保护信号模型”表中需要增加相应保护监视信息的GIN号属性。由于每个保护单元的软压板、硬压板、定值和动作信号一般都是需要监视的保护信息，因此可以在保护单元表中用若干属性描述，相应地这些监视信息的GIN号也用“关联的保护单元模型”表的若干属性描述，这样可以减少“关联的保护信号模型”表的记录数，也便于仿真程序访问。而其他需要监视的保护信息则用“关联的保护信号模型”表中的不同记录描述，对应的GIN号用该表的GIN号属性描述，这样便于扩展。

　　图7考虑与其他模型映射的保护数据库模型扩展（5。jpg）

　　5结语

　　本文以调度员仿真培训系统和集控站/变电站仿真培训系统为应用背景，以微机保护装置为建模的基本单元，从用户的角度抽象保护装置的内部结构和外在的各种表现，提出一种较为通用的继电保护数据库模型。该数据库模型允许用户在保护装置级进行保护配置，支持用户通过自定义新型号的保护装置扩展装置模型，支持装置模型升级后保护配置的自动更新，从而大大提高了保护数据库的维护效率。该数据库模型已经应用于现场投运的各种仿真培训系统，也可以应用于基于保护信息的各种辅助决策系统，具有很好的推广价值。