秦振偉，周雪松，高志強(qiáng)，周從容

(1. 天津理工大學(xué) 天津300384；2. 天津大學(xué) 天津300072)

云計(jì)算技術(shù)在用戶側(cè)智能變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

秦振偉1，周雪松1，高志強(qiáng)1，周從容2

(1. 天津理工大學(xué) 天津300384；2. 天津大學(xué) 天津300072)

介紹一種基于云計(jì)算的智能變電站診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中心控制站、云平臺和傳感器3部分構(gòu)成。中心控制站通過智能診斷方法進(jìn)一步確認(rèn)故障，同時(shí)發(fā)出預(yù)警信號；云平臺是由智能電子器件(Intelligent Electronic device，IED)構(gòu)成，通過任務(wù)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行云平臺計(jì)算資源分配；傳感器采集實(shí)時(shí)信號傳輸?shù)皆破脚_。基于此，提出云計(jì)算的新型平臺方案，應(yīng)用于設(shè)備監(jiān)控并搭建了基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的運(yùn)維管理云平臺，最后列舉了該平臺應(yīng)用的一系列成功成果。

中心控制站 設(shè)備監(jiān)控 運(yùn)維管理云平臺

0 引 言

智能變電站是由智能電網(wǎng)發(fā)展起來的，其作為電網(wǎng)的核心，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要保證。智能變電站的定義是：“由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的智能設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺為信息傳輸基礎(chǔ)，自動(dòng)完成信息、采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級應(yīng)用功能的變電站”。[1]傳統(tǒng)變電站存在設(shè)備在線監(jiān)測時(shí)數(shù)據(jù)量大、分析數(shù)據(jù)速度緩慢等問題，基于云計(jì)算本身的特點(diǎn)，可為解決此問題帶來新的思路。

該項(xiàng)目所涉及的系統(tǒng)包括發(fā)電側(cè)、各級變電站、底層配電箱及用電負(fù)荷。其核心環(huán)節(jié)為智能集控中心，該中心采用天津理工大學(xué)開發(fā)的云計(jì)算技術(shù)，對此平臺上實(shí)時(shí)顯示的電力運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并取得了很好的效果。

1 云平臺系統(tǒng)架構(gòu)

云平臺具有信息共享、資源整合和各設(shè)備協(xié)同工作的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站設(shè)備故障的分步協(xié)同診斷和智能預(yù)警，從而能極大提高設(shè)備故障診斷的速效性。[2]基于云平臺的智能變電站診斷模型如圖1所示。

圖1 基于云平臺的智能變電站診斷模型Fig.1 The intelligent diagnosis model of substation equipment based on cloud platform

基于云平臺的智能變電站具有站間保護(hù)、數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)、多業(yè)務(wù)協(xié)同合作和智能預(yù)警等特征，同時(shí)站內(nèi)設(shè)備間的信息描述與訪問方法被全面定義和規(guī)范，從而構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范平臺。此外，儀器間實(shí)現(xiàn)了無縫鏈接，互操作性大大增強(qiáng)，更加便于運(yùn)維和系統(tǒng)更新，極大地提高了工作效率。

2 基于云平臺的新能源故障診斷系統(tǒng)

新能源接入電網(wǎng)之后帶來了許多問題，其中故障診斷、諧波治理等問題尤為棘手。[3]而開發(fā)的新型系統(tǒng)能很好地解決這一難題。

2.1 數(shù)據(jù)處理機(jī)制

在系統(tǒng)故障診斷和相應(yīng)信息處理標(biāo)準(zhǔn)下，通常針對故障中的大量數(shù)據(jù)與并行計(jì)算使用Map Reduce (映射-聚集函數(shù))程序。Google公司提出了Map Reduce模型，是一種高階并行的抽象函數(shù)模式，在計(jì)算中有2個(gè)重要步驟：映射過程Map和聚集過程Reduce。因此需要客戶向系統(tǒng)提供映射(Map)和聚集(Reduce)函數(shù)，并按照一定規(guī)定把輸入鍵值對(ki，vi)換算成另外一組鍵值對。過程如下：

Map Reduce的計(jì)算步驟被化分為Input、Map、Shuffle & Sort、Reduce、Output共5個(gè)階段(見圖2)。而Input階段是通過輸入目錄下的信息，將其分隔成彼此間獨(dú)立的信息模塊Split(i)，同時(shí)對鍵值對(ki，vi)進(jìn)行輸入；Map階段是根據(jù)映射法則生成的鍵值對(kt，vt)。為確保Reduce的輸入有一定順序的輸出，并盡量讓一個(gè)Reduce來處理相同k的中間值，而相同k的中間值在Shuffle階段被聚集到同一個(gè)點(diǎn)上。在Sort階段，以k的值為標(biāo)準(zhǔn)，模塊對Reduce的輸入進(jìn)行排序和分組，Shuffle和Sort這兩個(gè)階段一般是同時(shí)開始，最后把相同k的中間值盡量存儲在同一個(gè)信號分區(qū)(Partition)內(nèi)；在Reduce階段，系統(tǒng)會(huì)篩選全部鍵值對(kt，vt)，同時(shí)對里面的每一個(gè)k值執(zhí)行Reduce函數(shù)，輸出為新型鍵值對組；最后在Output階段，經(jīng)過Reduce函數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)將被寫進(jìn)輸出目錄文件內(nèi)。而該過程的故障特征被實(shí)時(shí)監(jiān)測所提取，為故障診斷的后期奠定了重要基礎(chǔ)。

圖2 Map Reduce計(jì)算模型流程圖Fig.2 Map Reduce calculation flow diagram

2.2 故障智能診斷的實(shí)現(xiàn)

任何故障問題都能用一個(gè)與其對應(yīng)的維度向量來表示。例如，有m個(gè)故障問題的事例Ci(i＝1，2，…n)，其能用維度數(shù)為m的向量來表示，即Ci=(ai1,ai2,…,aim)。其中，aij(j＝1，2...m)是事例Ci的第j個(gè)故障特征根。因此，在計(jì)算故障事例間的相似性這一問題時(shí)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)其能轉(zhuǎn)換為所對應(yīng)事例特征向量間的相似性問題，而事例Ci和Cj間的相似度必須滿足3點(diǎn)基本要求如下：

NN方法是CBR系統(tǒng)中最普遍的事例檢索辦法，新舊事例間的相似性是通過新舊事例相對應(yīng)的特征權(quán)重之和得到的，并同時(shí)在里面選出最相近的事例。但一般認(rèn)為，NN方法在故障發(fā)生時(shí)，不同的特征所起的作用是不盡相同的，所以在檢索事例中應(yīng)為每一個(gè)特征賦予相對應(yīng)的權(quán)值。其采用計(jì)算事例之間的相似度如下：

式中，wk表示事例特征向量的第k個(gè)特征權(quán)值，一般情況下∑wk＝1；aik表示案例Ci第k個(gè)特征取值；ajk表示Cj第k個(gè)特征取值；sim(aik，ajk)表示事例Ci和Cj的第k個(gè)特征相似度。

因此，在特定云計(jì)算的基礎(chǔ)上運(yùn)用此技術(shù)能在很大程度上改善故障診斷過程，并在工程上得到了很好的驗(yàn)證。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

依據(jù)天津理工大學(xué)的研究成果，在天津市海天量子科技發(fā)展有限公司內(nèi)建立了一個(gè)電力系統(tǒng)綜合集控中心，在天津瑞能電氣有限公司建立一個(gè)智能變電站示范平臺。集控中心的建設(shè)如圖3所示，采用7× 24,h人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)有400電話，隨時(shí)處理用戶存在的問題。

圖3 集控中心圖Fig.3 Centralized control center

3.1 天津理工大學(xué)智能電改集控項(xiàng)目

依據(jù)自身研究成果，對傳統(tǒng)變電站進(jìn)行變電站智能改造，改造后其數(shù)據(jù)傳輸?shù)教旖蚴泻Ｌ炝孔涌萍及l(fā)展有限公司集控中心，同時(shí)在本學(xué)校建立一個(gè)后臺監(jiān)控屏。

3.1.1 集控中心信息展示系統(tǒng)

集控室工作站通過分屏顯卡將客戶端信息分屏幕輸出，部分輸出的視頻信號再通過VGA分配器分別輸出到桌面顯示器和LCD顯示屏，集控中心人員通過控制器選定展示在LCD大屏上的內(nèi)容信息，場站監(jiān)控以及調(diào)度工作同時(shí)進(jìn)行，互不干擾。

3.1.2 通訊功能的實(shí)現(xiàn)

將理工大學(xué)9個(gè)土建站已經(jīng)鋪設(shè)好的鐵通光纖，通過上面提到的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與集控中心后臺軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，箱站則通過光纖將數(shù)據(jù)上傳至中心電力通信管理機(jī)，之后統(tǒng)一上傳至后臺系統(tǒng)，并利用雙通道無線路由器將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)教旖蚴泻Ｌ炝孔涌萍及l(fā)展有限公司變電站集控中心。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

理工大學(xué)變電站的數(shù)據(jù)采集一方面是利用其配電設(shè)備的智能儀表及微機(jī)保護(hù)裝置對現(xiàn)有的電力運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)增加了環(huán)境監(jiān)測、水浸等傳感器，用來監(jiān)測變電站的環(huán)境及電纜溝是否滲水等情況。其傳感器如圖4所示。

圖4 傳感器Fig.4 Sensor

3.1.4 監(jiān)控中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

集控系統(tǒng)是智能化、平臺化的調(diào)度SCADA系統(tǒng)，是調(diào)度中心和運(yùn)行人員實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)視、控制的人機(jī)界面，同時(shí)具有計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)信息保存檢索、報(bào)表處理和事故追憶等應(yīng)用功能，是無人值守變電站安全運(yùn)行的可靠保障?；窘Y(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器組成，而電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視是通過人機(jī)交互系統(tǒng)以圖形方式直觀顯示各開關(guān)、刀閘位置，線路功率、電流等潮流信息，可對各畫面進(jìn)行放大、縮小、導(dǎo)航、分層查看等操作。

3.1.5 變電站現(xiàn)場

天津理工大學(xué)變電站共改造9座土建站及15個(gè)箱式變電站，變電站改造后天津市海天量子科技發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)變電站的運(yùn)行管理，開展操作、消缺等工作。圖5為理工大學(xué)變電站現(xiàn)場內(nèi)部圖，圖6為天津市海天量子科技發(fā)展有限公司的工作人員對變電站的操作、消缺處理。

圖5 變電站內(nèi)部圖Fig.5 Substation internal diagram

3.2 中國石油化工股份有限公司天津分公司10,kV變電站智能化改造

中國石油化工股份有限公司天津分公司10,kV變電站為工業(yè)用電，變電站位于地上一層，站內(nèi)布線為纜溝布線。本站為10,kV單電源供電，站內(nèi)高壓配電柜6面(進(jìn)線隔離柜、PT柜、出線開關(guān)柜、計(jì)量柜、1#變壓器出線柜、2#變壓器出)；變壓器2臺；低壓配電柜共15面[2受總柜＋1母聯(lián)共3面，框架開關(guān)柜3面(含6個(gè)框架開關(guān))，抽屜開關(guān)柜5面(含22個(gè)抽屜開關(guān))，二次屏3面]。基于云計(jì)算的變電站智能化改造技術(shù)與理工大學(xué)的方案一致。變電站現(xiàn)場如圖7所示。

圖6 變電站操作、消缺圖Fig.6 Substation operation and eliminating process

圖7 中石化天津分公司變電站Fig.7 China Petrochemical Co.，Ltd.Tianjin Branch substation

3.3 其他改造案例

除了上述的2個(gè)案例外，依據(jù)天津理工大學(xué)的研究成果，天津市海天量子科技發(fā)展有限公司及天津瑞能電氣有限公司對聯(lián)通、富士康、天津天海源電氣技術(shù)有限責(zé)任公司、空客A320、三星、天津清能科技有限公司、佛羅倫薩小鎮(zhèn)、大唐國際、天津高通科技有限責(zé)任公司、北京德蘭普科技有限責(zé)任公司、鳳凰城、工程機(jī)械研究所等用戶進(jìn)行變電站智能化改造，并對這些用戶提供變電站的運(yùn)維管理服務(wù)。下圖8～11為客戶變電站現(xiàn)場圖。

圖8 天津天海源變電站巡檢圖Fig.8 Tianjin Tianhai source substation inspection

圖9 天津清能科技變電站圖Fig.9 Tianjin Cleanergy Technology substation

圖10 天津高通科技變電站圖Fig.10 Tianjin Qualcomm Technology substation

圖11 北京德蘭普科技變電站圖Fig.11 Beijing Delan Pu Technology substation

4 總 結(jié)

該項(xiàng)目將云計(jì)算技術(shù)成功運(yùn)用到變電站智能化改造中，實(shí)現(xiàn)了變電站的無人值守，使變電站運(yùn)行更加安全，并可準(zhǔn)確地對電氣設(shè)備預(yù)測故障，避免了設(shè)備突發(fā)性損壞引起的停電事故，社會(huì)效益明顯。

［1］ 宋璇坤，沈江，李敬如，等. 新一代智能變電站概念設(shè)計(jì)[J]. 電力建設(shè)，2013(6)：11-15.

［2］ 楊成友. 基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)信息平臺[J]. 通訊世界，2016(3)：24.

［3］ 蘇大威，許祖鋒，李云鵬，等. 智能電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電器與能效管理技術(shù)，2015(5)：8-21.

Applied Research of Cloud Computing Technology in the User Side Intelligent Substation System

QIN Zhenwei1，ZHOU Xuesong1，GAO Zhiqiang1，ZHOU Congrong2
(1.Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin University，Tianjin 300072，China)

An intelligent diagnosis system for substation equipment based on cloud platform was introduced.The system is composed of substation central control station，cloud platform and intelligent sensors.The substation central control station can further confirm the fault by calling advanced diagnostic methods while sending out warning alarm signals at the same time.The Intelligent Electronic Devices(IED)are core components of the cloud platform.Based on the principles of task scheduling，the cloud platform is able to allocate resources reasonably.Real-data collected by intelligent sensors are sent to the cloud platform.Then，the cloud computing platform for the new scheme was proposed based on the above system，which is applied to equipment monitoring.The cloud operations management platform was built based on the technology of data fusion.In the end of this article，a series of successful application results of the platform were enumerated.

central control station；equipment monitoring；cloud operations management platform

TM72

：A

：1006-8945(2016)09-0067-04

2016-08-31