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(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 興義供電局，貴州 興義 562400 )

0 引言

隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)展和復(fù)雜，對(duì)變電站數(shù)據(jù)的可靠性、完整性、實(shí)時(shí)性等的要求日益提高[1]。特別是隨著智能變電站的推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)變電站的監(jiān)測(cè)手段已不能適應(yīng)智能變電站發(fā)展要求，如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信下的智能變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和預(yù)警成為智能變電站開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修的依據(jù)，是當(dāng)前變電站自動(dòng)化提高運(yùn)行管理水平迫切需要解決的課題[2]。

1 現(xiàn)狀分析

智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)變電站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可以快速地定位故障設(shè)備部位和異常問(wèn)題，大幅度減少智能變電站的維護(hù)生產(chǎn)成本。由于對(duì)智能變電站的故障能進(jìn)行預(yù)判斷，極大的減少了智能變電站硬件設(shè)備的故障發(fā)生率，延長(zhǎng)了智能變電站壽命[3]。

通過(guò)提高智能變電站故障判斷分析能力，能更好地判斷故障點(diǎn)，避免了需停用智能變電站才能判斷故障點(diǎn)的情況，從而大幅度地提高故障處理能力，避免重復(fù)性故障的出現(xiàn)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)智能變電站故障的預(yù)警，能極大地減少智能變電站故障出現(xiàn)幾率，把故障消除在萌芽狀態(tài)，有效地減少了智能變電站故障引起的停電處理以及事故發(fā)生。高效的智能變電站在線監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)，能有效地保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少智能變電站故障引起的損失，產(chǎn)生大量的間接經(jīng)濟(jì)效益。

智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)，依賴于變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置提供技術(shù)支持。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的主要作用是記錄通信節(jié)點(diǎn)的通信過(guò)程，以記錄文件的方式保存在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置本地，待發(fā)現(xiàn)通信故障后從本地分析系統(tǒng)調(diào)取相關(guān)記錄文件進(jìn)行分析。

但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置存在一定的局限性和不足。首先，裝置必須安裝于變電站站內(nèi)，發(fā)現(xiàn)通信故障后，需要到當(dāng)?shù)厝ト∠嚓P(guān)的記錄文件，耗時(shí)耗力，不方便，效率低；第二，在每個(gè)變電站的記錄信息不能共享，記錄數(shù)據(jù)量大，分析復(fù)雜，數(shù)據(jù)利用率低，造成極大的浪費(fèi)[4]。

隨著網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置逐步深入使用，現(xiàn)有的在線監(jiān)視系統(tǒng)，無(wú)法高效地管理這些網(wǎng)絡(luò)通信記錄裝置和記錄文件，提高工作效率，縮短工作流程，特別是智能變電站的普及，網(wǎng)絡(luò)安全的重要性日益凸現(xiàn)[4]，亟需研發(fā)一套系統(tǒng)可以長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信和智能變電站的實(shí)時(shí)工作情況。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)變電站現(xiàn)有的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析能力不足以適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展需求，本文結(jié)合當(dāng)前電力信息系統(tǒng)所采用的層次化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別從主站和從站兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)， 研發(fā)一種新型的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析系統(tǒng)。

所研發(fā)的系統(tǒng)對(duì)智能變電站實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)控，除了實(shí)現(xiàn)智能變電站運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)方可視化監(jiān)測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)定值、配置參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集、上送、展示、存儲(chǔ)及查詢、告警、故障定位與分析等功能[5]。

調(diào)度中心作為電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)核心，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)方的各個(gè)變電站進(jìn)行信息交互，因此，調(diào)度中心作為電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)的主站，各個(gè)變電站作為子站。以1套主站系統(tǒng)和2個(gè)子站的系統(tǒng)為例，電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

主站端通過(guò)采用基于SVG圖形建模方式，以大量圖形化的直觀界面，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)子站端上傳的告警、錯(cuò)誤和預(yù)警情況，并根據(jù)通報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估；主站端支持WEB功能，支持提取通信數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的離線分析，適用于管理、運(yùn)行和檢修人員，將缺陷或異常與檢修策略關(guān)聯(lián)，以方便用戶進(jìn)行故障的處理。

子站端對(duì)智能變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行采集處理、分析歸納、展示利用等電力數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)變電站端站內(nèi)智能變電站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能變電站可視化綜合管理，將全站狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依托現(xiàn)有的遠(yuǎn)動(dòng)通道或獨(dú)立通道實(shí)時(shí)上送到主站，響應(yīng)遠(yuǎn)方命令，完成遠(yuǎn)方召喚服務(wù)。

2.1 主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主站的前置通信服務(wù)器完成電力在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集功能，通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)SPDnet等電力專用通信網(wǎng)絡(luò)[6]，接收來(lái)自于各個(gè)子站的監(jiān)測(cè)信息。為了保障電力信息安全，根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)的總體方案，在主站設(shè)立了安全I(xiàn)I區(qū)和安全I(xiàn)II區(qū)，并嚴(yán)格執(zhí)行“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的規(guī)定[7]，如圖2所示。

圖2 主站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

II區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)向III區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)同步實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)時(shí)，支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存機(jī)制，只有確認(rèn)服務(wù)端已經(jīng)接收到這些請(qǐng)求后，才將其從緩存文件中刪除；如果在發(fā)送這些請(qǐng)求報(bào)文的過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)通訊或者數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)生故障，客戶端接口會(huì)持續(xù)緩存請(qǐng)求報(bào)文，當(dāng)數(shù)據(jù)通訊恢復(fù)正常后，客戶端程序接口會(huì)逐步將緩存的數(shù)據(jù)重新發(fā)送到客戶端，從而能夠保證提交數(shù)據(jù)在故障過(guò)程中不丟失。

2.2 子站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

子站系統(tǒng)通過(guò)采集IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三層兩網(wǎng)體系中所有通信過(guò)程外[8]，還包括了遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)到調(diào)度主站的 IEC104通信的監(jiān)視與分析，如圖3所示。

圖3 子站數(shù)據(jù)采集示意圖

在線監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)包括站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，納入在線監(jiān)測(cè)的智能變電站包括：

1)站控層設(shè)備(監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)、站控層交換機(jī))；

2)間隔層設(shè)備(測(cè)控裝置)；

3)過(guò)程層設(shè)備(合并單元、智能終端、過(guò)程層交換機(jī))；

間隔層、站控層智能變電站在線監(jiān)測(cè)信息直接上送至智能變電站在線監(jiān)測(cè)子站。

過(guò)程層智能變電站在線監(jiān)測(cè)信息由采集設(shè)備(即采集終端)采集后上送至智能變電站在線監(jiān)測(cè)子站。

智能變電站在線監(jiān)測(cè)子站負(fù)責(zé)匯集全站智能變電站在線監(jiān)測(cè)信息，并將在線監(jiān)測(cè)信息上送主站。

3 軟件結(jié)構(gòu)

3.1 主站軟件

在線監(jiān)測(cè)主站采集智能變電站運(yùn)行的關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)智能變電站的在線監(jiān)視、異常分析、狀態(tài)評(píng)價(jià)和集中管理[9]。包括了系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件3個(gè)主要部分。

圖4 主站系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)軟件采用開(kāi)源軟件Linux系統(tǒng) ，既能充分利用Linux對(duì)應(yīng)用軟件的良好支持，又能避免專用商業(yè)軟件的技術(shù)上的封閉性和安全上的不可控性。支撐軟件采用Oracle大型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以高效處理從各個(gè)子站匯集過(guò)來(lái)的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過(guò)JDBC和OCI接口，為上層的應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

考慮JAVA具有良好的擴(kuò)展性，可靈活跨平臺(tái)應(yīng)用，采用JAVA進(jìn)行主站應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。同時(shí)由于SSPO1系統(tǒng)軟件平臺(tái)提供豐富的應(yīng)用接口，包括用戶及權(quán)限管理、組態(tài)界面配置、自定義報(bào)表管理、全局配置管理、圖元庫(kù)管理、配置體系等內(nèi)容，應(yīng)用SSPO1系統(tǒng)軟件平臺(tái)將大幅降低應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)難度。

應(yīng)用軟件直接展現(xiàn)給用戶具體功能，智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)主要包括子站接入模塊、系統(tǒng)評(píng)估模塊、系統(tǒng)自檢模塊、SVG圖形生成模塊、HMI人機(jī)交互模塊、模型參數(shù)生成模塊、正向隔離穿透模塊和WEB發(fā)布模塊等核心內(nèi)容。重點(diǎn)介紹SVG圖形生成模塊和WEB發(fā)布模塊兩個(gè)技術(shù)開(kāi)發(fā)難點(diǎn)。

SVG作為可縮放矢量圖形，具有任意縮放、文本獨(dú)立、較小文件、超強(qiáng)顯示效果、超級(jí)顏色控制、高交互性和智能化的特點(diǎn)，可加強(qiáng)智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)的顯示效果。采用SVG作為圖形顯示格式，能夠直觀方便的描述出二次回路的連接信息及狀態(tài)。

Web發(fā)布子系統(tǒng)采用跨平臺(tái)、高性能、可伸縮的JAVA技術(shù)構(gòu)建，應(yīng)用MVC架構(gòu)對(duì)WEB系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。

3.2 子站軟件

圖5 子站軟件架構(gòu)示意圖

子站通過(guò)SNMP通信庫(kù)與網(wǎng)管接入設(shè)備互連，并通過(guò)MMS-EASE Lite提供的IEC61850通信庫(kù)與站控、間隔層設(shè)備交換信息[10]，并通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與主站系統(tǒng)聯(lián)系。

相對(duì)于主站采用Oracle大型數(shù)據(jù)庫(kù)匯集多個(gè)子站信息，單個(gè)子站的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，因此采用方便易用的MySQL小型數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)SDK接口向上層提供應(yīng)用數(shù)據(jù)。

子站也采用SSPO1系統(tǒng)軟件平臺(tái)，利用SSPO1系統(tǒng)軟件平臺(tái)所提供豐富的應(yīng)用接口，降低應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)難度。子站軟件主要完成通信功能，包括通信采集模塊、通信處理模塊、通信存儲(chǔ)模塊、通信監(jiān)聽(tīng)模塊，還涉及模型生成模塊、人機(jī)工作站模塊和主站上傳模塊等。

4 數(shù)據(jù)分析

電力二次系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息是智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但由于電力運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)涉及多個(gè)不同類型的系統(tǒng)和設(shè)備，所采用的軟件和硬件也不完全一致，導(dǎo)致所提供的數(shù)據(jù)電力二次具有多態(tài)化、多樣化和復(fù)雜化特征[11-12]。

結(jié)合智能變電站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)電力二次系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行梳理和分析，如圖6子站信息數(shù)據(jù)圖所示。具體包括：

圖6 子站信息數(shù)據(jù)圖

1)站控層設(shè)備信息：站控層設(shè)備(含數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備)采集信息主要包括：CPU占有率、內(nèi)存占用率、硬盤剩余空間、網(wǎng)絡(luò)接口及通道通斷、電源工況、關(guān)鍵進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)等。

2)間隔層設(shè)備狀態(tài)：間隔層設(shè)備(含測(cè)控裝置等)采集信息主要包括：硬件異常信息(采樣出錯(cuò)、ROM出錯(cuò)、RAM出錯(cuò)、開(kāi)出接點(diǎn)異常等)、內(nèi)部通訊異常信息、配置異常信息(定值、壓板、配置文件等)、監(jiān)視到的二次回路異常等。

3)過(guò)程層設(shè)備狀態(tài)：過(guò)程層設(shè)備(合并單元)的采集信息主要包括：硬件異常信息(采樣出錯(cuò)、ROM出錯(cuò)、RAM出錯(cuò)、開(kāi)出接點(diǎn)異常等)、內(nèi)部通訊異常信息、配置異常信息(定值、壓板、配置文件等)、光功率監(jiān)視、光強(qiáng)越限、通信鏈路監(jiān)視、對(duì)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視等。

過(guò)程層設(shè)備狀態(tài)信息通過(guò)GOOSE發(fā)送給在線監(jiān)測(cè)采集終端，在線監(jiān)測(cè)采集終端送至子站。

4)公用設(shè)備狀態(tài)：

(1)交換機(jī)狀態(tài)。交換機(jī)狀態(tài)信息包括硬件自檢及設(shè)備外設(shè)自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，具體包括：內(nèi)存，F(xiàn)lash，EEPOM，RTC，MAC/PHY、數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)口狀態(tài)等。

(2)二次安防設(shè)備狀態(tài)。對(duì)于硬件防火墻、隔離裝置等無(wú)軟報(bào)文輸出設(shè)備，通過(guò)硬結(jié)點(diǎn)的方式采集電源告警信號(hào)。如果硬件防火墻、隔離裝置支持SNMP協(xié)議，宜可通過(guò)SNMP的方式采集內(nèi)部告警、運(yùn)行工況信息[13]。

(3)電源設(shè)備狀態(tài)。電源設(shè)備(直流屏、UPS、通信電源、一體化電源)采集的狀態(tài)信息主要包括電源的工作狀態(tài)和告警信息。

(4)時(shí)鐘設(shè)備狀態(tài)。時(shí)鐘設(shè)備狀態(tài)信息主要包括工作狀態(tài)和外部時(shí)源、天線、守時(shí)、時(shí)間連續(xù)等異常狀態(tài)信息[13]。

針對(duì)智能變電站三層兩網(wǎng)以及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中所有通信協(xié)議的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)對(duì)智能變電站根據(jù)智能變電站模型中的通信特征，精確提取特征點(diǎn)，將所有不同協(xié)議的不同通信鏈路歸檔為狀態(tài)量、事件量和統(tǒng)計(jì)量三類結(jié)果信息，每一類信息中抽象對(duì)應(yīng)的信息點(diǎn)，如圖7所示，形成中心監(jiān)測(cè)狀態(tài)評(píng)估支撐數(shù)據(jù)，并放入相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。從而完成抽象化模型配置和解析工具，并依據(jù)智能變電站模型不斷的完善[14]。

圖7 數(shù)據(jù)處理示意圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

所研發(fā)一種新型的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析系統(tǒng)，已在地市供電局得到了應(yīng)用。通過(guò)調(diào)度中心的主站與多個(gè)智能變電站的子站信息交互，完成智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)功能及其展示的直觀界面，形成了較為完善的智能變電站運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視系統(tǒng)，分別介紹主站系統(tǒng)和從站系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。

5.1 主站系統(tǒng)

調(diào)度中心通過(guò)電力專用網(wǎng)絡(luò)，匯集該地市供電局所管理的各個(gè)變電站的工況信息，主站可以直觀地顯示各個(gè)子站的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析情況。

主站系統(tǒng)工況界面左側(cè)列表羅列各個(gè)子站的總體統(tǒng)計(jì)情況并以圖形形式直觀呈現(xiàn)所占據(jù)的比重，界面右側(cè)為各個(gè)子站的具體情況，包括變電站名稱、得分和統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間等屬性，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員通過(guò)該主站系統(tǒng)工況圖，在初步掌握各個(gè)變電站整體情況基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)入到各個(gè)子站的分析界面，進(jìn)一步掌握各個(gè)子站的細(xì)化信息。

主站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視界面，可以觀察通信網(wǎng)絡(luò)方面的監(jiān)控信息，包括通信業(yè)務(wù)狀態(tài)、通信鏈路狀態(tài)和網(wǎng)分自檢狀態(tài)等信息，通過(guò)不同的指示燈以直觀地形式展現(xiàn)當(dāng)前各個(gè)子站的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視情況，并能對(duì)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖8 事件統(tǒng)計(jì)示意圖

由于電力信息流具有突發(fā)性的特點(diǎn)，主站需要收集多個(gè)子站的信息，對(duì)主站的通信和數(shù)據(jù)處理能力提出了嚴(yán)格要求[15-16]。對(duì)子站進(jìn)行如下的典型測(cè)試，以深入分析子站性能。

測(cè)試PC采用Intel酷睿2雙核2.5 G、2 G內(nèi)存、7 200轉(zhuǎn)硬盤；批量順序提交數(shù)據(jù)處理事件數(shù)為100 000個(gè)標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽每次批量提交100個(gè)數(shù)據(jù)；大約每秒300萬(wàn)事件，逐點(diǎn)順序提交數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果通過(guò)分析CPU使用率，表明CPU和硬盤是性能瓶頸，這表明提升CPU和硬盤的性能指標(biāo)，基于分布式的海量實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的上述兩項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)應(yīng)會(huì)有較大提升空間。

5.2 子站系統(tǒng)

子站系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要顯示該智能變電站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況和各個(gè)設(shè)備的具體信息，變電站的事件查詢結(jié)果以表格形式體現(xiàn)，并支持結(jié)果的打印、導(dǎo)出等進(jìn)一步操作。

子站的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析系統(tǒng)，也支持完整的在線監(jiān)測(cè)和故障分析功能。圖8所示為智能變電站告警事件的統(tǒng)計(jì)功能，并自動(dòng)按告警事件的影響級(jí)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果能以表格柱形圖表的方式進(jìn)行直觀顯示。

6 結(jié)論

針對(duì)變電站現(xiàn)有的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析能力不足以適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展需求，研發(fā)了一種新型的智能變電站在線監(jiān)測(cè)及故障定位分析系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信及智能變電站狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警評(píng)估，該系統(tǒng)能提高電網(wǎng)的安全性和可靠性，從而將運(yùn)行管理水平提高到一個(gè)新的層面。

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