李 波 溫文劍 楊梓文 顏 麗 曾令森

基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統(tǒng)設計

李 波1溫文劍1楊梓文1顏 麗2曾令森2

（1. 廣西電網(wǎng)有限責任公司梧州供電局，廣西 梧州 543002； 2. 武漢華電順承科技有限公司，武漢 430071）

針對傳統(tǒng)錄波主站難以支撐最新的“四合一”智能錄波器數(shù)據(jù)量激增的問題，以及拓展二次系統(tǒng)運行可視化和設備智能運維等新型業(yè)務的需求，本文提出一套基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統(tǒng)。設計主站系統(tǒng)的整體框架，提出功能模塊之間的透明運作流程，解決對常規(guī)和智能錄波器的無差別兼容、異構數(shù)據(jù)的標準化處理兩大基本問題，研究基于虛擬化的任務計算透明技術和基于可視化的運行狀態(tài)透明技術，通過對過程指標的實時監(jiān)控和運行狀態(tài)的全景展示，提高調(diào)度對故障的認知水平和掌控力度。實踐結果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)電網(wǎng)級運行狀態(tài)感知和故障快速處理的目標。

智能錄波主站；透明體系；虛擬化；可視化；全景感知

0 引言

目前最新的“四合一”智能錄波器集成了保信、網(wǎng)分、二次系統(tǒng)可視化和智能運維四大功能，實現(xiàn)了智能變電站的全景化監(jiān)控和透明化運作[1-2]，而現(xiàn)有的繼電保護調(diào)度管理技術遠遠滯后于智能變電站運行技術的發(fā)展，存在信息、數(shù)據(jù)、計算和運行不透明的問題，難以應對“四合一”智能錄波器數(shù)據(jù)激增和類型繁多的情況，難以滿足調(diào)度對數(shù)據(jù)分析過程細節(jié)掌控和整體狀態(tài)直觀感受的實際需求[3-4]，在“四合一”智能錄波器廣泛推廣前，展開與之相適應的智能錄波主站系統(tǒng)的研究，推進反映電網(wǎng)整體運行狀態(tài)的主站系統(tǒng)全景信息的透明化，是電力系統(tǒng)領域一個亟待解決的問題。

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、可視化等技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)開展了基于智能錄波器的主站系統(tǒng)方面的研究。在主站智能化研究方面，文獻[5-6]指出基于人工的電網(wǎng)監(jiān)控運行分析方法已不能滿足電網(wǎng)智能化發(fā)展的要求，提出構建電網(wǎng)故障智能診斷系統(tǒng)的重要性，但未深入研究常規(guī)變電站向智能變電站過渡階段對異型錄波器的兼容問題。在異構數(shù)據(jù)分析方面，文獻[7-9]通過對異構數(shù)據(jù)屏蔽語義差異進行聚合分析和信息挖掘，但對異構數(shù)據(jù)的差異性進行標準化處理的細節(jié)描述不詳。在運行狀態(tài)可視化方面，文獻[10-11]主要研究智能變電站報文的可視化方法及二次電纜回路的圖形呈現(xiàn)，偏向于變電站側局部數(shù)據(jù)的展示，且未建立可視化內(nèi)容向主站側傳遞的有效途徑，信息利用方面存在一定的局限性?；凇八暮弦弧敝悄茕洸ㄆ髑夷苤鲃臃从畴娋W(wǎng)整體狀態(tài)的主站系統(tǒng)可視化方面的研究較為鮮見。

基于此，本文結合李立浧院士提出的透明電網(wǎng)先進理念，將小微智能傳感器、智能設備和軟件平臺等元素搭建的電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構融入錄波主站系統(tǒng)架構設計中，利用“四合一”智能錄波器監(jiān)測到的故障數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)、網(wǎng)絡鏈路和可視化數(shù)據(jù)等，在調(diào)度側進行高層次抽象，設計一套基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統(tǒng)，集中監(jiān)測和展示數(shù)據(jù)處理過程中的關鍵指標和全網(wǎng)運行狀態(tài)，調(diào)度支持從數(shù)據(jù)判斷型向透明感知型轉變，提高調(diào)度對故障的敏感度和決策效率。

1 新一代透明體系錄波主站整體架構設計

新一代錄波主站系統(tǒng)透明體系架構如圖1所示，實現(xiàn)對電網(wǎng)信息的細粒度透明展示，滿足用戶動態(tài)化的信息查詢和定制化的服務請求。透明體系架構包含數(shù)據(jù)集中層、業(yè)務邏輯層和透明展示層三個部分。

圖1 新一代錄波主站系統(tǒng)透明體系架構

1）數(shù)據(jù)集中層：將所屬轄區(qū)內(nèi)的變電站進行一站式數(shù)據(jù)接入，開發(fā)規(guī)約轉換算法庫，進行數(shù)據(jù)的即時通信和快速集成，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)清洗、容錯和轉碼等工作，將格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲于分布式數(shù)據(jù)庫，為業(yè)務邏輯層提供基礎數(shù)據(jù)透明服務。

2）業(yè)務邏輯層：對不同門戶的業(yè)務邏輯進行設計，利用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術手段，進行數(shù)據(jù)深度挖掘和關聯(lián)分析，提供綜合評估結果[12]，根據(jù)主站系統(tǒng)故障分析、智能巡檢和運行狀態(tài)等信息，主動分析電力系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，將故障或潛在問題進行等級劃分和智能告警。

3）透明展示層：面向不同對象的需求，將業(yè)務邏輯層不同門戶處理后的信息，進行封裝并整合到服務端，實現(xiàn)集中調(diào)度、動態(tài)管理的目標。將系統(tǒng)管理的故障信息和發(fā)布渠道、動態(tài)圖元等元素進行關聯(lián)，實現(xiàn)可視化界面細粒度按需定制，通過電力系統(tǒng)整體狀態(tài)的透明展示，提高主站對調(diào)度的決策支持力度。

2 新一代錄波主站系統(tǒng)透明運作流程

新一代錄波主站系統(tǒng)透明運作流程如圖2所示，由信息透明、數(shù)據(jù)透明、計算透明、運行透明四個步驟組成。

圖2 新一代錄波主站系統(tǒng)透明運作流程

1）信息透明：建立不同型號對應的通信服務模型和統(tǒng)一數(shù)據(jù)轉出接口，實現(xiàn)非同型設備之間的數(shù)據(jù)特征識別和通信服務自適應，確保一站式無差別接入。多來源數(shù)據(jù)異步處理，提高通信服務器資源在透明體系下的目標轉換效率，確保錄波器連接和數(shù)據(jù)接收的可靠性。

2）數(shù)據(jù)透明：適應全網(wǎng)智能與常規(guī)型號的故障錄波器及主站智能化報文格式的無損轉換，采用了友好容錯和安全轉碼技術，對不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)直接在主站端調(diào)取一次定值模型，重新生成標準配置參數(shù)，擺脫格式不規(guī)范對數(shù)據(jù)存儲和分析的影響。

3）計算透明：通過對數(shù)據(jù)的分揀和任務的分類，優(yōu)先處理有明顯故障特征或有開關變位標識的錄波文件，利用虛擬化的任務透明計算技術，根據(jù)系統(tǒng)當前資源消耗情況為不同類型和大小的任務合理匹配虛擬機資源，同時監(jiān)視和管控任務執(zhí)行進度，及時釋放空閑資源。

4）運行透明：系統(tǒng)的故障信息發(fā)布、可視化展示和智能巡檢等功能，面向用戶實現(xiàn)系統(tǒng)信息的細粒度定制和可視化展示，以及自身及所連接錄波器的運行、通信、定值配置等情況的自動巡視，支持巡視結果編輯和輸出等。

面向服務對象進行細粒度需求內(nèi)容的定制，實現(xiàn)事件定義、信息共享和人機交互的透明運作模式，提高新一代智能錄波主站的綜合服務能力。

3 常規(guī)變電站向智能變電站過渡階段基本問題的解決

當前智能變電站和常規(guī)變電站處于共存的狀態(tài)，智能錄波器和常規(guī)錄波器的結構和數(shù)據(jù)的量級都有較大的區(qū)別，新一代智能錄波主站系統(tǒng)在適應常規(guī)變電站向智能變電站過渡過程中，首先需要解決現(xiàn)有信息和數(shù)據(jù)不透明兩大基本問題，完成異型錄波器無差別接入和異構數(shù)據(jù)標準化處理，便于后續(xù)程序裝載運用。

3.1 常規(guī)和智能錄波器無差別接入的可靠性處理

新一代透明體系錄波主站通信規(guī)約自適應邏輯結構如圖3所示，由于常規(guī)錄波器廠商自有規(guī)約基本是IEC 60870—5—103規(guī)約的變種，智能變電站錄波器遵循IEC 61850標準規(guī)約，因此新一代智能錄波主站系統(tǒng)應至少能同時適配以上兩種規(guī)約的通信框架，在與標準規(guī)約保持同步的同時，還具備向下兼容的能力，以適應現(xiàn)有大部分常規(guī)變電站錄波器規(guī)約向完全遵循標準規(guī)約的平滑過渡。

圖3 通信規(guī)約自適應邏輯結構

非標準規(guī)約上傳的遠動數(shù)據(jù)按標準規(guī)約定義的信息模型進行重組，具體的規(guī)約轉換步驟如下：

1）規(guī)約解析。將非標準規(guī)約錄波器監(jiān)測的模擬量和狀態(tài)量信息，解析成遙測和遙信等變電站規(guī)約信息，將解析后的信息存入實時數(shù)據(jù)庫中。

2）自適應轉換。根據(jù)IEC 61850標準中的定義，建立非標準規(guī)約向標準規(guī)約轉換的信息模型；根據(jù)錄波器屬性信息和非標準規(guī)約通信結構特點在算法庫中進行規(guī)約轉換映射關系的自動匹配加載，將其他非標準規(guī)約進行自適應轉換。

3）信息透明。將實時數(shù)據(jù)庫中解析完成的變電站信息，向?qū)腎EC 61850轉換網(wǎng)關信息模型的對象屬性進行映射，完成不同規(guī)約的標準化轉換，實現(xiàn)常規(guī)和智能錄波器無差別接入的通信需求[13-14]。

3.2 異構數(shù)據(jù)標準化處理的質(zhì)量提升

智能、常規(guī)錄波器記錄的數(shù)據(jù)類型不同，“四合一”智能錄波器的數(shù)據(jù)更為豐富，不僅有錄波數(shù)據(jù)，還包含網(wǎng)絡報文、二次系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)和運維數(shù)據(jù)等，透明體系錄波主站統(tǒng)一進行異構數(shù)據(jù)的友好容錯、安全轉碼和透明訪問等標準化處理，流程如圖4所示。

1）友好容錯：對不符合標準的數(shù)據(jù)識別為非標準數(shù)據(jù)，利用通用補償列表或調(diào)取一次定值模型等方式生成標準參數(shù)配置信息，對非標準數(shù)據(jù)調(diào)取適配的函數(shù)進行數(shù)據(jù)補全或重復數(shù)據(jù)的剔除等操作。

圖4 數(shù)據(jù)透明標準化處理流程

2）安全轉碼：利用參數(shù)差異度指標衡量異型錄波器模型參數(shù)之間差異的大小，不同來源、不同類型數(shù)據(jù)做細粒度處理，匹配到IEC 61850信息模型統(tǒng)一參數(shù)描述的數(shù)據(jù)通道，波形數(shù)據(jù)使用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang transform, HHT）算法平滑濾波降低噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的平滑性，其他類型數(shù)據(jù)聚合后進行一致化處理，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)無損和安全轉碼。

3）數(shù)據(jù)透明：將異構數(shù)據(jù)采用模板中間件映射為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)文件，主站進行數(shù)據(jù)訪問接口的集中管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集控式透明訪問[15-16]。

4 新一代透明體系錄波主站系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

在解決常規(guī)變電站向智能變電站過渡階段信息和數(shù)據(jù)不透明兩大基本問題的基礎上，新一代透明體系錄波主站系統(tǒng)的實現(xiàn)采用基于虛擬化的任務計算透明和基于可視化的運行狀態(tài)透明兩個關鍵技術。

4.1 基于虛擬化的任務計算透明技術

面對海量錄波數(shù)據(jù)，利用虛擬化技術，抽象錄波主站系統(tǒng)底層硬件資源，使硬件資源底層之間的差異做到透明，便于資源控制器對不同的虛擬計算資源進行統(tǒng)一調(diào)度和管理。

虛擬機是物理機CPU、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)絡帶寬分割后的一個個容器，具備物理機處理問題的能力和屬性。基于虛擬化技術的任務透明計算模型如圖5所示，不同類型任務運行于由通信、存儲、分析和發(fā)布服務器資源分割后的虛擬機中，多窗口任務的透明計算實際上可以轉化為任務處理效率或資源優(yōu)化利用的問題[17]。利用剩余資源反饋機制的資源優(yōu)化算法，將任務分配到動態(tài)負載均衡篩選出來的處理節(jié)點上，縮短計算時間，降低CPU和內(nèi)存等資源的占用[18]。

圖5 基于虛擬化技術的任務透明計算模型

4.2 基于可視化的運行狀態(tài)透明技術

智能變電站采用的IEC 61850報文艱深難懂，專業(yè)性門檻較高。系統(tǒng)采用可視化的圖形界面對繁瑣報文進行“翻譯”，可提高數(shù)據(jù)的直觀性和利用率，幫助調(diào)控人員快速掌握電網(wǎng)運行情況。

基于可視化的電網(wǎng)運行狀態(tài)透明展示如圖6所示，主站配置可視化環(huán)境和工具，采用多通道輸入實現(xiàn)不同展示內(nèi)容的快速互換，以細粒度定制和可視化的方式實現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)的透明，既可展示整體，又可近觀局部。

圖6 基于可視化的電網(wǎng)運行狀態(tài)透明展示

主站系統(tǒng)利用“四合一”智能錄波器的網(wǎng)絡報文、二次系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)集中展示通信鏈路通斷和電網(wǎng)全景狀態(tài)，利用運維數(shù)據(jù)進行全網(wǎng)設備狀態(tài)感知和評分，實現(xiàn)電網(wǎng)信息的整體透明。

運行透明主要包含：

1）事件的請求和響應。調(diào)度人員通過瀏覽器提交需求后，系統(tǒng)通過建立client和server之間的連接，解析需求內(nèi)容，查詢數(shù)據(jù)庫中與之匹配的靜態(tài)或動態(tài)數(shù)據(jù)源，查找結束后返回數(shù)據(jù)。

2）多視圖界面的編輯。將事件數(shù)據(jù)進行整理和提煉，封裝為圖形展示組件，提供圖形化編輯的支持；將可視化表現(xiàn)形式如餅圖、曲線、表格、樹圖、魚骨圖和柱狀圖等用戶界面（user interface, UI）控件封裝為自定義組件；通過腳本語言進行數(shù)據(jù)綁定、畫面布局及可視效果轉換等操作。

3）運行的可視化展示。系統(tǒng)提供圖形化的界面，可局部展示所關聯(lián)智能設備的實時狀態(tài)，亦可統(tǒng)計、分析、評分和可視化呈現(xiàn)電網(wǎng)整體狀態(tài)，透明掌握電網(wǎng)運行全景信息[19]。

運行透明實現(xiàn)了全網(wǎng)設備運行狀態(tài)的快速感知，調(diào)度站在全局視角進行狀態(tài)等級評定和資源統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，實現(xiàn)智能運維的目標[20]。

5 應用實例

5.1 監(jiān)測指標的提取

提取海量故障錄波數(shù)據(jù)分析過程監(jiān)測的關鍵指標見表1，基于監(jiān)測指標所反映的計算過程中系統(tǒng)性能的考量點，啟動自適應分析功能，分析系統(tǒng)性能瓶頸，通過對資源耗費情況的主動檢測，對資源運行過程中的系統(tǒng)性能進行主動評價，定期釋放閑置資源，保障系統(tǒng)的持續(xù)高性能。

表1 故障錄波數(shù)據(jù)分析過程監(jiān)測的關鍵指標

5.2 實例分析

傳統(tǒng)多機協(xié)同主站架構主要適用于處理常規(guī)錄波器故障數(shù)據(jù)業(yè)務，不能支持“四合一”智能錄波器規(guī)約轉換、二次設備可視化、運維數(shù)據(jù)的有效利用和展示，對智能站無數(shù)據(jù)處理能力，而新一代透明體系主站架構在適應“四合一”智能錄波器的同時，也極大程度地兼容現(xiàn)有的常規(guī)錄波器，面對“四合一”智能錄波器數(shù)據(jù)成倍增加的情況，主站具備較好的資源動態(tài)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)快速處理能力，且對故障分析過程進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和可視化展示，對故障情況的直觀表達有助于調(diào)度人員及早發(fā)現(xiàn)和處理問題，實現(xiàn)電網(wǎng)全景信息的整體透明。

為了驗證新一代錄波主站透明體系架構的優(yōu)勢，選取廣西某供電局2座常規(guī)變電站和2座南方電網(wǎng)的3C綠色示范智能變電站作為試點，覆蓋目前國內(nèi)9大主流廠商錄波器，采用透明體系架構進行主站系統(tǒng)的搭建，從信息、數(shù)據(jù)、計算和運行透明四個角度，建立異型錄波器兼容、數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、標準化處理、虛擬機計算和可視化展示等指標予以考核，針對性地統(tǒng)計傳統(tǒng)多機協(xié)同架構主站對應指標數(shù)據(jù)，并進行兩種主站架構的異構數(shù)據(jù)處理效率指標比對，其結果見表2。

表2 兩種主站架構的異構數(shù)據(jù)處理效率指標比對結果

從表2可以看出：

1）透明體系架構具有較好的兼容性和傳輸穩(wěn)定性，更適合對數(shù)量多、類型廣、維度高的異構數(shù)據(jù)進行一站式接收和處理。

2）采用透明計算模式，對分類后的任務和資源分配尋求動態(tài)平衡，主站的計算效率提升80%，有效緩解了計算耗時對調(diào)度決策延時所帶來的影響。

3）可視化展示細粒度定制化內(nèi)容的效率控制在1min以內(nèi)，加強了調(diào)度對故障和告警信息的直觀感受，提高調(diào)控機構的認知能力和決策水平。

6 結論

本文提出的基于透明體系的新一代智能錄波主站系統(tǒng)，與新一代“四合一”智能錄波器全景可視化發(fā)展相匹配，改變了過往調(diào)度管理技術滯后于智能變電站運行技術發(fā)展的局面，解決了電網(wǎng)運行狀態(tài)感知和智能運維“最后一公里”透明的盲區(qū)，是一整套全網(wǎng)信息透明化的調(diào)度決策支持解決方案。實踐結果表明，基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統(tǒng)在設備兼容、數(shù)據(jù)轉碼、透明計算和可視化展示方面較傳統(tǒng)主站有飛躍性的提升，可以有效解決故障分析過程和系統(tǒng)運作不透明的問題，可形成對全網(wǎng)運行狀態(tài)的快速感知和可視化監(jiān)視，實現(xiàn)透明體系往調(diào)度側的延伸和邁進。

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Design of new generation intelligent recorder master station system based on transparent architecture

LI Bo1WEN Wenjian1YANG Ziwen1YAN Li2ZENG Lingsen2

(1. Wuzhou Power Supply Bureau, Guangxi Power Grid Co., Ltd, Wuzhou, Guangxi 543002; 2. Wuhan Huadian Shuncheng Science Technology Co., Ltd, Wuhan 430071)

Aiming at the problem that the traditional recorder master station is difficult to support the data explosion of the latest “four in one” intelligent wave recorder, as well as expanding demands of the secondary system operation visualization, equipment intelligent maintenance and other new business, a new generation of intelligent recorder master station system based on transparency architecture is proposed. The overall framework of the master station system is designed. The transparent operation process of the functional modules is proposed. Two basic problems of the indiscriminate compatibility of conventional and intelligent recorders and the standardized processing of multi-source heterogeneous data are solved. Virtualized task computing transparency and visualized operation status transparency technology are researched. The level of awareness and control of faults in scheduling is improved through real-time monitoring of process indicators and panoramic display of operating status. Practical results show that the system can achieve goals of grid-level operation status perception and rapid fault handling.

intelligent recorder master station; transparent system; virtualization; visualization; panorama perception

2021-03-03

2021-04-01

李 波（1975—），男，廣西壯族自治區(qū)岑溪市人，碩士，高級工程師，主要從事繼電保護運行維護工作。

中國南方電網(wǎng)公司科技項目（GXKJXM20190701）