基于SOASOAOA的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

劉明軍，萬軍彪，李陽林

（江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

隨著傳感器、信息、網(wǎng)絡(luò)、故障診斷等技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測已逐步成為實時獲取設(shè)備狀態(tài)信息的重要手段[1]。近年來，各電網(wǎng)公司針對重要輸變電設(shè)備安裝了各種類型的在線監(jiān)測裝置[2-3]，如主變油中溶解氣體、微水、鐵心接地電流；線路覆冰、微氣象、圖像、舞動等，取得了一些應(yīng)用效果[4]。

然而，輸變電一次設(shè)備種類多，針對這些一次設(shè)備監(jiān)測的傳感器類型也具有多樣性特點，導(dǎo)致目前安裝的監(jiān)測裝置及前置子系統(tǒng)異構(gòu)且分散，不利于輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一部署和推廣應(yīng)用，因此，建設(shè)具有符合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的統(tǒng)一輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)要求，在面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)[5]（SOA，Service OrientedArchitecture）框架下，開展了江西電網(wǎng)輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工作，給出了系統(tǒng)框架和系統(tǒng)軟硬件平臺實現(xiàn)方法，規(guī)范了各類輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)處理、接入和控制，實現(xiàn)了重要輸變電設(shè)備狀態(tài)和關(guān)鍵運(yùn)行環(huán)境的實時監(jiān)測、預(yù)警、分析、診斷、評估和預(yù)測等功能。

圖1 輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

1 系統(tǒng)框架

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)建設(shè)基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA），是一個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來[5]。接口采用中立方式定義，獨(dú)立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，具備跨平臺特性，易于擴(kuò)展。

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)自下而上可分為三個層級：裝置層、接入層和主站層，如圖2所示。

圖2 輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分層式結(jié)構(gòu)

1）裝置層重點發(fā)展各類先進(jìn)適用的傳感原理、傳感器技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)生成技術(shù)。

2）接入層重點發(fā)展各種集約、高效、智能的信息匯總、信息標(biāo)準(zhǔn)化和信息安全接入技術(shù)。

3）主站層重點發(fā)展各種監(jiān)測信息的存儲、加工、展現(xiàn)、分析、診斷和預(yù)測等數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)。

系統(tǒng)分層體系的建立有利于推動輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展，使得各層技術(shù)更新的相互影響最小化。

隨著需求和技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，在接入數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，裝置層、接入層和主站層均可以逐步開發(fā)和應(yīng)用智能化技術(shù)。裝置層在單個裝置內(nèi)部發(fā)展智能化技術(shù)，接入層基于局部的多裝置協(xié)同發(fā)展智能化技術(shù)，主站層則基于電網(wǎng)全局發(fā)展智能化技術(shù)。

圖2所示的分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各層之間存在兩個接口級別，分別是：第1級接口I1和第2級接口I2。I1接口是監(jiān)測層與接入層之間的接口，面向監(jiān)測裝置，采用較為底層的接口協(xié)議實現(xiàn)。I2接口是接入層到主站層之間的接口，面向主站，采用具有良好擴(kuò)展性的Web服務(wù)方式實現(xiàn)，使系統(tǒng)符合開放靈活的SOA設(shè)計理念。

2 系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)裝置層功能

1）數(shù)據(jù)采集。狀態(tài)監(jiān)測裝置通過自動采集方式，采用專用的采集模塊采集輸變電設(shè)備本體、變電站氣象、環(huán)境信息，裝置自身的電源電壓等信息，數(shù)據(jù)采集周期的默認(rèn)值（或者初始值）由監(jiān)測數(shù)據(jù)的類型決定，可以通過命令報文更改此周期。

2）數(shù)據(jù)處理與判別。狀態(tài)監(jiān)測裝置具備對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的功能，以防止數(shù)據(jù)干擾；具備對原始采集量的計算功能，得出能直觀反映采集量特性的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)上傳。狀態(tài)監(jiān)測裝置與CMA（狀態(tài)監(jiān)測代理）、CAC（狀態(tài)接入控制器）之間的應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約符合國網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則中規(guī)定的通信協(xié)議[6-8]。此外，監(jiān)測裝置還需具備命令接收、配置更改、時鐘同步、自我診斷等功能。

2.2 系統(tǒng)接入層功能

1）接入監(jiān)測數(shù)據(jù)。CMA、CAC能接收多個狀態(tài)監(jiān)測裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)報文，匯集監(jiān)測數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)。數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)中各專項技術(shù)導(dǎo)則中的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出接口中規(guī)定[6-8]。CMA接入的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括桿塔傾斜、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線溫度、微風(fēng)振動、風(fēng)偏、覆冰、絕緣子污穢度、微氣象、靜態(tài)圖片等；CAC接入的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括主變油中溶解氣體、微水、鐵心接地電流、頂層油溫等。

2）接入狀態(tài)監(jiān)測裝置運(yùn)行狀態(tài)。CMA、CAC接收狀態(tài)監(jiān)測裝置發(fā)送來的工作狀態(tài)報文，以獲取狀態(tài)監(jiān)測裝置運(yùn)行狀態(tài)并轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)。

3）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。CMA、CAC將狀態(tài)監(jiān)測裝置的標(biāo)識、監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換成符合國網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則的報文格式[6-8]。

4）數(shù)據(jù)存儲。CMA、CAC在遠(yuǎn)程通道通信中斷時緩存監(jiān)測數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)處通信通道恢復(fù)時將緩存的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)上送主站。上傳歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的方式與上傳當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)的方式相同。

接入層還應(yīng)該具備狀態(tài)監(jiān)測裝置管理、注冊監(jiān)測裝置、控制狀態(tài)監(jiān)測裝置、調(diào)節(jié)監(jiān)測裝置等功能，實現(xiàn)與監(jiān)測裝置的通信交互，對監(jiān)測裝置進(jìn)行相應(yīng)的時鐘同步、心跳信息檢測等。

2.3 系統(tǒng)主站層功能

主站系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）采取一體化設(shè)計，依托生產(chǎn)管理系統(tǒng)在國網(wǎng)公司總部和省公司兩級集中部署。繼承PMS輸變配一體化設(shè)計思想，主站系統(tǒng)中輸電和變電部分統(tǒng)一設(shè)計，實現(xiàn)輸電和變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和信息展現(xiàn)的有機(jī)融合，提供用戶一致的系統(tǒng)應(yīng)用體驗。

主站系統(tǒng)的組成包括：變電CAG（狀態(tài)接入網(wǎng)關(guān)機(jī)）、輸電CAG、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)服務(wù)以及各種輸電和變電狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用功能。各類輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)在省公司和總部主站系統(tǒng)集中存儲，地市（包括班組）和省公司用戶均通過登錄PMS使用所需的各種狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用功能。

CAG是主站系統(tǒng)的集中關(guān)口，分為輸電CAG和變電CAG，主要功能包括：接收各變電站CAC和各線路CMA發(fā)送的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行工況信息并解析入庫、完成數(shù)據(jù)校驗、轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)發(fā)出的配置和控制命令以及對進(jìn)出主站系統(tǒng)的信息進(jìn)行日志紀(jì)錄。

狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用省級集中存儲方式，各類輸電和變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，接入數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，物理數(shù)據(jù)庫獨(dú)立于PMS數(shù)據(jù)庫。狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫基于企業(yè)級關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，按照分鐘級準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)的采集速度考慮海量存儲的要求。

數(shù)據(jù)加工模塊提供狀態(tài)監(jiān)測接入數(shù)據(jù)的二次加工功能，實現(xiàn)匯總統(tǒng)計、異常信息提取、數(shù)據(jù)清理以及干擾過濾、趨勢擬合等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

充分考慮系統(tǒng)投運(yùn)后的負(fù)載程度、數(shù)據(jù)存儲量及存儲方式、系統(tǒng)擴(kuò)容等特征，系統(tǒng)主要硬件設(shè)備包括：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群、應(yīng)用服務(wù)器集群、Web服務(wù)器、圖形服務(wù)器、視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、負(fù)載均衡器、RAID磁盤陣列等。

采用數(shù)據(jù)庫集群模式，即使只有一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器工作系統(tǒng)也能正常訪問運(yùn)行，并且小型機(jī)在性能上位于大型機(jī)與普通服務(wù)器之間，具有運(yùn)行速度快、造價相對較低等特點。同時，采用RAID技術(shù)的磁盤陣列可有效保證數(shù)據(jù)存儲的安全性。通過光纖交換機(jī)，可以實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及磁盤陣列數(shù)據(jù)的快速訪問。

同樣，采用應(yīng)用服務(wù)器集群模式，在只有一臺應(yīng)用服務(wù)器工作時系統(tǒng)也能正常運(yùn)行工作。同時，負(fù)載均衡器應(yīng)用于應(yīng)用服務(wù)器時，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的訪問量，自動調(diào)整用戶訪問相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)器，達(dá)到多個應(yīng)用服務(wù)器負(fù)載均衡的目的。

3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器采用RedHat Linux和Windows Server操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用Oracle 10g RAC。系統(tǒng)主站層采用Java技術(shù)實現(xiàn)，中間件采用WebLogic。

與生產(chǎn)管理系統(tǒng)一致，采用PI3000平臺[6]作為主站系統(tǒng)的統(tǒng)一基礎(chǔ)平臺，基于PI3000平臺二次開發(fā)，通過PI3000平臺實現(xiàn)主站系統(tǒng)的整體化構(gòu)造、動態(tài)化模型驅(qū)動及靈活的功能擴(kuò)展。系統(tǒng)采用面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)，降低系統(tǒng)部署、調(diào)試和維護(hù)成本，主站系統(tǒng)I2接口、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)以及與其它系統(tǒng)的集成多采用Web服務(wù)的接口形式實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

2012年9月，依托國網(wǎng)公司統(tǒng)一推廣生產(chǎn)管理系統(tǒng)，完成了江西電網(wǎng)輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工作。截至10月，主站系統(tǒng)已接入15回輸電線路共計75套線路監(jiān)測裝置、14座變電站共計115套變電監(jiān)測裝置。提供了各類輸變電設(shè)備狀態(tài)信息的展示、預(yù)警、和分析診斷功能。

4.1 變電監(jiān)測應(yīng)用

圖3為變電監(jiān)測裝置可視化分布展示界面，已接入的變電設(shè)備監(jiān)測類型包含變壓器油中溶解氣體、微水、鐵心接地電流、頂層油溫，斷路器SF6氣體壓力、水分、分合閘線圈電流、儲能電機(jī)工作狀態(tài)，避雷器全電流、阻性電流等。圖4顯示了澄江220 kV變電站1號主變頂層油溫監(jiān)測表及油溫變化趨勢曲線，C相當(dāng)前油溫為39.9℃，屬于正常狀態(tài)。同時，1號主變還安裝了油中溶解氣體和微水監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)均處于正常狀態(tài)。

圖3 變電監(jiān)測裝置可視化分布展示界面

圖4 雷電定位信息查詢和動態(tài)播放界面

4.2 輸電監(jiān)測應(yīng)用

輸電線路可視化展示實現(xiàn)了基于GIS的輸電線路、監(jiān)測裝置、告警信息分布展示功能。圖5顯示了輸電線路監(jiān)測可視化展示及雷電定位信息查詢和動態(tài)播放界面。鼠標(biāo)懸停于雷電符號動態(tài)顯示雷電發(fā)生時間、經(jīng)度、緯度、電流強(qiáng)度和回?fù)舸螖?shù)。

圖6顯示了輸電線路組合監(jiān)視功能界面，已接入的輸電線路監(jiān)測類型包含覆冰、微氣象、圖像、視頻、污穢、導(dǎo)線舞動、導(dǎo)線溫度。

2012年9月初通過系統(tǒng)跟蹤監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)兩條重要500 kV輸電線路桿塔上存在鳥巢，圖7顯示了其中某一輸電線路存在鳥巢隱患圖像監(jiān)視畫面。及時通知省檢修分公司對鳥巢進(jìn)行清除，消除了重要線路安全隱患，系統(tǒng)建設(shè)初顯成效。

圖8為某500 kV輸電線路絕緣子2011年1月覆雪情況監(jiān)視圖像，清晰的展示了每片絕緣子冰雪的覆蓋情況，為除雪除冰提供依據(jù)，有效減少了現(xiàn)場線路巡視工作量。

圖5 雷電定位信息查詢和動態(tài)播放界面

圖6 輸電監(jiān)測信息組合監(jiān)視功能界面

圖7 某500 kV輸電線路桿塔上存在鳥巢隱患

圖8 某500 kV輸電線路絕緣子覆雪圖像

5 結(jié)束語

在面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)框架下，完成了江西電網(wǎng)輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，給出了系統(tǒng)框架和系統(tǒng)軟硬件平臺實現(xiàn)方法，規(guī)范了各類輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)處理、接入和控制，實現(xiàn)了重要輸變電設(shè)備狀態(tài)和關(guān)鍵運(yùn)行環(huán)境的實時監(jiān)測、預(yù)警、分析、診斷、評估和預(yù)測等功能。目前系統(tǒng)已上線運(yùn)行，成功預(yù)警兩條重要線路鳥巢隱患，系統(tǒng)建設(shè)初顯成效。下一步將深化系統(tǒng)高級應(yīng)用功能研究，充分利用該平臺提升電網(wǎng)智能化水平。

[1]孫才新.輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與診斷技術(shù)現(xiàn)狀和前景[J].中國電力，2005，38（2）：1-7.

[2]劉黎，何文林，劉巖，等.輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)分析軟件設(shè)計[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（8）：27-32.

[3]王永強(qiáng)，律方成，李和明.總線式絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的同步采樣控制[J].高電壓技術(shù)，2005，31（6）：22-26.

[4]陳卓，劉念，薄麗雅.電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[J].高電壓技術(shù)，2005，31(4)：46-50.

[5]國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方案[R]，2011.

[6]Q／GDW 561-2010，輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則[S].

[7]Q／GDW 242-2010輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置通用技術(shù)規(guī)范[S].

[8]Q／GDW 535-2010變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置通用技術(shù)規(guī)范[S].