電力數(shù)據(jù)集約化狀態(tài)預(yù)警與診斷主站平臺(tái)設(shè)計(jì)

張 煒，鄧雨榮，吳秋莉，陶松梅

(廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，南寧市530023)

0 引 言

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)是防止電網(wǎng)事故第1 道防御系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］，也是智能電網(wǎng)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，急需建設(shè)面向廣域設(shè)備分布的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的狀態(tài)預(yù)警與故障診斷系統(tǒng)，來滿足未來智能電網(wǎng)對(duì)全景狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)與共享的要求，為全面推廣省網(wǎng)級(jí)變電設(shè)備精益化管理，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性提供綜合管理平臺(tái)。

現(xiàn)有的輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的研究主要傾向于以單臺(tái)設(shè)備為目標(biāo)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)種類及目標(biāo)多，導(dǎo)致省網(wǎng)級(jí)狀態(tài)預(yù)警與診斷平臺(tái)信息分散、管理復(fù)雜［2-4］。同時(shí)隨著系統(tǒng)及高級(jí)應(yīng)用功能的不斷增加或升級(jí)，更加凸現(xiàn)整合后平臺(tái)的異構(gòu)性問題。具體表現(xiàn)如下:(1)通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)，采用多種不同的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái);(2)高級(jí)應(yīng)用功能異構(gòu)，第三方開發(fā)的應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致;(3)數(shù)據(jù)格式異構(gòu)，各子系統(tǒng)的多信息源數(shù)據(jù)以各種不兼容格式存儲(chǔ)。由于異構(gòu)問題無法滿足對(duì)省網(wǎng)級(jí)全景狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)與共享要求，難以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)籌分析和決策，因此，必須建立可靠、統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的縱向貫通與橫向共享，以及支持智能電網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估、故障診斷等類型應(yīng)用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成平臺(tái)。

本文基于Java2 平臺(tái)(Java 2 platform enterprise edition，J2EE)框架實(shí)現(xiàn)分層模型，并通過數(shù)據(jù)模型基于公共信息模型(common information model，CIM)及面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)解決平臺(tái)異構(gòu)問題，建立可靠、統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的縱向貫通與橫向共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電主設(shè)備多維度的狀態(tài)預(yù)警與集約化的分析診斷。

1 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)生產(chǎn)業(yè)務(wù)需要及狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，省網(wǎng)級(jí)狀態(tài)預(yù)警與診斷平臺(tái)需對(duì)所轄區(qū)域的變電主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)重要變電設(shè)備的安全預(yù)警、故障診斷，為變電運(yùn)行管理提供決策信息支持。

平臺(tái)面向各類變電設(shè)備，集合多種預(yù)警技術(shù)和數(shù)據(jù)類型，構(gòu)建覆蓋全網(wǎng)的多維度實(shí)時(shí)狀態(tài)預(yù)警體系;并歸集在線監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)管理信息等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備集約化診斷分析。同時(shí)，各級(jí)用戶通過WEB 方式，對(duì)其運(yùn)維區(qū)域內(nèi)的變電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握變電設(shè)備的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備狀態(tài)預(yù)警與診斷，提高運(yùn)行維護(hù)水平。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

狀態(tài)預(yù)警與診斷平臺(tái)圍繞面向省網(wǎng)設(shè)備歸集狀態(tài)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)警、分析診斷等高級(jí)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.2 總體架構(gòu)

J2EE 平臺(tái)是在組件技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)上發(fā)展而來的，提供分布式企業(yè)應(yīng)用的最佳架構(gòu)體系［5-6］。本文基于J2EE 平臺(tái)設(shè)計(jì)省網(wǎng)級(jí)狀態(tài)預(yù)警與診斷主站平臺(tái)，并按照“緊耦合系統(tǒng)一體化，松耦合系統(tǒng)集成化”的理念定義平臺(tái)的各類組件、服務(wù)架構(gòu)及技術(shù)層次，來解決平臺(tái)后期使用中信息兼容，數(shù)據(jù)交互等異構(gòu)性問題。

平臺(tái)在SOA 架構(gòu)上引入平臺(tái)與應(yīng)用分離的概念，其數(shù)據(jù)模型基于CIM 信息模型建立，高級(jí)應(yīng)用基于組件建立。并采用可擴(kuò)展標(biāo)志語言(extensible markup language，XML)、資 源 描 述 框 架(resource description framework，RDF)與Web Service 技術(shù)搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，來支持多應(yīng)用的“即插即用”和新功能的“二次開發(fā)”。

在平臺(tái)J2EE 分層結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)持久層和Web應(yīng)用層之間增加業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)(Service)層，以最大限度減少層間耦合度，在Web 層使用符合模型視圖控制器(model view controller，MVC)思想的Spring 開源框架，構(gòu)建瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的應(yīng)用體系。

2.3 應(yīng)用功能

平臺(tái)各應(yīng)用程序按功能劃分為不同組件，由各種組件構(gòu)成的J2EE 功能應(yīng)用模塊可分布在不同的硬件平臺(tái)上，而應(yīng)用程序組件的分布依賴于它所隸屬的組件層。平臺(tái)功能應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)將分為基礎(chǔ)應(yīng)用和高級(jí)應(yīng)用二大部分，具體見圖1。其中，系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用包含:各專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)抽取、各實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信規(guī)約、系統(tǒng)可靠性監(jiān)測(cè)等;高級(jí)應(yīng)用包含:監(jiān)測(cè)預(yù)警、分析診斷、狀態(tài)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、動(dòng)態(tài)增容、檢修策略、知識(shí)庫等模塊。

圖1 平臺(tái)分層結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchical structure of platform

2.4 數(shù)據(jù)歸集

為適應(yīng)面向全網(wǎng)狀態(tài)預(yù)警的需要，通過前置系統(tǒng)規(guī)約轉(zhuǎn)換軟件集中接入早期狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的包容;對(duì)新建且支持IEC 61850 規(guī)約的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，站端狀態(tài)信息直接遠(yuǎn)傳至平臺(tái)服務(wù)器。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)多維度預(yù)警與集約化診斷，平臺(tái)歸集生產(chǎn)管理信息(生產(chǎn)MIS)、技術(shù)監(jiān)督、輔助決策、調(diào)度SCADA 等系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)集成和接口

由于電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)信息開始走向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、數(shù)字化［7-9］，平臺(tái)應(yīng)用程序接口，橫向與支持?jǐn)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)IEC 61968 接軌，縱向與支持變電站的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850 互補(bǔ)接軌，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸集。

3.1 系統(tǒng)集成架構(gòu)

系統(tǒng)集成架構(gòu)關(guān)鍵在于平臺(tái)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互滿足以下要求:(1)信息交互基于SOA 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相關(guān)模型、圖形和數(shù)據(jù)的發(fā)布與訂閱，并完成與其他系統(tǒng)之間的信息交換和服務(wù)共享;(2)信息交互遵循拓?fù)淠Ｐ秃蛿?shù)據(jù)的來源及維護(hù)唯一性、設(shè)備編碼統(tǒng)一性、描述一致性的原則;(3)在滿足電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定的前提下，信息交互總線具有通過正/反向物理隔離裝置跨越生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)的能力;(4)具備IEC61850 的MMS 通訊能力。系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互接口框圖Fig.2 Data exchange interfaces between systems

3.2 主設(shè)備數(shù)據(jù)中心接口

省網(wǎng)級(jí)狀態(tài)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)中往往存在數(shù)據(jù)通信異構(gòu)問題，難以共享設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和有效發(fā)揮平臺(tái)集約化診斷分析的作用。因此，平臺(tái)通過建立主設(shè)備數(shù)據(jù)中心(數(shù)據(jù)庫)轉(zhuǎn)換組件，實(shí)現(xiàn)編碼映射以及模型轉(zhuǎn)換，并通過事件機(jī)制或定時(shí)機(jī)制，對(duì)保存在主設(shè)備數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步及共享。具體數(shù)據(jù)類型包括:離線試驗(yàn)數(shù)據(jù)、SCADA 調(diào)度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)MIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)、技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通信接口如圖3 所示。

圖3 平臺(tái)與數(shù)據(jù)中心通信接口示意圖Fig.3 Communication interface between data center and platform

3.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)多維度實(shí)時(shí)預(yù)警。其系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用遵循“在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約”、“在線監(jiān)測(cè)圖譜數(shù)據(jù)格式規(guī)范”。主要數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)類型及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、告警事件消息及統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)。所檢測(cè)數(shù)據(jù)舉例說明見表1、2。

表1 變壓器監(jiān)測(cè)接入信息Table 1 Transformer monitoring information

3.4 高級(jí)應(yīng)用服務(wù)接口

平臺(tái)支撐軟件以SOA 服務(wù)的方式，按照CIM/CIS 信息規(guī)范為其他高級(jí)應(yīng)用軟件提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一、規(guī)范的各類數(shù)據(jù)交互服務(wù)接口。該方式便于平臺(tái)高級(jí)應(yīng)用功能模塊的擴(kuò)展，靈活適應(yīng)第三方開發(fā)高級(jí)應(yīng)用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。高級(jí)應(yīng)用服務(wù)接口如圖4 所示。

表2 斷路器監(jiān)測(cè)接入信息Table 2 Breaker monitoring information

圖4 高級(jí)應(yīng)用服務(wù)接口Fig.4 Advanced application services interface

3.5 數(shù)據(jù)錄入接口

需手工錄入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，由相應(yīng)人機(jī)界面完成。

對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特性，制定數(shù)據(jù)解析規(guī)則或通過正則表達(dá)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析;并在校驗(yàn)后通過設(shè)備編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)。其校驗(yàn)方式、設(shè)備編碼關(guān)聯(lián)包括自動(dòng)和手動(dòng)2 種方式。

對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)格式，如:文本、圖片、視頻等，通過人工匹配的方式與設(shè)備建立關(guān)聯(lián)并集成到設(shè)備數(shù)據(jù)模型中，其關(guān)聯(lián)關(guān)系將作為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

3.6 編碼體系

編碼原則兼顧唯一性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性、易用性。編碼方法與生產(chǎn)MIS 一致，包括設(shè)備臺(tái)帳參數(shù)編碼、設(shè)備狀態(tài)量編碼、設(shè)備狀態(tài)量值編碼。

在此原則上構(gòu)建包含數(shù)據(jù)接入層、模型驅(qū)動(dòng)層、編碼層的自適應(yīng)統(tǒng)一編碼體系;同時(shí)基于CIM 模型并根據(jù)設(shè)備層次關(guān)系及應(yīng)用需求，將編碼對(duì)象分為枚舉型、層次關(guān)系型、拓?fù)潢P(guān)系型［10］。編碼體系可用于構(gòu)建編碼庫、建設(shè)系統(tǒng)模型，并實(shí)現(xiàn)規(guī)則定義、編碼校驗(yàn)、模型升級(jí)等具體功能。

完整的編碼模型規(guī)避實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)格式異構(gòu)，適應(yīng)于狀態(tài)預(yù)警長期發(fā)展的趨勢(shì)，且便于平臺(tái)在后期使用中與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的銜接、移植和維護(hù)。

4 數(shù)據(jù)交互模型

為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)組件化和開放化，在狀態(tài)預(yù)警與診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)采用CIM 信息模型。平臺(tái)包含相對(duì)獨(dú)立的高級(jí)應(yīng)用模塊，各功能模塊的實(shí)現(xiàn)難度較大，且功能模塊所需要的電網(wǎng)參數(shù)、拓?fù)潢P(guān)系、實(shí)時(shí)參量等離散數(shù)據(jù)需要平臺(tái)開發(fā)專用的接口;同時(shí)，不同的功能模塊之間往往也需要數(shù)據(jù)交互，二次開發(fā)及維護(hù)難度增加。因此在開發(fā)過程中提供基于CIM 標(biāo)準(zhǔn)的支撐平臺(tái)，方便各應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)“即插即用”式的組件化功能，以解決數(shù)據(jù)分散及平臺(tái)異構(gòu)問題。

4.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(CIM)

目前，由于CIM 可將應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，故已作為一種電力系統(tǒng)基本的實(shí)踐公共信息模型［11-12］。平臺(tái)遵循IEC61970 CIM 標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)變電設(shè)備狀態(tài)預(yù)警與診斷的需求對(duì)CIM 進(jìn)行擴(kuò)展，建立了包括設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等來自多個(gè)不同系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)統(tǒng)一模型。同時(shí)，平臺(tái)提供CIM 導(dǎo)入/導(dǎo)出工具，完成與外部系統(tǒng)的CIM XML/RDF 文件的數(shù)據(jù)交互。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型融合了IEC61968/61970標(biāo)準(zhǔn)CIM 模型的不同部分以及IEC61850 模型中的相關(guān)部分，為系統(tǒng)中不同應(yīng)用以及其他系統(tǒng)的應(yīng)用提供了設(shè)備綜合數(shù)據(jù)視圖，如圖5 所示。

4.2 系統(tǒng)圖元交互

由于可縮放矢量圖形(scalable vector graphics，SVG)是基于XML 文件格式的，具有跨平臺(tái)應(yīng)用的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，已成為電力系統(tǒng)主流的圖形標(biāo)準(zhǔn)［13-14］。SVG 文件較GIF、JPEG 格式文件小，運(yùn)用于平臺(tái)WEB 和客戶機(jī)本地解釋后，既充分利用了電網(wǎng)各級(jí)用戶工作站的資源，又減輕了服務(wù)器端的負(fù)擔(dān)，可以解決在對(duì)省網(wǎng)級(jí)廣域分布的變電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)展示、交互和監(jiān)測(cè)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。同時(shí)，由于SVG 是解釋性語言，所以平臺(tái)以圖形元素為中心數(shù)據(jù)交換形式，還具有以下優(yōu)勢(shì):(1)將可視化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解耦;(2)更易支持每個(gè)領(lǐng)域?qū)ο蟮亩鄠€(gè)表示，圖形對(duì)象“自然”集合到圖中;(3)更易支持圖中的背景數(shù)。

圖5 設(shè)備綜合數(shù)據(jù)視圖Fig.5 Equipment’s integrated data view

4.3 簡單對(duì)象訪問協(xié)議

平臺(tái)采用的CIM 數(shù)據(jù)模型通過CIM XML/RDF來描述，并通過簡單對(duì)象訪問協(xié)議(simple object access protocol，SOAP)使用HTTP 傳送XML。XML是一個(gè)開放、健全、有語義的訊息機(jī)制，而HTTP 是一個(gè)廣泛又能避免許多關(guān)于防火墻問題的協(xié)議。因此，基于SOAP 協(xié)議的CIM 模型有利于克服業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的并行開發(fā)及數(shù)據(jù)交互，并有助于用戶通過WEB 方式使用平臺(tái)。

4.4 基于CIM 模型的數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)庫主要為基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，該類型數(shù)據(jù)具有開放性好、功能完備的特點(diǎn)，利于系統(tǒng)開發(fā)及穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)CIM 數(shù)據(jù)，建立CIM 面向?qū)ο竽Ｐ团c關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射，可兼顧數(shù)據(jù)移植性和一致性?；谝陨? 點(diǎn)原因，平臺(tái)采用典型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型存儲(chǔ)CIM 數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)平臺(tái)投運(yùn)以來總體運(yùn)行穩(wěn)定，電網(wǎng)各級(jí)用戶反饋信息表明，平臺(tái)的信息集成提高了信息的利用率，且分析結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)用功能符合實(shí)際需要。

(2)該平臺(tái)在J2EE 平臺(tái)框架上建立分層架構(gòu)，并基于CIM 模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，解決平臺(tái)異構(gòu)及數(shù)據(jù)縱向貫通與橫向共享的問題，使之具備多維度分析與集約化診斷功能。

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