智能變電站分布式智能告警研究與應用

賈華偉，郭利軍，葉海明，李江林，胡 斌，李 紅，王廣民

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智能變電站分布式智能告警研究與應用

賈華偉1，郭利軍1，葉海明2，李江林1，胡 斌1，李 紅1，王廣民1

(1.許繼電氣股份有限公司, 河南 許昌 461000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司, 浙江 杭州 311232)

針對智能變電站智能告警實用化程度低、工程實施復雜、專家知識庫規(guī)則提煉困難、缺乏與調(diào)控中心互動等問題，提出調(diào)控中心、變電站兩級分布式智能告警系統(tǒng)。以插件式智能告警分析引擎為核心驅(qū)動，采用兩級整體分析與決策策略，提高了智能告警的即插即用及可擴展能力，解決了智能告警功能工程實用性的問題。并通過以面向服務形式將分析推理結(jié)果合理、分層上送調(diào)控中心，提高了與調(diào)控中心的交互程度，有效降低了調(diào)控中心的通信和計算負擔。最后給出了該系統(tǒng)在工程實施中的應用效果。

分布式智能告警；面向服務；插件式分析引擎；智能變電站

0 引言

智能告警功能作為智能變電站基礎高級應用之一[1]，通過建立變電站故障信息的邏輯和推理模型，運用專家系統(tǒng)[2-8]等人工智能分析手法實現(xiàn)對電網(wǎng)事故的快速診斷，一定程度提高變電運行人員事故判斷的準確性與處理故障的及時性。但從其實際運行效果來看，智能告警實用化程度仍不高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 調(diào)控中心與變電站端各自實現(xiàn)智能告警，這種建設模式的弊端在于，一是功能重復，浪費人力物力；二是調(diào)控中心做智能告警分析時仍需面對大量生數(shù)據(jù)，加重了調(diào)控中心通信、運維負擔；三是變電站實時推理工作未得到有效利用；四是變電站端量測局部冗余度、敏捷度高[9]的優(yōu)勢沒有得到發(fā)揮。

2) 推理分析過程多依賴專家系統(tǒng)。專家知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平，同時專家知識庫的提煉過程比較困難。專家知識庫的建立周期長、難度大，且難以滿足所有電網(wǎng)運行特性。

3) 智能告警高級功能的工程實施復雜、工作量大。各廠家模型命名不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)知識庫規(guī)則到變電站業(yè)務模型的自動映射，需人工進行配置，且配置可重用性低，降低了工程實施效率。

針對以上問題，本文提出調(diào)控中心、變電站兩級分布式[10-12]智能告警系統(tǒng)，以插件式智能告警分析引擎為核心驅(qū)動，采用兩級整體分析與決策策略，提高了智能告警系統(tǒng)的即插即用特性及可擴展能力，解決了智能告警功能的實用性問題。

1 ?系統(tǒng)架構(gòu)設計

本文提出調(diào)控中心、變電站兩級分布式智能告警系統(tǒng)，變電站作為一個智能節(jié)點參與區(qū)域電網(wǎng)智能告警整體分析與決策，將本站域內(nèi)分析推理結(jié)果上傳到調(diào)控中心，調(diào)控中心匯總各廠站告警分析結(jié)果，利用電網(wǎng)全局信息進行綜合分析判斷。

調(diào)控中心、變電站兩級分布式智能告警系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能告警分布式架構(gòu)

在智能告警分布式架構(gòu)下，變電站利用本地對信息的冗余優(yōu)勢、時間優(yōu)勢就地實現(xiàn)快速、可靠的分析推理，并將分析推理結(jié)果通過分布式服務代理統(tǒng)一上送主站；分布式服務代理負責將變電站智能告警分析結(jié)果傳送至遠方調(diào)控中心供調(diào)閱和參考，與遠方調(diào)控中心的互動以面向服務方式進行；調(diào)控中心利用變電站上送的智能告警結(jié)果進行全網(wǎng)的分析決策。

變電站作為服務的提供者，提供智能告警廠站端服務設施。調(diào)控中心作為服務使用者存在，從服務中心查詢出下屬變電站提供的服務狀態(tài)，接收變電站上送的智能告警結(jié)果。

與當前調(diào)控中心、變電站智能告警建設模式相比，分布式智能告警架構(gòu)具有以下優(yōu)點：

1) 智能變電站的“智能”角色得到更加充分發(fā)揮：利用自己對數(shù)據(jù)的位置優(yōu)勢、冗余優(yōu)勢、時間優(yōu)勢，剔除壞數(shù)據(jù)，提高分析決策結(jié)果的可靠性，并將站內(nèi)分析結(jié)果上送調(diào)控中心，參與到區(qū)域電網(wǎng)故障分析過程中；

2) 降低調(diào)控中心通信、計算負擔：無需直接面對站端基礎量測數(shù)據(jù)，調(diào)控中心利用變電站上送的智能分析結(jié)果，對電網(wǎng)全局告警或者對廠站間有關(guān)聯(lián)的信息進行綜合分析；

3) 采用插件機制設計與開發(fā)智能告警分析引擎(本文第2節(jié)介紹)，業(yè)務擴展靈活，分析推理規(guī)則內(nèi)置，工程實施無需或僅需少量配置工作，解決智能告警實用化問題。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)研究

分布式智能告警方案關(guān)鍵技術(shù)包括插件式分析引擎、三層可視化展示方案及面向服務模式的廠站交互機制等幾個方面，其中插件式智能告警分析引擎是關(guān)鍵技術(shù)中的最重要的組成部分，是分布式智能告警的核心。

2.1 插件式智能告警分析引擎

由于采用通用算法或模型和多種不同應用場景進行智能告警專家知識庫的開發(fā)挑戰(zhàn)巨大[13]，本文中站內(nèi)智能告警分析推理功能設計不再采用專家系統(tǒng)概念，提出插件式[14-15]智能告警分析引擎，通過對智能變電站調(diào)控與運檢需求的不斷提煉來開發(fā)智能告警插件，將推理分析規(guī)則內(nèi)置于插件中，無需工程配置，達到即插即用及隨時擴展的目的。

2.1.1面向插件的應用框架

智能告警分析引擎的開發(fā)是一個可持續(xù)的過程，因此智能告警業(yè)務在軟件體系結(jié)構(gòu)設計上需兼顧功能的可擴展性、組件的可更換性等較為靈活的設計模式?；诓寮夹g(shù)的系統(tǒng)具有低開發(fā)難度、可維護性強、易擴展、易重用的特點，能很好地解決大規(guī)模軟件開發(fā)中低耦合、高內(nèi)聚的要求。

插件應用框架將應用程序分為主框架(宿主程序)與插件程序兩部分。主框架由內(nèi)核及插件管理功能組成，框架申請服務來支撐整個程序的運行，服務由業(yè)務插件提供。主框架與插件間通過接口進行交互，需預定義一系列標準接口，如圖2所示。

圖 2 插件應用框架

插件識別接口用于插件的智能化識別，返回插件相關(guān)的信息給智能告警引擎；插件信息接口是將智能告警業(yè)務插件的名稱、版本號以及資源類型等信息提供給引擎；事件響應接口用于插件與智能告警引擎及插件之間的消息發(fā)送及接收；模型接口用于智能告警業(yè)務插件對站內(nèi)SCADA模型及實時數(shù)據(jù)的訪問；輸入輸出接口用于將智能告警業(yè)務分析結(jié)果輸出給展示模塊。

2.1.2智能告警分析引擎

基于插件機制的智能告警分析引擎，每個不同的業(yè)務分析功能可封裝成一個插件，即一個插件僅完成一項或一組業(yè)務的分析工作，當有新的業(yè)務分析需求時，獨立增加一個插件即可，不會對原有系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，如圖3所示。

圖3 智能告警分析引擎

智能告警的插件設計與智能變電站業(yè)務場景使用密切相關(guān)?？紤]到電力系統(tǒng)設備故障類型及異常類型多樣、電網(wǎng)故障類型多變的特性，智能告警插件設計通過多層次的分析、梳理、歸并和泛化，以變電站自動化和控制系統(tǒng)業(yè)務為主線，通過業(yè)務組類型、業(yè)務子類型以及功能類型三層模型形式來實現(xiàn)插件的分類管理。其中業(yè)務組類型根據(jù)目前智能變電站業(yè)務需求進行劃分，主要包括運行監(jiān)視、電網(wǎng)故障、控制操作、統(tǒng)計分析以及設備檢修五個組類型，這五個組類型目前為固化設計在系統(tǒng)中；對于業(yè)務子類型則種類較多，以運行監(jiān)視為例，包括數(shù)據(jù)辨識、信號辨識、信號分析、壓板分析以及定值分析等幾個子類型，子類型可擴展，同時也可根據(jù)業(yè)務需要進行跨業(yè)務組類型調(diào)整，子類型滿足智能變電站用戶一定范圍內(nèi)的業(yè)務需求；對于功能類型，則實現(xiàn)較為單一，部分子類型含有多個功能類型，如運行監(jiān)視業(yè)務組類型的數(shù)據(jù)辨識子類型，就包含數(shù)據(jù)合理性檢測和不良數(shù)據(jù)檢測兩種功能類型，如表1所示。

插件式智能告警分析引擎只提供了智能告警插件的管理模塊，所有的智能告警業(yè)務分析功能都交與插件完成。插件的開發(fā)基于預定義的一系列規(guī)范，包括接口規(guī)范、命名規(guī)范、輸入輸出規(guī)范等。通過這些預定義機制，規(guī)范業(yè)務插件模塊的開發(fā)，同時還需要有一個插件管理器，實現(xiàn)插件的管理工作，包括加載、卸載等。插件要有規(guī)范的輸入和輸出，輸入是變電站內(nèi)各類業(yè)務數(shù)據(jù)流，輸出則定義三種輸出：告警信息(如辨識結(jié)果輸出)、事故簡報以及故障分析報告等。

表1 運行監(jiān)視業(yè)務組類型

2.1.3線路故障分析插件

以變電站線路故障分析插件為例，站內(nèi)線路發(fā)生接地或相間故障時，采集故障線路產(chǎn)生的一定時間窗內(nèi)(10 s)[16]的保護動作信號、重合閘信號、故障參量以及相關(guān)遙信、遙測等構(gòu)建事故對象，形成事故隊列。然后結(jié)合變電站監(jiān)控系統(tǒng)模型從中提取出故障時間、故障間隔、故障設備、故障相別等事故基本信息，并根據(jù)電網(wǎng)線路故障特征和保護動作特征，分析事故隊列中信號之間的時間順序和配合關(guān)系，從而實現(xiàn)對故障類型、性質(zhì)的快速診斷[17](見圖4、表2)。待錄波文件上送后再結(jié)合錄波分析情況，根據(jù)線路繼電保護原理綜合分析，最終生成故障分析報告。故障信息簡報、故障分析報告在進行就地展示的同時上送調(diào)控中心。

圖4 線路故障分析邏輯

表2 線路故障描述

2.2 可視化展示方案

通過可視化的展示方案，實現(xiàn)告警行、事故簡報以及綜合故障分析報告的三種形式的分層展示；同時實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、動態(tài)等三態(tài)數(shù)據(jù)的綜合展示與分析；并實現(xiàn)綜合分析結(jié)果的輸出，支持分析結(jié)果上傳調(diào)度主站。

2.2.1告警行

告警行以一組相關(guān)告警信息集形式實時展示，重在突出告警信息的關(guān)聯(lián)性以及由關(guān)聯(lián)性分析而得出的智能告警事件原因。告警行展示實現(xiàn)簡單、直觀地實時滾動告警及告警更新，并以顏色變化、閃爍提示、聲音提醒的形式即時展現(xiàn)；對于未確認或未復歸告警則實現(xiàn)重復提醒；支持顯示當前新增加的告警條數(shù)甚至是重要告警條數(shù)，同時支持與智能告警事件的關(guān)聯(lián)操作，實現(xiàn)與告警簡報的自動關(guān)聯(lián)。

其告警行工作流程如圖5所示。

告警行自動匹配相應的告警等級屬性(重要、次要和一般)，實現(xiàn)不同的顏色變化，便于運行人員第一時間明晰故障等級，降低運維的難度。其實現(xiàn)的效果如圖6所示。

圖5 告警行流程圖

圖6 告警效果圖

2.2.2事故簡報

分布式智能告警通過事故簡報的形式將一段時間內(nèi)的智能告警事件情況做一綜合推送展示，給出故障的原因和處理建議，指導運行人員操作。

與文獻[1]中告警簡報格式不同，本文設計通過加載不同的告警組件，實現(xiàn)告警插件消息分類管理，符合電力系統(tǒng)業(yè)務特征，便于告警檢查和歸類。一是扁平化[18]的顯示方法與序列化的展示方法結(jié)合，二是列表展示與圖標展示方式結(jié)合，將智能告警組件類型與告警類型、告警間隔、電壓等級、設備等結(jié)合，實現(xiàn)從以電力系統(tǒng)設備為主向以業(yè)務(變電站故障或異常)為主軸的展示方式改變，便于智能告警功能回歸本質(zhì)應用。其實現(xiàn)效果如圖7所示。

圖7 事故簡報顯示形式

2.2.3綜合故障分析報告

通過較長一段時間內(nèi)(通常為5~10 min)的三態(tài)數(shù)據(jù)的收集、整理、判斷和分析，實現(xiàn)故障的全面綜合分析。

智能變電站的三態(tài)數(shù)據(jù)包括相關(guān)變位及告警信號、模擬量、PMU數(shù)據(jù)、故障錄波文件以及相關(guān)裝置定值等。故障綜合分析模塊以三態(tài)數(shù)據(jù)為基礎進行綜合分析。本文采用保護啟動以及PMU智能告警共同判斷的智能告警業(yè)務觸發(fā)機制，進行相關(guān)設備或間隔的事故或異常的判斷，輸出以PMU告警為類型的告警消息，與保護間隔采樣的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)告警共同判斷設備或間隔的事故或異常情況，其實現(xiàn)過程如圖8所示。

圖8 包含PMU參與的智能告警啟動過程圖

故障綜合分析模塊實現(xiàn)初步分析和深化分析兩種功能時，初步分析包括波形分析、開關(guān)量分析、保護動作分析等，深化分析功能則包括報告評價、維護意見以及WEB發(fā)布等，并提供給使用者(包括運行人員和檢修用戶)相關(guān)的故障處理意見和建議。故障綜合分析實現(xiàn)的效果如圖9所示。

2.2.4展示優(yōu)先級

本方案中三個層次的展示形式，以告警行為最優(yōu)傳送形式；其次是事故簡報，有效地指導運行人員檢查相關(guān)設備，及時隔離故障，做好防范措施，并向上級調(diào)度匯報；最后是故障綜合分析報告，綜合收集故障或異常的相關(guān)信息，并給出經(jīng)過充分數(shù)據(jù)挖掘之后的故障綜合分析結(jié)果。三個層次的告警輸出均支持通知主站端監(jiān)視畫面，對于故障的定位、責任的分析作用甚大。

2.3 主廠站交互機制

變電站與調(diào)控中心的交互采用面向服務的體系架構(gòu)(SOA)[19-20]。SOA將應用功能作為服務發(fā)送給最終用戶或者其他服務，與傳統(tǒng)面向協(xié)議的通信模式相比，面向服務體系架構(gòu)具有更好的可維護性、更高的可用性、更好的可伸縮性等優(yōu)點。

在主廠站兩級分布式智能告警場景中，引入分布式服務代理概念，由分布式服務代理模塊完成服務注冊及調(diào)用功能。在此場景中，變電站作為服務的提供者，根據(jù)分布式智能告警功能需求，將涉及諸多的資源都抽象為服務，并將自己所提供的服務信息進行注冊。調(diào)度/調(diào)控中心的智能告警中心以分布式告警的服務使用者存在，它從服務中心查詢出下屬變電站提供的服務狀態(tài)，接收變電站上送的智能告警結(jié)果，進行詳細分析時，基于變電站提供的告警查詢服務，從站內(nèi)讀取報警信息源，如圖10所示。

圖 10 分布式服務代理

通過訂閱/發(fā)布服務，變電站端對模型進行合理分類，既可按值班人員專業(yè)如調(diào)度員、監(jiān)控人員、自動化人員工作職責進行信息分類，也可按對象、電壓等級等方式進行分類。提供信息模型按分類的訂閱/發(fā)布服務，調(diào)控中心監(jiān)視人員可對信息進行分類訂閱，在保證監(jiān)視人員可以在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)本職責監(jiān)視范圍內(nèi)的設備異常和故障等信息的同時，降低主廠站無效信息量的交互。通過告警發(fā)布服務，廠站端向調(diào)控主站上送智能告警信息，包括告警條文、事故簡報、綜合分析報告等類型告警信息。此外，調(diào)控中心可通過遠程調(diào)閱服務調(diào)取站內(nèi)事故畫面，瀏覽站內(nèi)實時畫面信息。

3 ?工程應用

目前分布式智能告警已經(jīng)成功應用在某省1 000 kV特高壓試點工程中，在變電站中的系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)如圖11所示，即變電站端只需在原有自動化系統(tǒng)基礎上增加一臺智能告警服務器，并將智能告警引擎和分布式服務代理模塊等部署即可，涉及安吉、蘭江、蓮都等三個相關(guān)變電站。告警產(chǎn)生時，部署在變電站端的智能告警系統(tǒng)使用分析插件對采集到的數(shù)據(jù)進行篩選、分析和整理，產(chǎn)生智能告警分析結(jié)果，并將分析結(jié)果上送調(diào)控中心。

圖 11 智能告警工程部署圖

以2015年5月21日安蘭II線發(fā)生A相接地故障為例進行測試。附錄A圖A1為安吉站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)收到的實時告警信息，可以看出原始告警數(shù)據(jù)量大且繁雜，不利于運行維護人員迅速了解故障關(guān)鍵信息。

部署在安吉站的智能告警線路故障分析插件，在收到事故總信號后準確啟動，對搜集到的保護動作信號、重合閘信號等分析判斷，快速診斷出故障設備、故障類型、故障描述、故障時間、故障相關(guān)保護動作信息、告警信息、遙測信息等關(guān)鍵信息，形成類似圖7的告警行和附錄A圖A2所示的事故簡報展示給用戶。故障簡報內(nèi)容清晰、明確、簡要，滿足了運維人員在故障發(fā)生第一時間內(nèi)對故障基本情況迅速掌握的需求。

經(jīng)過一段時間，待錄波文件上送后，線路故障分析插件綜合錄波信息進行詳細分析，最終生成故障綜合分析報告。故障綜合分析報告較故障簡報增加了錄波展示和綜合分析結(jié)果(如保護動作正確性、維護檢修意見等)。

4 實用化問題探討

4.1 PMU數(shù)據(jù)應用方式

PMU數(shù)據(jù)參與到分布式智能告警方案中能夠極大提高智能告警的準確程度，但是由于PMU數(shù)據(jù)的高采樣特性，最高達100幀/s，其輸出結(jié)果過程與穩(wěn)態(tài)保護裝置輸出結(jié)果并非同步，進而有可能造成智能綜合分析結(jié)果輸出失敗。

因此需要設計用于智能告警分析過程使用的準同步實時數(shù)據(jù)庫，規(guī)定PMU數(shù)據(jù)接收的函數(shù)接口，設置大容量的數(shù)據(jù)緩存池，預處理數(shù)據(jù)并分布復用中間結(jié)果，在不損失采樣精度的前提下，確保采樣數(shù)據(jù)的實時性，實現(xiàn)與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)實時庫的能力特性及工作特性良好的匹配。

這樣的實時數(shù)據(jù)庫兼具有大容量和高速采樣兩種特點，同時要求中間結(jié)果的迭代復用；如何兼顧智能告警分析引擎輸出結(jié)果的邏輯指標要求，今后尚待加強研究。

4.2 三態(tài)數(shù)據(jù)時標對齊

目前智能變電站中均配置有時鐘同步系統(tǒng)，2013年下半年以來部分智能變電站又逐步增加了時鐘同步在線監(jiān)測功能，即對時鐘裝置本身進行監(jiān)測，同時將被授時系統(tǒng)/設備如應用系統(tǒng)、智能電子設備等的時間同步工作狀態(tài)納入監(jiān)測范圍，但是未明確PMU等設備的監(jiān)測功能和指標要求。

分布式智能告警故障綜合分析邏輯根據(jù)全站開關(guān)變位及告警信號、模擬量、PMU數(shù)據(jù)、故障錄波文件等進行故障啟動和事故深化分析，根據(jù)IEC 61850關(guān)于保護和控制報文的要求，時鐘誤差需要控制在一定的范圍內(nèi)，通常為±1 ms；而對于分布同期的過零和數(shù)據(jù)情況，通常為±0.1 ms，而目前依賴NTP通信報文來進行時間校準則難以達到校準PMU數(shù)據(jù)時標對齊要求。

所以需要在結(jié)合時鐘同步監(jiān)測功能應用的同時，針對開關(guān)變位、告警信號、模擬量尤其是PMU數(shù)據(jù)進行時標校準和糾偏，需要根據(jù)時標基準點選擇、校準精度和基準數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)庫等多種情況綜合考慮糾偏方案，從而既能達到時標對齊的指標要求，又滿足故障綜合分析功能和整個分布式告警應用系統(tǒng)正常運行功能要求。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)集中式調(diào)度模式在可靠性、準確性、敏捷性等方面的不足愈加突出，集中協(xié)調(diào)與分布自治相統(tǒng)一的分布式智能調(diào)度控制模式符合智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢[21]。本文提出調(diào)控中心、變電站兩級分布式智能告警系統(tǒng)，以插件式智能告警分析引擎為核心驅(qū)動，采用兩級整體分析與決策策略，一方面減輕了調(diào)控中心運維、計算、通信負擔，同時解決變電站智能告警功能實用化問題。在智能變電站運行過程中，取得了較好的實際應用效果。

附錄A

圖A1 故障期間實時告警

Fig. A1 Real-alarm during fault

圖A2 智能告警簡報

Fig. A2 Intelligent alarm report

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(編輯 周金梅)

Research and application of distributed intelligent alarm in smart substation

JIA Huawei1, GUO Lijun1, YE Haiming2, LI Jianglin1, HU Bin1, LI Hong1, WANG Guangmin1

(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Maintenance Branch, Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 311232, China)

Aiming to solve the problems of low degree of practical application, complexities of project implementation and extraction difficulty and lack of interaction with the scheduling and control center of expert knowledge bank rules about intelligent alarm of smart substation, two-stage distributed intelligent alarm system about scheduling and control center and substation is proposed. It uses pluggable intelligent alarm analysis engine as core driver, adopts two stages integral analysis and decision strategies, improves plug and play and extendable abilities of intelligent alarm and solves the problem of project practicability about intelligent alarm functions. Analysis and reasoning results are reasonably and hierarchy transmitted the control center by service-oriented form in two-stage distributed intelligent alarm system which improves the degree of interaction with scheduling and control center and effectively reduces communications and computing burden of scheduling and control center. Finally, the effect of project application about this system is given.

distributed intelligent alarm; service orientation; pluggable analysis engine; smart substation

10.7667/PSPC151267

2015-07-22；

2015-09-23

賈華偉(1980-)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品研發(fā)；E-mail: jiahwei@163.com

郭利軍(1983-)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品研發(fā)；E-mail: glj219@163.com

葉海明(1964-) 男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化專業(yè)的運行、檢修和專業(yè)管理工作。