淺析智能變電站電源系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

梁國堅，李福鵬，朱玲芬，陶熠昆

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山528400；2.浙江國自機器人技術(shù)有限公司，浙江杭州310053)

淺析智能變電站電源系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

梁國堅1，李福鵬1，朱玲芬2，陶熠昆2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山528400；2.浙江國自機器人技術(shù)有限公司，浙江杭州310053)

交直流電源是智能變電站安全工作的前提。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)及智能運算，將智能變電站中的各種電源設(shè)備有效地進行統(tǒng)一的管理，從而形成電源系統(tǒng)的一體化、智能化運行，從而達到可靠、高效、節(jié)能、經(jīng)濟的運行效果。

變電站；智能化管理；智能運算

Abstract:AC and DC power supply was the premise of intelligent substation safety work.Network technology,communication technology and intelligent computing were used,thus the variety of power supply equipment in intelligent substation was effectively unified managed.Then a power system integration and intelligent operation was formed.The effect of reliable,efficient,energy saving,economic operation was achieved.

Key words:substation;intelligent management,intelligent operation

站用電源是變電站中供相關(guān)設(shè)備可靠運行的保障，主要分為站用直流電源和交流電源。隨著站內(nèi)各種智能化設(shè)備的不斷提高，對站用電源的供電質(zhì)量也提出了越來越高的要求，因此，優(yōu)化站用交直流電源的運行管理水平，提高供電質(zhì)量與可靠性是必不可少的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的站用電源設(shè)備大多都相互獨立，分散，同時耗能高，這樣設(shè)備顯然已經(jīng)不能滿足智能變電站的運行要求。根據(jù)構(gòu)建智能電網(wǎng)及變電站的基本要求，采用智能化設(shè)備、一體化設(shè)計、節(jié)能化應(yīng)用、高效化的管理是智能變電站站用電源的發(fā)展方向[1]。

1 常規(guī)變電站站用電源問題分析

常規(guī)變電站的站用電源主要是為變電站中的電能變換及儲能設(shè)備、通信設(shè)備及其他設(shè)備提供儲能、變能、通風(fēng)、加熱、照明等電源應(yīng)用的電源系統(tǒng)。因此，站用電源根據(jù)應(yīng)用設(shè)備的不同可以分為交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)、不間斷供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信電源系統(tǒng)等。這些設(shè)備由于應(yīng)用時間不同、功能不同、供應(yīng)方不同，一直都采用獨立設(shè)置、分散管理的方式。這種方式雖然保證了系統(tǒng)的及時應(yīng)用，但是為統(tǒng)一的管理帶來眾多不利的影響，主要有：(1)傳統(tǒng)站用電源智能化及自動化水平參差不齊，造成設(shè)備難以協(xié)調(diào)運行。近幾年來，我國電力系統(tǒng)成長較快，新上的設(shè)備具備了一定的智能化。但是，在整個電力系統(tǒng)中仍然存在著一大部分的舊設(shè)備。這些設(shè)備自動化程度差，不能進行網(wǎng)絡(luò)化管理的改造，這就造成了系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)性，需要對老舊設(shè)備進行改造才能適應(yīng)智能化的管理；(2)可靠性差。由于設(shè)備的不協(xié)調(diào)，進而無法用統(tǒng)一的管理平臺對系統(tǒng)進行管理，對于電源系統(tǒng)在運行過程中遇到的問題不能做到早預(yù)測、早分析、早決策，很多設(shè)備還是依靠人工的經(jīng)驗進行管理，造成系統(tǒng)的可靠性差；(3)經(jīng)濟性差。由于整個系統(tǒng)采用獨立運行、分散管理的方式，設(shè)備之間的管理方式不能資源共享，造成設(shè)備浪費及信息的冗余。

綜上所述，采取一定的方式對老舊設(shè)備進行更替，為設(shè)備設(shè)置網(wǎng)絡(luò)化運行、智能化管理創(chuàng)造有利的條件。

2 智能變電站電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1是一體化智能變電站的基本結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，整個系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化管理。底層通信網(wǎng)絡(luò)采取兩種結(jié)構(gòu)，一種是工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的局域網(wǎng)，主要用來提供大型設(shè)備和分布較為集中的設(shè)備的管理。另一種是采取無線短距離技術(shù)構(gòu)建的無線通信網(wǎng)，主要用來提供地點相對分散且有可能經(jīng)常變動的設(shè)備。這兩種網(wǎng)絡(luò)互為補充，工業(yè)以太網(wǎng)穩(wěn)定性好、可靠性強，而短距離通信網(wǎng)絡(luò)靈活性好，適應(yīng)性強，能更好地為電源系統(tǒng)的一體化管理打下良好的基礎(chǔ)。兩種網(wǎng)絡(luò)利用智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集設(shè)施進行數(shù)據(jù)的采集；同時利用執(zhí)行機構(gòu)來執(zhí)行管理中心所下達的控制命令；而位于各個網(wǎng)絡(luò)中心的是區(qū)域控制中心，也就是分區(qū)管理中心。各分區(qū)管理中心設(shè)置嵌入式數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，一方面可以對于緊急故障進行分區(qū)緊急處理；另一方面，分區(qū)中心接收來自底層的數(shù)據(jù)，進行初步的處理，并將數(shù)據(jù)上傳至智能管理中心，與此同時接收來自于智能管理中心的命令，驅(qū)動智能設(shè)備上的執(zhí)行機構(gòu)進行控制管理。

圖1 智能變電站電源體系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能化管理中心模塊是整個系統(tǒng)的核心。管理中心設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，接收來自于底層的運行數(shù)據(jù)，并進行存儲和運行。服務(wù)器中連接事故分析模塊，利用當(dāng)期運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行故障的分析。在分析過程中，模塊還與算法更新模塊進行算法的溝通，算法更新模塊中采用一定的算法構(gòu)建相應(yīng)的預(yù)測模型，利用預(yù)測模型來對數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析。

智能化管理中心的數(shù)據(jù)直接輸出至變電站自動化管理中心。該中心設(shè)置顯示、輸出報表等功能，以幫助工作人員觀察相應(yīng)設(shè)備的運行情況。

3 多數(shù)據(jù)源并行處理的構(gòu)建與預(yù)測模型的設(shè)計

智能變電站中的設(shè)備眾多，大多數(shù)設(shè)備來自于不同的廠家和時期，數(shù)據(jù)的模式存在著各種各樣的不同，這就需要設(shè)計一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，接納來自于不同類型數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，從而形成多數(shù)據(jù)源并行處理的數(shù)據(jù)處理方式。

本設(shè)計采用分布式基礎(chǔ)框架Hadoop來作為變電站中的數(shù)據(jù)平臺，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HDFS基本結(jié)構(gòu)圖

在圖2中，整個數(shù)據(jù)空間采用主從架構(gòu)(master/slave)，各個不同類型的數(shù)據(jù)形成一個統(tǒng)一的HDFS分布式文件系統(tǒng)，每一個文件系統(tǒng)中都統(tǒng)一存在一個NameNode，主要的功能是負責(zé)每一個文件系統(tǒng)的命名和對數(shù)據(jù)空間的訪問管理，其服務(wù)的主體是master。同時，在每一個HDFS集群中，還存在多個DataNode，這些DataNode是由NameNode分割數(shù)據(jù)源所形成的數(shù)據(jù)block，主要服務(wù)于slave，是構(gòu)建多個數(shù)據(jù)源的主體。在智能變電站中，每一個不同類型的物理設(shè)備需要形成一個單獨的DataNode，這些DataNode由智能化管理中心模塊中的master服務(wù)器來進行協(xié)調(diào)工作，工作的重點是HDFS文件系統(tǒng)中NameNode的工作，包括JobTracker的管理。

slave是master的子系統(tǒng)，每一個slave針對一個變電站不同的數(shù)據(jù)群，存在一個DataNode應(yīng)用。Slave的運行由Job-Tracker來進行啟動、跟蹤和調(diào)度，但具體的運行過程由Task-Tracker來完成。

整個Hadoop平臺的運算采用MapReduce方法，該方法采取“Map(映射)”和“Reduce(歸約)”兩個過程來完成數(shù)據(jù)的計算，具體過程如圖3所示。

圖3 MapReduce流程圖

如圖3所示，智能變電站HDFS文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)經(jīng)過MapReduce的映射處理后，可分解成相互關(guān)聯(lián)的多個數(shù)據(jù)子系統(tǒng)；再經(jīng)過歸約后形成各個數(shù)據(jù)源，成為處理的數(shù)據(jù)子模型。

在MapReduce過程中，涉及的兩個過程，一個是Map，也就是映射過程，而這個過程中，數(shù)據(jù)的分配是一個最重要的環(huán)節(jié)。在本設(shè)計中，采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的決策樹體系來形成故障的預(yù)測模型，有助于形成完整的分配原則。

在圖1的智能化管理中心模塊的設(shè)備運行數(shù)據(jù)庫中，設(shè)有三個單獨的數(shù)據(jù)表，其一是設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)表，其二是歷史數(shù)據(jù)表，其三是故障數(shù)據(jù)表。建決策樹的第一步是建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點，建立的方法對每一類事件定義一個結(jié)點[2]，例如某斷路器意外斷開，則就為該事件定義一個結(jié)點，將斷路器動作時所產(chǎn)生的電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)記錄進入相應(yīng)的表中；第二步是建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，具體的方法是對每一個結(jié)點之間的關(guān)系進行分析，形成一張結(jié)點事件之間的關(guān)系圖，將其在關(guān)系圖中偶然出現(xiàn)的事件去除掉之后，形成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖；第三步是確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖中每一個結(jié)點的出現(xiàn)概率，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件計算整個系統(tǒng)的失效率，當(dāng)系統(tǒng)失效率在合理范圍中時，其網(wǎng)絡(luò)建立過程結(jié)束。

整個過程的最后一步是決策樹的建立，建立的依據(jù)就是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，具體的方法是將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中的各個結(jié)點根據(jù)其屬性轉(zhuǎn)化為狀態(tài)結(jié)點和決策結(jié)點，其所對應(yīng)的正是決策樹中的狀態(tài)結(jié)點和決策結(jié)點。相同的事件合并為一個結(jié)點，從而形成故障決策樹。

最后將每一個決策樹的分支就形成一個數(shù)據(jù)的子類，為Map過程提供數(shù)據(jù)源。在歸約的過程中，數(shù)據(jù)的處理原則依然要應(yīng)用到?jīng)Q策樹的分支規(guī)則。

4 總結(jié)

本例利用分布式基礎(chǔ)框架Hadoop來構(gòu)建智能變電站的數(shù)據(jù)源分特征并行處理過程。采用基于貝葉斯模型的決策樹來構(gòu)建MapReduce過程的數(shù)據(jù)分配過程，從而有利于形成智能變電站的一體化管理過程。

[1]苗梅.智能變電站站用電源系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué)，2011：13-15.

[2]周建方，唐椿炎，許智勇.事件樹、故障樹、決策樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[J].河海大學(xué)學(xué)報，2009(5)：352-353.

Analysis on design and application of intelligent substation power supply system

LIANG Guo-jian1,LI Fu-peng1,ZHU Lin-fen2,TAO Yi-kun2
(1.Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Zhongshan Guangdong 528400,China;2.Zhejiang Guozi Robot Technology Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 310053,China)

TM 131

A

1002-087X(2017)09-1371-03

2017-02-25

變電站巡檢機器人無軌化集群管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用(科技編碼：K-GD2014-217)

梁國堅(1973—)，男，廣東省人，碩士，高級工程師，主要研究方向為變電運行管理。