一種電力二次系統(tǒng)健康模型建模方法的研究

孫超， 蘇揚(yáng)， 溫柏堅(jiān)， 鄧大為， 劉德賀

(1．南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211102；2．南方電網(wǎng)公司， 廣東 廣州 510663；3．廣東電網(wǎng)公司， 廣東 廣州 510699)

0 引 言

近年來(lái)，智能電網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電力二次系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱二次系統(tǒng))的監(jiān)控范圍不斷擴(kuò)展,技術(shù)水平不斷提高。信息與通信技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱ICT)的進(jìn)步已經(jīng)成為現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重大推動(dòng)力，以現(xiàn)代信息與通信技術(shù)為基礎(chǔ)所構(gòu)建的電力二次系統(tǒng)，相當(dāng)大程度上改變了電力基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，成為電力一次系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)保障。在此情況下，由于二次系統(tǒng)的廣泛部署與互連，其所出現(xiàn)諸如物理安全、運(yùn)行安全、信息安全等方面的問(wèn)題，都有可能波及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，影響電網(wǎng)的可靠供電[1-6]。

隨著智能運(yùn)行主站系統(tǒng)及數(shù)字化變電站應(yīng)用的不斷增加和擴(kuò)展，電力二次系統(tǒng)硬件設(shè)備日益增多，業(yè)務(wù)互連形態(tài)日趨復(fù)雜，迫切需要建設(shè)符合電力二次系統(tǒng)特點(diǎn)的監(jiān)視與管理系統(tǒng)[7-10]。就像公共信息模型(CIM)是SCADA系統(tǒng)的核心[11-14]，二次系統(tǒng)的健康模型就是面向二次系統(tǒng)的監(jiān)管系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)健康模型實(shí)現(xiàn)對(duì)二次系統(tǒng)各個(gè)組成部分運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵指標(biāo)的全面掌控。

1 面臨的挑戰(zhàn)

1.1 監(jiān)管范圍

監(jiān)管系統(tǒng)收集各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，諸如二次系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)、二次設(shè)備運(yùn)行狀況、網(wǎng)絡(luò)互連情況、系統(tǒng)信息安全和機(jī)房環(huán)境參數(shù)等。監(jiān)管系統(tǒng)將運(yùn)行數(shù)據(jù)或告警分類展示給運(yùn)維人員使用。由于電力二次系統(tǒng)技術(shù)橫跨電力系統(tǒng)、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)等諸多專業(yè)，監(jiān)管系統(tǒng)按照專業(yè)將數(shù)據(jù)整合，提供給不同專業(yè)的人員使用。

目前的監(jiān)管系統(tǒng)多數(shù)基于通用網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)擴(kuò)展，繼承了通用網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)(CMDB)中的配置建模機(jī)制，建立面向監(jiān)管對(duì)象的模型[15]。

1.2 配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)建模技術(shù)

配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與管理企業(yè)IT架構(gòu)中設(shè)備的各種配置信息，一個(gè)典型的CMDB配置模型如圖1所示。

圖1 CMDB配置模型示例

其將業(yè)務(wù)系統(tǒng)層層拆分為相關(guān)模塊和組件，并將ICT基礎(chǔ)設(shè)施和業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。其中建模過(guò)程是在明確管理范圍前提下經(jīng)過(guò)配置項(xiàng)分類、屬性定義和結(jié)構(gòu)定義，最后是將配置項(xiàng)實(shí)例化。

1.3 存在的問(wèn)題

首先，配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)建模方式是以業(yè)務(wù)系統(tǒng)為單位描述各種IT設(shè)備的配置信息和關(guān)聯(lián)關(guān)系，在電力系統(tǒng)中主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)間有密切的縱向關(guān)聯(lián)關(guān)系、且主站系統(tǒng)間也有密切的橫向關(guān)聯(lián)關(guān)系，此種關(guān)聯(lián)在配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)建模方式中較難描述。其次，配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)建模方式注重組件式的分解，是一種靜態(tài)分類模型，而電力系統(tǒng)分析二次系統(tǒng)故障的過(guò)程中關(guān)注的是邏輯的或者物理的關(guān)聯(lián)關(guān)系，且需要對(duì)模型進(jìn)行裁剪和重構(gòu)，需要模型具備較好的動(dòng)態(tài)特性。

2 健康模型建模方案

電力二次系統(tǒng)健康模型的核心思想在于：提出一種通過(guò)歸納總結(jié)IT設(shè)備、電網(wǎng)二次設(shè)備、通用軟件和業(yè)務(wù)軟件的特征，抽象公共特征形成層次結(jié)構(gòu)，建立包括二次系統(tǒng)主站端和子站端業(yè)務(wù)系統(tǒng)、ICT基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)二次設(shè)備在內(nèi)的有明確語(yǔ)法和語(yǔ)義定義的模型，此模型用來(lái)描述二次系統(tǒng)各組成部分的運(yùn)行狀態(tài)和健康指標(biāo)。模型分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)模型、資源模型和依賴關(guān)系模型。其中數(shù)據(jù)模型解決二次系統(tǒng)中所有管理對(duì)象分類的描述，資源模型解決二次系統(tǒng)的模型如何與現(xiàn)有電網(wǎng)一次模型對(duì)接的問(wèn)題，依賴關(guān)系模型解決復(fù)雜的關(guān)聯(lián)描述，有利于故障分析。

2.1 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型是通過(guò)對(duì)二次系統(tǒng)中的主站端和子站端監(jiān)視對(duì)象，包括IT設(shè)備、電網(wǎng)二次設(shè)備、通用軟件和專業(yè)軟件的特征分析，形成一種描述二次系統(tǒng)的分類模型，它是構(gòu)建資源模型和依賴關(guān)系模型的基礎(chǔ)。二次系統(tǒng)健康模型中的數(shù)據(jù)模型分為資源、運(yùn)行信息、功能/業(yè)務(wù)/服務(wù)和規(guī)則四個(gè)分類。

1)資源

從電力二次系統(tǒng)運(yùn)維與管理系統(tǒng)的角度，二次系統(tǒng)中每個(gè)組成部分都是一種資源，他們?yōu)槎蜗到y(tǒng)的運(yùn)行提供了某種功能，是觀測(cè)二次系統(tǒng)運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)單位。按照資源存在的方式將其劃分為面向邏輯資源的軟件和邏輯組件，面向物理資源的設(shè)備和設(shè)備組件，如圖2所示。

圖2 資源分類

2)運(yùn)行信息

電力二次系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各類運(yùn)行狀態(tài)信息和經(jīng)過(guò)計(jì)算分析產(chǎn)生結(jié)果類信息。兩類信息都反映了電力二次系統(tǒng)各類資源的運(yùn)行情況。健康模型按照運(yùn)行信息的特性將其劃分為原始信息和分析結(jié)果，如圖3所示。

從表1中可以看出，采用永磁聯(lián)軸器對(duì)2臺(tái)污水外調(diào)泵實(shí)施技術(shù)改造后，1#泵有功功率下降了14.14 kW，無(wú)功功率下降了1.11 kVar，功率因數(shù)提高了0.041，機(jī)組效率上升了7.32%，日耗電量下降了341 kW時(shí)，機(jī)組單耗下降了0.02 kWh/m3，按相近工況下單耗變化值計(jì)算節(jié)電率達(dá)到11.76%；2#泵有功功率下降了13.69 kW，無(wú)功功率下降了6.6 kVar，功率因數(shù)提高了0.009，機(jī)組效率上升了3.44%，日耗電量下降了329kW時(shí)，機(jī)組單耗下降了0.02kWh/m3，按相近工況下單耗變化值計(jì)算節(jié)電率達(dá)到11.76%。

圖3 運(yùn)行信息分類

3)功能/業(yè)務(wù)/服務(wù)

圖4 功能/業(yè)務(wù)/服務(wù)分類

功能/業(yè)務(wù)/服務(wù)是從業(yè)務(wù)運(yùn)行的角度對(duì)各類支撐業(yè)務(wù)的資源按照其屬性特征分為公共基礎(chǔ)服務(wù)，包括計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以及應(yīng)用服務(wù)。其中計(jì)算服務(wù)是指提供計(jì)算資源的服務(wù),數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)是指為業(yè)務(wù)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)存取類資源；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是指為業(yè)務(wù)運(yùn)行提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的資源,應(yīng)用服務(wù)是支撐業(yè)務(wù)運(yùn)行的業(yè)務(wù)功能。服務(wù)分類如圖4所示。

4)規(guī)則

圖5 規(guī)則分類

規(guī)則定義了分析電力二次系統(tǒng)各組成部分的動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)的判據(jù)，其分為業(yè)務(wù)行為規(guī)則、安全關(guān)聯(lián)規(guī)則、性能分析規(guī)則和故障分析規(guī)則。其中業(yè)務(wù)行為規(guī)則是從業(yè)務(wù)角度分析電力二次系統(tǒng)運(yùn)行的各種行為特征，并依據(jù)此特征評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)運(yùn)行的狀態(tài)。安全關(guān)聯(lián)規(guī)則是從信息安全角度分析電力二次系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算安全運(yùn)行的各類指標(biāo)。性能分析規(guī)則是從系統(tǒng)性能角度分析電力二次系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算系統(tǒng)各類資源的運(yùn)行性能指標(biāo)。故障分析規(guī)則是從系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行角度分析電力二次系統(tǒng)各個(gè)業(yè)務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合故障告警和各類資源的運(yùn)行信息分析并定位故障根源。規(guī)則分類如圖5所示。

2.2 資源模型

資源模型是在IEC61970 CIM模型的基礎(chǔ)上描述數(shù)據(jù)模型中的各類監(jiān)視對(duì)象，從而形成了電網(wǎng)一二次結(jié)合的完整對(duì)象模型，用于對(duì)二次系統(tǒng)的監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)分析。它解決了現(xiàn)有方案無(wú)法融入電力系統(tǒng)特有電網(wǎng)架構(gòu)的問(wèn)題。比如在變電站內(nèi)各個(gè)電網(wǎng)一次設(shè)備下擴(kuò)展二次設(shè)備模型，在廠站和控制中心下擴(kuò)展二次系統(tǒng)分支，包含了子系統(tǒng)、設(shè)備和公共基礎(chǔ)設(shè)施，主要用于描述主站或子站的軟件系統(tǒng)資源及其支撐其運(yùn)行的ICT基礎(chǔ)設(shè)施資源。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 資源模型

其中，控制中心和廠站內(nèi)的二次系統(tǒng)中包含子系統(tǒng)、設(shè)備和公共基礎(chǔ)設(shè)施三個(gè)類，廠站內(nèi)一次設(shè)備下的二次設(shè)備歸為設(shè)備類。模型中每一個(gè)類都可以包含模擬量、狀態(tài)量等量測(cè)數(shù)據(jù)類。

2.3 依賴關(guān)系模型

依賴關(guān)系模型是在資源模型的基礎(chǔ)上，將二次系統(tǒng)劃分為不同的業(yè)務(wù)，每項(xiàng)業(yè)務(wù)中包含業(yè)務(wù)運(yùn)行所依賴的各類服務(wù)，服務(wù)再細(xì)化關(guān)聯(lián)到其所依賴的各類監(jiān)視對(duì)象，用于二次系統(tǒng)的故障分析和定位。其架構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 依賴關(guān)系模型

其中，控制中心和變電站所包含的業(yè)務(wù)是從業(yè)務(wù)角度對(duì)應(yīng)用重新分類，比如前置業(yè)務(wù)、SCADA業(yè)務(wù)和AGC業(yè)務(wù)等，每種業(yè)務(wù)在二次系統(tǒng)中是靠一系列相關(guān)的軟件模塊和硬件設(shè)施等資源支撐的，依賴關(guān)系模型將這些支撐的資源抽象成各種服務(wù)，每種服務(wù)為相關(guān)的業(yè)務(wù)提供一種服務(wù)能力，比如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與通信能力、計(jì)算服務(wù)提供數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算的能力、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)提供數(shù)據(jù)存取能力和應(yīng)用服務(wù)提供業(yè)務(wù)所需的各種應(yīng)用功能。

一種業(yè)務(wù)也可以為另外一個(gè)業(yè)務(wù)提供支撐，這種情況下，前一種業(yè)務(wù)就是后一種業(yè)務(wù)的應(yīng)用服務(wù)。利用應(yīng)用服務(wù)的概念可以將有依賴關(guān)系的各種業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，比如子站的遠(yuǎn)動(dòng)業(yè)務(wù)就支撐主站前置業(yè)務(wù)，因此可以認(rèn)為子站遠(yuǎn)動(dòng)業(yè)務(wù)是主站前置業(yè)務(wù)的應(yīng)用服務(wù)，建立主子站之間業(yè)務(wù)的依賴關(guān)系。

按照業(yè)務(wù)與服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以建立業(yè)務(wù)與各類資源間的依賴關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)某個(gè)資源出現(xiàn)故障時(shí)，能夠迅速關(guān)聯(lián)分析到依賴此資源的相關(guān)業(yè)務(wù)，為故障定位提供一種聚類分析方法。由于子站與主站間有業(yè)務(wù)依賴關(guān)系和二次設(shè)備與相關(guān)一次設(shè)備有依賴關(guān)系，因此運(yùn)用依賴關(guān)系模型可以分析子站故障對(duì)主站的影響和一二次設(shè)備故障對(duì)對(duì)方的影響，為電網(wǎng)故障分析和預(yù)警提供了靈活的分析模型支持。

3 與現(xiàn)有方案比較

相比配置管理數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，電力二次系統(tǒng)健康模型建模方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)解決了分支較多、數(shù)據(jù)冗余和維護(hù)復(fù)雜的問(wèn)題，采用三個(gè)模型解決三方面的問(wèn)題，建立彼此關(guān)聯(lián)，減少冗余節(jié)點(diǎn)，維護(hù)也可以根據(jù)需要分開(kāi)單獨(dú)維護(hù)。數(shù)據(jù)模型定義了各種分類，當(dāng)分類發(fā)生改變時(shí)才需要維護(hù)。資源模型描述各類監(jiān)視對(duì)象，并不包括復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)對(duì)象發(fā)生改變時(shí)才需要維護(hù)。依賴關(guān)系模型面向業(yè)務(wù)，按照四類基礎(chǔ)服務(wù)歸納關(guān)系，并抽象出公共基礎(chǔ)服務(wù)，對(duì)共用資源的關(guān)系集中管理，從而使得關(guān)系的維護(hù)條理清晰。

(2)解決了跨系統(tǒng)描述能力低的問(wèn)題，一方面利用IEC61970 CIM模型的電網(wǎng)架構(gòu)概念將縱向主子站間有機(jī)整合起來(lái),另一方面橫向上打破系統(tǒng)邊界，按照業(yè)務(wù)管理各資源間的依賴關(guān)系，為分析二次系統(tǒng)的運(yùn)行情況和故障提供了統(tǒng)一的橫向、縱向可擴(kuò)展模型支撐。

(3)解決了無(wú)法融入電力系統(tǒng)特有電網(wǎng)架構(gòu)的問(wèn)題，利用IEC61970 CIM的一次設(shè)備模型，可以將變電站端的二次設(shè)備與相關(guān)的一次設(shè)備相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而將二次設(shè)備如何與電網(wǎng)架構(gòu)結(jié)合，為判斷二次系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)整體運(yùn)行情況的影響提供了模型支撐。

(4)解決了模型關(guān)聯(lián)分析能力弱的問(wèn)題，用面向業(yè)務(wù)的依賴關(guān)系模型，通過(guò)梳理支撐業(yè)務(wù)運(yùn)行的四類基礎(chǔ)服務(wù)，抽象公共基礎(chǔ)服務(wù)，將復(fù)雜的多對(duì)多依賴關(guān)系，分解到各類服務(wù)中，并以最終反映業(yè)務(wù)運(yùn)行情況為導(dǎo)向重新組織，既起到了化繁為簡(jiǎn)，提高可維護(hù)性的目的，又強(qiáng)化了分析業(yè)務(wù)運(yùn)行情況的模型支撐能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力二次系統(tǒng)健康模型建模技術(shù)已經(jīng)在廣東省電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心《省地協(xié)同二次系統(tǒng)運(yùn)維與管理平臺(tái)》項(xiàng)目中得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣東省調(diào)和佛山、東莞、茂名等6個(gè)地調(diào)的主站系統(tǒng)以及佛山、東莞、茂名三地變電站內(nèi)二次設(shè)備及子站后臺(tái)的建模，統(tǒng)一描述了包括主站和子站后臺(tái)的ICT基礎(chǔ)設(shè)施、業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及子站端保護(hù)、測(cè)控、遠(yuǎn)動(dòng)等二次設(shè)備的二次系統(tǒng)各組成部分。構(gòu)建了主子站一體的依賴關(guān)系模型，提高二次系統(tǒng)故障快速定位分析能力。實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一模型下的省、地、變電站三級(jí)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，能夠?qū)⒆冸娬緝?nèi)二次系統(tǒng)運(yùn)行信息實(shí)時(shí)上送給省地兩級(jí)主站系統(tǒng)，提高站端運(yùn)維水平。

經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，電力二次系統(tǒng)健康模型建模技術(shù)在智能電網(wǎng)二次系統(tǒng)中的作用已經(jīng)得到初步驗(yàn)證，總結(jié)出了一套適合智能電網(wǎng)二次系統(tǒng)監(jiān)管的應(yīng)用模式，為進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，形成網(wǎng)省地縣一體化二次系統(tǒng)的監(jiān)管系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。