云計算環(huán)境下電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民群眾的生活水平越來越高，越來越重視電路系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。人們對電能需求也日益加大，導(dǎo)致電力系統(tǒng)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，增加了電力系統(tǒng)的信息量，需要采用云計算技術(shù)進(jìn)行解決，根據(jù)較抽象的整合能力，完善電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)，避免各地系統(tǒng)異構(gòu)的阻礙?；诖?，本文主要分析和研究云計算環(huán)境下電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，以供參考。

關(guān)鍵詞：云計算；電力自動化；架構(gòu)

DOI：10.12433/zgkjtz.20233140

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力系統(tǒng)不斷進(jìn)步，在電力行業(yè)中，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的作用至關(guān)重要。電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)是實時監(jiān)控管理電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全以及高效運行的系統(tǒng)，目的是有效提高電力系統(tǒng)的速度和控制精度，減少人工干預(yù)，確保電網(wǎng)更好、更安全的運行。

一、概述云計算技術(shù)和特征

（一）云計算概述

云計算屬于一種開放式計算模式，以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，有效運用虛擬化技術(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)訪問可以配置的計算資源，包括網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、儲存以及服務(wù)等內(nèi)容。

（二）云計算技術(shù)的特征

其一，具有快速且有彈性的架構(gòu)。云計算架構(gòu)較靈活，根據(jù)用戶在空間和時間上的需求，快速實現(xiàn)資源規(guī)模變化，例如，縮小和擴(kuò)大以及關(guān)閉和開啟等功能。

其二，廣泛地訪問網(wǎng)絡(luò)。云計算的計算資源不只局限于本地區(qū)域，還能借助網(wǎng)絡(luò)訪問其他地區(qū)。這些云計算用戶可以直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，獲得高性能的云計算能力。

其三，云計算經(jīng)濟(jì)效益較高。云計算能降低本地物理建設(shè)，一些人員配置問題不斷減少，實現(xiàn)了本地基礎(chǔ)架構(gòu)的零維護(hù)。另外，云計算架構(gòu)能不斷降低業(yè)務(wù)中的損失，這也是其可靠性之一，充分體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

二、傳統(tǒng)電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的問題

（一）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

傳統(tǒng)電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)主要應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，較固定，即各個臺服務(wù)器運行過程中，只有用相對模塊才能實現(xiàn)特定功能，如果多臺服務(wù)器與多個模塊組合到一起，可以實現(xiàn)整個電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的綜合運用，當(dāng)一個節(jié)點出現(xiàn)故障時，只能應(yīng)用備用節(jié)點換取原來的工作，確保整個電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)繼續(xù)工作。因此，整個系統(tǒng)構(gòu)架龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會影響電力自動監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。

（二）傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)通用性較差

傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)來自不同的廠商，功能系統(tǒng)不同，應(yīng)用零件和硬件結(jié)構(gòu)也有所不同，需要不同的專業(yè)維修人員和技術(shù)人員保障和維護(hù)系統(tǒng)，不僅耗費資金，也很難滿足自動化系統(tǒng)的需求，無法實現(xiàn)規(guī)范和統(tǒng)一。

（三）修復(fù)和保障具有很大難度

傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)雖然具有雙重保障，但許多地方一旦發(fā)生故障仍很難修復(fù)和預(yù)防，會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？茖W(xué)技術(shù)快速發(fā)展，智能電網(wǎng)也不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)信息資源和電力系統(tǒng)管理工作會不斷增加，導(dǎo)致消耗人力和物力。

（四）傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)性差

在整個智能電網(wǎng)中，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)是中心，如果發(fā)生故障，會出現(xiàn)嚴(yán)重的電網(wǎng)事故，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。如果傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)能力差，便無法預(yù)估事故。傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)不同，對運行環(huán)境的要求也不同，因此，容災(zāi)能力會降低，難以制定有效的防災(zāi)方案。

三、云計算環(huán)境下，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)

在云計算環(huán)境下，電力設(shè)備自動化系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)是保證電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的安全性和可靠性，提高電力設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，減少信息孤島問題，對設(shè)備監(jiān)控和運行進(jìn)行處理，使其更加可靠和實時。根據(jù)不同的功能性，可以分為基礎(chǔ)層和服務(wù)層以及平臺層。基礎(chǔ)層是有效運用服務(wù)器集群，去除差異性，將資源虛擬化，屏蔽基礎(chǔ)硬件信息，虛擬化資源既要按需分配和及時回收，又要靈活擴(kuò)展，提高資源利用率，虛擬化管理、虛擬化抽象、虛擬機(jī)以及基礎(chǔ)設(shè)施等都包括在內(nèi)。服務(wù)層與業(yè)務(wù)密切相關(guān)，該層應(yīng)用可謂最前沿，無論是狀態(tài)評估和狀態(tài)監(jiān)測，還是負(fù)荷預(yù)測和電力營銷以及分析潮流等都包括在內(nèi)。

電網(wǎng)擴(kuò)大以及出現(xiàn)的采集裝置的采集速率更加迅速，導(dǎo)致未來系統(tǒng)控制和分析線動態(tài)要求的計算能力超過了現(xiàn)階段的實際配置。如果僅考慮提升的處理費用，會增加投入，降低系統(tǒng)的實時性。

要想解決上述問題，基于電網(wǎng)內(nèi)廣域的整體特性，利用已有的廣域網(wǎng)絡(luò)，建立電網(wǎng)的專用云，并通過優(yōu)化的控制算法，有效融合已有的計算機(jī)和數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)供電；同時，電網(wǎng)可以對計算資源進(jìn)行全面的隱私控制，更好地解決電網(wǎng)的物理隔離問題，確保數(shù)據(jù)安全。

在逐漸分散二次系統(tǒng)和資源以及數(shù)據(jù)方面，本文提出了一種基于云計算的電網(wǎng)自動監(jiān)測與控制平臺，在云計算環(huán)境下，如果要實現(xiàn)電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)，既要高效科學(xué)，又要結(jié)構(gòu)清晰，并具備可擴(kuò)展性、維護(hù)性、兼容性以及開放性，將良好的合作平臺提供給不同的硬件和軟件廠商。

該系統(tǒng)監(jiān)控平臺包括：第一，分類管理采集的大量數(shù)據(jù)。將不同類型的數(shù)據(jù)分類歸檔，構(gòu)建專題應(yīng)用庫，例如，針對分散二次系統(tǒng)的報警日志，構(gòu)建報警日志應(yīng)用庫，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對主題數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和發(fā)掘，提高數(shù)據(jù)利用率。

第二，為分布式電能大數(shù)據(jù)構(gòu)建一個統(tǒng)一的存儲平臺。利用分布式文件系統(tǒng)對省級以下二次系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一的存儲和管理，包括系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)資源、執(zhí)行任務(wù)情況、進(jìn)程狀態(tài)以及系統(tǒng)警報等。

第三，建立分析資料的工具庫。二次電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，生成的電量也以幾何級數(shù)的速度增加，為了在大量數(shù)據(jù)中挖掘有用的信息，可以根據(jù)構(gòu)建電力系統(tǒng)自動化監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)分析工具庫，運用先進(jìn)的挖掘數(shù)據(jù)工具、機(jī)器學(xué)習(xí)工具以及人工智能工具，挖掘不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為決策層提供支撐。

第四，電力系統(tǒng)自動化監(jiān)控平臺，無論是日志格式，還是多種數(shù)據(jù)格式都要給予支持，使多種協(xié)議接口集成，在訪問其他系統(tǒng)時，降低工作負(fù)荷。

第五，具有彈性、開放性的架構(gòu)，便于訪問各個子系統(tǒng)及第三方數(shù)據(jù)。

第六，對電網(wǎng)運行的實時監(jiān)測與控制采用先進(jìn)的可視化方法。

本系統(tǒng)主要針對運營和維修人員，因此，為更好地發(fā)揮實用性，將現(xiàn)代化的可視化技術(shù)有效地應(yīng)用于電網(wǎng)中，將全方位技術(shù)支撐提供給運行維護(hù)人員，從而更好地在云計算環(huán)境下實現(xiàn)電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。

四、云計算環(huán)境下，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

云計算環(huán)境下，采用分布式多層次架構(gòu)的配電自動化監(jiān)測系統(tǒng)，將同類業(yè)務(wù)模塊化，提高并行處理能力。電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集層、核心層和展示層三層架構(gòu)組成。

第一，采集層，主要作用是接收網(wǎng)絡(luò)管理平臺、安全管理平臺、自動控制等方面的有關(guān)信息，并傳遞到核心服務(wù)器進(jìn)行處理。采集層由網(wǎng)管采集器、安管采集器以及自動化系統(tǒng)采集器構(gòu)成。網(wǎng)管采集器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)管平臺的性能告警以及資源信息等數(shù)據(jù)的接收；安管收集模塊的功能是對安管平臺性能、報警漏洞、風(fēng)險和資源等進(jìn)行接收；一個用于接收自動控制自動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，例如，DF8003的量測、警告以及資源信息等數(shù)據(jù)。

第二，核心層。主要負(fù)責(zé)采集層數(shù)據(jù)處理請求的分析和接收，主要職能包括：一是用于對不同類型的數(shù)據(jù)請求進(jìn)行分析和接收的核心庫，例如，告警的處理和分析以及性能、處理和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)以及電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的核心服務(wù)；二是數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用HBase和HDFS儲存系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)；三是企業(yè)服務(wù)，處理用戶接口中的各類要求，例如，報警的顯示、篩選、報警處理、報警通告等。

第三，展示層。提供了對用戶的作業(yè)查詢，監(jiān)控商業(yè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、性能、報警，查詢歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。云計算環(huán)境下，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計無論是網(wǎng)絡(luò)專用和安全分區(qū)，還是縱向認(rèn)證和橫向隔離等安全防護(hù)需求都能被滿足。

根據(jù)SOA框架，供電自動化監(jiān)測系統(tǒng)能提供各種不同的操作系統(tǒng)平臺，應(yīng)具有較高的可擴(kuò)充性，對于WebService、HTTP/SOAP、JMS/CMS以及Socket等相關(guān)協(xié)議予以支持；按照面向的對象，系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，遵循程序模塊與層次組件的設(shè)計原理。在此基礎(chǔ)上，利用該技術(shù)，可以在多個操作系統(tǒng)、多個異質(zhì)的硬件環(huán)境下，進(jìn)行分布式的應(yīng)用開發(fā)。

五、基于云計算技術(shù)，設(shè)計電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

（一）實現(xiàn)監(jiān)控之間的通信

監(jiān)控中心與各子廠站運用通信運營，將數(shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)利用租用光纖通道將通信傳輸網(wǎng)接入，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建VPN和電力監(jiān)控數(shù)據(jù)網(wǎng)，無論是中心的SCADA服務(wù)器，還是各個變電站通信集成服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)中都是一個節(jié)點，需要按照點對多點連接，應(yīng)用VPN實現(xiàn)監(jiān)控通信。根據(jù)資源池，控制電力系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)間各個模塊實現(xiàn)通信，形成本地云計算數(shù)據(jù)中心。

（二）出現(xiàn)資源池

云計算技術(shù)設(shè)計的電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)可以充分利用原來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器，再有效運用云計算虛擬化技術(shù)構(gòu)建資源池。

六、云計算環(huán)境下，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

云計算環(huán)境下，電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)獲取、特征值抽取、電力系統(tǒng)自動化監(jiān)測的實施三大模塊。

第一，采集數(shù)據(jù)模塊。運用Direct方法在電氣設(shè)備上安裝傳感器，讀取和保存數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)將模擬量轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，并進(jìn)行光電隔離，以增強(qiáng)抗干擾性。對電網(wǎng)中的電器實時監(jiān)控，不僅可以測量各線路的信號強(qiáng)度，還可以得到各信號之間的相位關(guān)系，基本方式是采用多變換開關(guān)和多組取樣維持裝置、帶有輸出鎖存的ADC組成一個同步取樣裝置。

第二，抽取數(shù)據(jù)特征量的模塊。將收集的裝備資料轉(zhuǎn)化為規(guī)范的形式，便于抽取，然后高效利用傅里葉變換抽取出資料的特征，得到與資料相同的MFCC參數(shù)。其中，數(shù)據(jù)特征量的參量為 MFCC；電器裝置資料組，運算參數(shù)為X。利用這一關(guān)系式，實現(xiàn)對電力裝備的特征參量的求解，為實現(xiàn)電力裝備的智能化奠定堅實的基礎(chǔ)。

第三，電力裝置的自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計。通過對以電氣裝置的數(shù)據(jù)為核心的各參量與MFCC參量進(jìn)行比較、分析，由控制器將判定的結(jié)論傳送到監(jiān)測計算機(jī)，利用任務(wù)的價值特性模型實施智能監(jiān)測。其中，Wi=agi+bki，Wi表示任務(wù)的有效值，ki表示數(shù)據(jù)類型的值，a和b的系數(shù)以及用gi的數(shù)據(jù)源鍵值。在有效值中，資料來源包括資料的種類k與重要度g，資料種類包括警報以及例外與慣例。g是決定優(yōu)先順序的因素，當(dāng)電網(wǎng)重要設(shè)施的g值較大時，為了避免發(fā)生嚴(yán)重后果，必須在短時間內(nèi)完成。k可以體出工作的迫切性，所以它的資料是實時的，優(yōu)先級較高?？梢愿鶕?jù)k值和g值，判斷任務(wù)的優(yōu)先級和花費時間。

在云計算環(huán)境下，根據(jù)云計算技術(shù)的電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計自動化監(jiān)控系統(tǒng)，運用科學(xué)且先進(jìn)的資源池，突破傳統(tǒng)電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)的束縛，既能使電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運行，又能使經(jīng)濟(jì)效益更好的實現(xiàn)。

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作者簡介：趙品彰（1987），男，遼寧省本溪市人，大學(xué)本科，電力工程師，主要研究方向為電氣工程及其自動化。