電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭 濤 鄒 樂(lè)

（1.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192；2.合肥學(xué)院人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.中國(guó)國(guó)際人才開(kāi)發(fā)中心有限公司，北京 100044）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展、新型智慧電力系統(tǒng)的建設(shè)和完善，智能電網(wǎng)逐步發(fā)展成為社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，由于電力系統(tǒng)多元化發(fā)展使得其跨多領(lǐng)域綜合集成實(shí)現(xiàn)了多個(gè)領(lǐng)域的新突破，同時(shí)高度復(fù)雜的集成運(yùn)行環(huán)境對(duì)新型電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、健壯性等方面提出了更高的要求。電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是由穩(wěn)態(tài)監(jiān)控、高級(jí)應(yīng)用、AVC、AGC、WAMS、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、安全防護(hù)設(shè)備等多種資源集成的信息物理系統(tǒng)[1]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備類型多數(shù)量龐大，多級(jí)業(yè)務(wù)與軟硬件緊密耦合，使得電網(wǎng)系統(tǒng)故障追憶變得復(fù)雜繁瑣，查詢周期長(zhǎng)，定位故障困難。

調(diào)度自動(dòng)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息是否完整、準(zhǔn)確、可靠，直接影響著調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)功能的在線應(yīng)用水平以及電網(wǎng)運(yùn)行人員對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的判斷和控制能力。電網(wǎng)系統(tǒng)故障追憶是智能調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中非常重要的功能，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定義的事故觸發(fā)條件包括設(shè)備位置、保護(hù)信號(hào)動(dòng)作狀態(tài)、模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。這些預(yù)定義的觸發(fā)事件包括設(shè)備狀態(tài)變化、測(cè)量值越限、計(jì)算值越限、測(cè)量值突變、邏輯計(jì)算值為真、操作命令等。通過(guò)故障追憶功能，可以將保存的事故數(shù)據(jù)進(jìn)行重現(xiàn)與查詢，反映出事故前后一段時(shí)間電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)度人員和運(yùn)維人員可以方便有效地分析事故的原因，調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式，避免系統(tǒng)安全隱患引發(fā)大電網(wǎng)事故，從而保障了電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

因此建立一套可以進(jìn)行故障定位和故障追憶的實(shí)時(shí)可視化系統(tǒng)有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)提高故障判別準(zhǔn)確度和及時(shí)定位故障原因有著重要的實(shí)用性。對(duì)此本文研究和設(shè)計(jì)了一套電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、分析和利用，發(fā)掘數(shù)據(jù)內(nèi)部蘊(yùn)涵的信息、數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等，該系統(tǒng)提高了電網(wǎng)運(yùn)行全局分析能力和主動(dòng)預(yù)判能力。

2 系統(tǒng)需求分析

在功能需求當(dāng)中由于電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化故障追憶系統(tǒng)涉及到前端服務(wù)和后端服務(wù)，因此包含前端系統(tǒng)功能需求和后端系統(tǒng)功能需求。

2.1 前端系統(tǒng)功能需求

（1）系統(tǒng)管理：包括用戶管理、角色管理、菜單管理、部門管理、崗位管理、字典管理、參數(shù)設(shè)置、通知公告等功能。

（2）告警管理：實(shí)時(shí)告警和歷史告警信息展示和查詢功能。

（3）智能值班：具備智能交接班、智能專家?guī)臁＜規(guī)旃芾淼裙δ堋?/p>

（4）平臺(tái)監(jiān)視：包括通道狀態(tài)、磁盤狀況詳情、網(wǎng)卡狀態(tài)、內(nèi)存資源、應(yīng)用狀態(tài)詳情、服務(wù)器狀況等進(jìn)行監(jiān)視和分析功能。

（5）運(yùn)行監(jiān)視：包括對(duì)遙測(cè)封鎖、告警抑制、人工掛牌、遙信封鎖、母線不平衡等系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)視和分析功能。

（6）統(tǒng)計(jì)分析：提供實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的統(tǒng)計(jì)與分析功能。

（7）系統(tǒng)監(jiān)控：提供在線用戶、服務(wù)監(jiān)控、緩存監(jiān)控等實(shí)時(shí)展示功能。

2.2 后端系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)管理模塊：設(shè)計(jì)包括賬號(hào)管理子模塊、菜單管理子模塊、字典管理子模塊、參數(shù)設(shè)置子模塊、通知公告子模塊等后端實(shí)現(xiàn)。

（2）告警管理：包括實(shí)時(shí)告警接口數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)刷新機(jī)制，歷史告警接口和信息查詢分類數(shù)據(jù)組織等。

（3）智能值班：包括值班缺陷分級(jí)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)巡視記錄、工作票許可、需交接的工作臺(tái)賬等。

（4）平臺(tái)監(jiān)視：包括監(jiān)控總覽、磁盤占用TOPS、CPU占用TOPS、網(wǎng)卡狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視等進(jìn)行儀表盤、柱狀圖、曲線等可視化實(shí)現(xiàn)。

（5）運(yùn)行監(jiān)視：對(duì)實(shí)時(shí)信息的告警域進(jìn)行分析判斷，依據(jù)判斷信息進(jìn)行操作數(shù)據(jù)的分類展示。

（6）統(tǒng)計(jì)分析：統(tǒng)計(jì)告警信息，提供查詢分析。

（7）系統(tǒng)監(jiān)控：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在線用戶監(jiān)控、服務(wù)監(jiān)控、緩存監(jiān)控等后端邏輯。

2.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)圖

圖1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)圖

2.4 性能需求

（1）穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)綜合測(cè)試場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)高峰期使用人數(shù)、各事務(wù)操作頻率進(jìn)行測(cè)試，模擬在線訪問(wèn)量和并發(fā)量的高峰期，系統(tǒng)各性能指標(biāo)在這種壓力下是否能保持正常數(shù)值。系統(tǒng)是否會(huì)在運(yùn)行期間內(nèi)發(fā)生如宕機(jī)、應(yīng)用調(diào)線等異常情況。

（2）抗壓性：模擬服務(wù)器系統(tǒng)高峰期使用人數(shù)，驗(yàn)證各事務(wù)在并發(fā)數(shù)（通過(guò)高峰期人數(shù)換算）下事務(wù)響應(yīng)時(shí)間能否達(dá)到客戶要求。

（3）容錯(cuò)性：通過(guò)模擬一些非正常情況（如：服務(wù)器突然斷電、網(wǎng)絡(luò)時(shí)斷時(shí)續(xù)、服務(wù)器硬盤空間不足等）驗(yàn)證系統(tǒng)在發(fā)生這些情況時(shí)，是否能夠有自動(dòng)處理機(jī)制以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行或恢復(fù)運(yùn)行措施，驗(yàn)證其能否有效觸發(fā)保護(hù)措施。

（4）安全性：前端和后端管理兩個(gè)系統(tǒng)都需要登錄權(quán)限，只有通過(guò)用戶名和密碼驗(yàn)證登錄系統(tǒng)后才能進(jìn)行操作，根據(jù)角色、部門和崗位等不同，權(quán)限也不同。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用SSM集成架構(gòu)和數(shù)據(jù)緩存Redis搭建一套電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)，對(duì)此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)基于B/S模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，而電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)共享智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行共享鏡像存儲(chǔ)、提取轉(zhuǎn)換、高速緩存和數(shù)據(jù)持久化等步驟。因此整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程是先利用智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)采集的一區(qū)數(shù)據(jù)同步到三區(qū)后解析再存入Redis，然后按照前端實(shí)時(shí)請(qǐng)求進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)，同時(shí)將歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)到鏡像達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)的故障預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等大量數(shù)據(jù)運(yùn)用處理過(guò)程事務(wù)提供數(shù)據(jù)源。所以根據(jù)數(shù)據(jù)流向和功能進(jìn)行劃分，本文將整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、表示層、數(shù)據(jù)層[3]。

如圖2所示，數(shù)據(jù)層采用智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)三區(qū)鏡像庫(kù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉edis服務(wù)器上進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，提供更加結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)源；應(yīng)用層則是利用數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化的功能處理，諸如應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示、設(shè)備關(guān)系、故障分析預(yù)測(cè)等，使用SSM框架進(jìn)行設(shè)計(jì)解耦，獨(dú)立封裝各模塊功能，對(duì)客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求給予異步實(shí)時(shí)響應(yīng)[4-5]；而表示層通過(guò)瀏覽器頁(yè)面對(duì)故障追憶系統(tǒng)數(shù)據(jù)的諸多處理運(yùn)用結(jié)果進(jìn)行可視化的顯示和展現(xiàn)。B/S架構(gòu)是基于瀏覽器/服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前與未來(lái)全球IT技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，B/S架構(gòu)是主要的解決方案[6-7]，采用B/S架構(gòu)對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施的可行性有以下幫助：

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（1）具有分布性特點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。

（2）系統(tǒng)的相對(duì)集中性使得系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展變得更加容易。

（3）界面統(tǒng)一（全部為瀏覽器方式），操作相對(duì)簡(jiǎn)單；維護(hù)簡(jiǎn)單方便，只需要改變網(wǎng)頁(yè)，即可實(shí)現(xiàn)所有用戶的同步更新。

（4）業(yè)務(wù)規(guī)則和數(shù)據(jù)捕獲的程序容易分發(fā)。

3.2 平臺(tái)層邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接入及告警管理等功能，打通EMS、OMS、TMR、網(wǎng)安系統(tǒng)、缺陷管理系統(tǒng)、智能告警平臺(tái)等多套系統(tǒng)壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成及統(tǒng)一管理。

專家知識(shí)庫(kù)主要是根據(jù)自動(dòng)化運(yùn)維專業(yè)知識(shí)和大量的歷史經(jīng)驗(yàn)，匯集生成AI智能知識(shí)庫(kù)，通過(guò)應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)運(yùn)維人員提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬運(yùn)維專家的決策過(guò)程，協(xié)助解決需要運(yùn)維專家處理的復(fù)雜問(wèn)題。

3.3 應(yīng)用層邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)（人機(jī)交互）

電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)基于智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)采用基于Web的B/S的架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，部署于管理信息大區(qū)的安全三區(qū)，充分利用自動(dòng)化管轄的各類系統(tǒng)現(xiàn)有資源，通過(guò)融合各系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)深度挖掘分析和功能開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)智能監(jiān)視、智能統(tǒng)計(jì)分析、故障自動(dòng)辨識(shí)與處理、智能交接班、智能專家?guī)鞓?gòu)建等功能，大力降低自動(dòng)化班組運(yùn)維負(fù)擔(dān)，全面提升自動(dòng)化專業(yè)的運(yùn)維管控能力和自動(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行水平，人機(jī)交互的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程圖

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)圖

資源監(jiān)視和運(yùn)行監(jiān)視主要根據(jù)自動(dòng)化運(yùn)維管理指標(biāo)要求對(duì)各系統(tǒng)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器資源狀態(tài)（磁盤空間、內(nèi)存、CPU等狀態(tài)）、通道狀態(tài)、重要進(jìn)程、安全態(tài)勢(shì)等進(jìn)行周期性巡檢，自動(dòng)化形成巡檢報(bào)告、值班日志、故障異常清單和預(yù)警提示，為統(tǒng)計(jì)分析及故障智能辨識(shí)等功能提供計(jì)算依據(jù)。

統(tǒng)計(jì)分析模塊主要是實(shí)現(xiàn)頻發(fā)告警統(tǒng)計(jì)、總加追憶分析和通道中斷分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)告警頻發(fā)、跳變數(shù)據(jù)、通道異常的智能統(tǒng)計(jì)分析，協(xié)助發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)異常問(wèn)題，助力大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

故障追憶模塊主要根據(jù)歷史故障及人工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)告警進(jìn)行相關(guān)性分析并識(shí)別告警之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成各類故障的統(tǒng)計(jì)分析樣本，自動(dòng)分析研判故障點(diǎn)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)按照故障標(biāo)準(zhǔn)化研判流程實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)研判。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與通信設(shè)備之間的幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系表示網(wǎng)絡(luò)實(shí)體結(jié)構(gòu)，反映出網(wǎng)絡(luò)中各實(shí)體間的結(jié)構(gòu)和層次關(guān)系。

系統(tǒng)硬件根據(jù)功能要求配置，以滿足系統(tǒng)容量和技術(shù)性能指標(biāo)的要求。同類服務(wù)資源可以互相支援和互備，所有會(huì)影響應(yīng)用功能的關(guān)鍵性設(shè)備均采取冗余配置。系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全防護(hù)設(shè)備和其他輔助計(jì)算機(jī)設(shè)備，系統(tǒng)組網(wǎng)方案如下：網(wǎng)絡(luò)橫向上分為安全I(xiàn)區(qū)、II區(qū)及安全I(xiàn)II區(qū)，縱向上分為調(diào)度主站—變電站兩級(jí)，橫向及縱向邊界上均部署真實(shí)的縱向加密、正反向隔離、防火墻等安全防護(hù)設(shè)備，與電廠的第三方邊界上部署無(wú)線安全接入?yún)^(qū)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的服務(wù)器等設(shè)備放在安全I(xiàn)II區(qū)，分別是數(shù)據(jù)匯集分析服務(wù)器、故障追憶分析服務(wù)器、Web數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器、監(jiān)控工作站、大屏展示等，通過(guò)nginx服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)HTTP和反向代理以及負(fù)載均衡，當(dāng)出現(xiàn)高并發(fā)訪問(wèn)時(shí)，可以增加服務(wù)器同時(shí)利用Redis緩存技術(shù)來(lái)減輕達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器的壓力[8]。

5 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)采用國(guó)產(chǎn)達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)V7.0，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體表主要有用戶表、角色表、系統(tǒng)菜單表、部門表、崗位表、操作日志表、通知公告表、登錄信息表、系統(tǒng)日志表、字典表、系統(tǒng)配置表、確認(rèn)告知表等43張表。以下列出用戶表的表信息結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)表一覽，詳見(jiàn)表1和圖5。

表1 用戶表(SYS_USER)

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)表一覽

6 數(shù)據(jù)展示與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 遙信告警統(tǒng)計(jì)分析

基于智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)遙信告警進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，可根據(jù)選擇的變電站、告警時(shí)間，統(tǒng)計(jì)選擇時(shí)間范圍內(nèi)的遙信告警次數(shù)，解決了智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)只能查詢告警、無(wú)法進(jìn)行告警分類統(tǒng)計(jì)分析的問(wèn)題，助力值班人員發(fā)現(xiàn)異常頻繁告警，及時(shí)開(kāi)展設(shè)備檢修服務(wù)，預(yù)防設(shè)備故障。該模塊直接從鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取告警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，詳見(jiàn)圖6。

圖6 遙信告警統(tǒng)計(jì)分析

6.2 地區(qū)功率總加數(shù)據(jù)跳變追憶分析

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視總加數(shù)據(jù)跳變，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)跳變時(shí)保存跳變前后各計(jì)算公式分量的變化數(shù)值，解決了智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)無(wú)法分析定位總加數(shù)據(jù)跳變分量的問(wèn)題，可以助力監(jiān)控人員分析定位總加數(shù)據(jù)跳變的原因[9]。該模塊直接從鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)跳變分量和跳變百分比進(jìn)行分析，根據(jù)跳變分量的時(shí)間可以查看報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)，從而為找到跳變現(xiàn)象的具體原因提供便捷高效的服務(wù)。對(duì)此我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，用計(jì)算點(diǎn)表test1這個(gè)點(diǎn)模擬了一個(gè)數(shù)值，從而觸發(fā)了數(shù)據(jù)跳變，分析結(jié)果詳見(jiàn)圖7。

圖7 地區(qū)功率總加數(shù)據(jù)跳變追憶分析

7 結(jié)語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)了一套電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用IDE開(kāi)發(fā)工具Eclipse+Tomcat+DM關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，采用Java集成框架spring+springmvc+mybatis，實(shí)現(xiàn)了主要包含系統(tǒng)管理、告警管理、智能值班、資源監(jiān)視、運(yùn)行監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、故障追憶預(yù)判等功能，建設(shè)完成的電網(wǎng)調(diào)度故障追憶系統(tǒng)對(duì)提高故障定位精度和故障判別準(zhǔn)確性有著重要作用，為新型電力系統(tǒng)故障追憶和分析預(yù)判提供簡(jiǎn)潔高效的服務(wù)。