電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張亞菲

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司江津供電分公司，重慶 402260）

繼電保護(hù)故障信息采集及處理是電力企業(yè)正常運(yùn)作的關(guān)鍵，也是電網(wǎng)運(yùn)行順暢的重要條件，能極大程度提升電網(wǎng)本身服務(wù)質(zhì)量，是電力企業(yè)適應(yīng)當(dāng)前時(shí)代發(fā)展需求的重要條件。文章針對(duì)當(dāng)前繼電保護(hù)故障信息采集及處理的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查，從而全面了解繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)今后的發(fā)展方向，繼而以信息開發(fā)的觀念來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體概述

在了解MODEL VIEW CONTROLLER 之后決定繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)采用3層機(jī)構(gòu)，用戶終端（瀏覽器）、應(yīng)用服務(wù)器平臺(tái)（Java EE）、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server）。繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)開發(fā)模式有C/S 模式和B/S 模塊。

C/S 模式適合規(guī)模相對(duì)較小的系統(tǒng)，主要是由于C/S 模式局限性較大。例如，與其進(jìn)行連接的計(jì)算機(jī)數(shù)量的局限等，因此可選擇的用戶相對(duì)較少。

B/S 模式將系統(tǒng)程序置于互聯(lián)網(wǎng)，客戶機(jī)只需要與互聯(lián)網(wǎng)連接，就可以啟用應(yīng)用程序。因?yàn)锽/S 模式本身受到局限較小，而且互聯(lián)網(wǎng)更加開闊，因此，可以滿足更多用戶的基本需求。因?yàn)殡娏ζ髽I(yè)維修人員本身經(jīng)常外出，對(duì)于時(shí)間和地點(diǎn)都有相對(duì)特殊的要求，因此，繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)通常使用B/S 模式。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

由于繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)規(guī)模比較大，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，所以采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，自上而下進(jìn)行分層處理，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用統(tǒng)一建模語(yǔ)言。本研究設(shè)計(jì)繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)，主要是為了提升電力企業(yè)變電站維護(hù)工作的效率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、信息化管理，該系統(tǒng)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等載體連接到電力企業(yè)的辦公區(qū)域，最終系統(tǒng)會(huì)介入工單系統(tǒng)，從而為工單系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 系統(tǒng)管理模塊設(shè)計(jì)

（1）用戶管理。該模塊是對(duì)用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，由管理員進(jìn)行用戶的創(chuàng)建，創(chuàng)建內(nèi)容包括密碼、用戶名等，用戶在登錄系統(tǒng)之后可以對(duì)自己信息進(jìn)行修改，而刪除用戶操作只可以讓管理員來(lái)操作。用戶管理模塊如圖1所示。

圖1 用戶管理

（2）角色與權(quán)限管理。繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)中角色/權(quán)限管理內(nèi)容如圖2所示。

圖2 角色/權(quán)限管理

一個(gè)角色可以針對(duì)多個(gè)用戶來(lái)操作，因此，可以擁有很多權(quán)限。而一個(gè)權(quán)限又可以控制多個(gè)資源，完成多種操作。具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 角色/權(quán)限/用戶類

權(quán)限管理模塊主要包括角色類、用戶類、權(quán)限類、操作類、資源類。角色類包括角色名稱、編號(hào)、角色描述。用戶類包括姓名、年齡、職務(wù)等基本信息及編號(hào)。權(quán)限類包括權(quán)限名稱、編號(hào)、權(quán)限描述、可執(zhí)行操作、可訪問(wèn)資源。操作類包括操作名稱、編號(hào)、操作描述。資源類包括資源名稱、編號(hào)、資源描述。

（3）日志管理。日志管理模塊主要功能是記錄用戶使用信息、訪問(wèn)情況等。繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)將這些情況生成日志，管理員可以查看，進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，滿足監(jiān)督的效果，進(jìn)而確保繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)使用安全。由于日志本身的數(shù)量較大，這就要求管理員有足夠的耐心和細(xì)心，對(duì)日志進(jìn)行系統(tǒng)管理。具體如圖4所示。

圖4 日志管理

日志管理模塊主要由4部分組成，分別是日志歸檔、日志統(tǒng)計(jì)、日志管理和日志類。其中日志歸檔包括日志編號(hào)、日志存放的路徑、最近一次查詢時(shí)間。日志統(tǒng)計(jì)包括統(tǒng)計(jì)人員、統(tǒng)計(jì)用途、報(bào)表生成及生成路徑。日志管理包括編號(hào)、歸檔及統(tǒng)計(jì)。日志類包括日志的記錄時(shí)間和使用。

2.2 告警監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

（1）告警采集設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)上報(bào)數(shù)據(jù)需進(jìn)行挑選，將電力企業(yè)所需要的挑選出來(lái)，例如：遙信變位信息，將設(shè)備告警的信號(hào)存儲(chǔ)為一個(gè)列表，可以使用告警采集條件信息，并將所挑選得出的結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)。

告警采集過(guò)程可以分兩步完成：①告警采集線程。該過(guò)程通過(guò)子站采集告警，放入隊(duì)列之中，遵循先入先出原則。②告警存儲(chǔ)線程。將告警從隊(duì)列中拿出，對(duì)告警進(jìn)行分析，因此得到有用信息，進(jìn)而轉(zhuǎn)換告警格式，使其成數(shù)據(jù)庫(kù)兼容的Value Object 格式。由于告警本身具有一定持續(xù)性，導(dǎo)致這兩個(gè)線程一直不停，因此，需在線程中引入重連機(jī)制，若網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題，可以進(jìn)行重連操作。

告警隊(duì)列在告警采集十分重要，嚴(yán)格遵守先入先出原則，支持多線程同時(shí)操作，并且這個(gè)過(guò)程中要在一個(gè)安全的環(huán)境進(jìn)行，因此本設(shè)計(jì)采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。

JDK 5可以簡(jiǎn)化告警采集設(shè)計(jì)，利用JDK 5可以設(shè)計(jì)出效率高、安全性高的隊(duì)列。Blocking Queue 中將兩項(xiàng)重要的操作：①告警獲取過(guò)程中將那些等待操作的隊(duì)列定義為非空；②告警存儲(chǔ)過(guò)程中將等待的隊(duì)列定義為可用。完成操作之后會(huì)出現(xiàn)4種結(jié)果，即拋出異常、特殊值、阻塞、超時(shí)。Blocking Queue 的4種讀寫方式比較見表1。

表1 Blocking Queue的4種讀寫方式比較

Blocking Queue 可確保告警的先入先出原則，其對(duì)隊(duì)列的接納量要優(yōu)于數(shù)組隊(duì)列，操作過(guò)程相對(duì)安全，因此，本設(shè)計(jì)采用Blocking Queue 來(lái)完成告警采集設(shè)計(jì)，以阻塞式作為讀寫方式。當(dāng)告警隊(duì)列中缺乏需操作的數(shù)據(jù)，這時(shí)take 操作就一直阻塞，其他操作都暫停，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，立刻進(jìn)行take 操作，并分析數(shù)據(jù)。

在告警采集時(shí)，若需恢復(fù)告警，則將這個(gè)要求加入恢復(fù)告警隊(duì)列中，一旦其中有數(shù)據(jù)，則開始恢復(fù)工作，恢復(fù)告警后，會(huì)彈出一條提示信息，詢問(wèn)是否恢復(fù)，若確定恢復(fù)則點(diǎn)擊“是”，若不回復(fù)則點(diǎn)擊“否”。

（2）故障跳閘信息采集設(shè)計(jì)。繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)根據(jù)優(yōu)先性可以分為一級(jí)數(shù)據(jù)和二級(jí)數(shù)據(jù)。一級(jí)數(shù)據(jù)設(shè)置了緩沖延時(shí)處理模塊，流程是：初始化過(guò)程→總召喚→是否需要讀子站配置→是否下發(fā)命令→是否召喚二級(jí)數(shù)據(jù)→是否回答報(bào)文→總召喚時(shí)間是否到→召喚模擬量時(shí)間是否到→是否進(jìn)行對(duì)時(shí)操作。

2.3 運(yùn)維工單處理流程設(shè)計(jì)

（1）工單派發(fā)/轉(zhuǎn)派。工單派發(fā)工作是由檢修公司專門負(fù)責(zé)，其中會(huì)涉及轉(zhuǎn)派。在工單派發(fā)/轉(zhuǎn)單時(shí)，可以安排專門的人來(lái)負(fù)責(zé)或?qū)ｉT的崗位來(lái)完成這一環(huán)節(jié)的工作，以便工單有效傳遞到檢修人員手中?？紤]電力企業(yè)工作性質(zhì)和實(shí)際情況，派發(fā)工單可以使用移動(dòng)手持設(shè)備加以完成。

（2）工單回復(fù)。檢修人員處理完故障后，可以通過(guò)使用移動(dòng)手持設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)回復(fù)工單，其中應(yīng)當(dāng)將詳細(xì)寫清處理結(jié)果，例如，更換的備件等。

（3）工單結(jié)束確認(rèn)。變電站內(nèi)勤人員收到檢修人員的工單回復(fù)，對(duì)照告警消除情況來(lái)確定故障是否得到解決，若告警消除，則故障得到接觸，此次維修過(guò)程結(jié)束；若告警并未消除，需重新處理故障，直至告警得以解除。在工單回復(fù)中，應(yīng)當(dāng)包括故障類型、處理進(jìn)展、工單申請(qǐng)時(shí)間、工單處理時(shí)間等信息，信息填寫完整后點(diǎn)擊提交。

（4）故障經(jīng)驗(yàn)庫(kù)。以往變電站出現(xiàn)故障都是依靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷故障類型、故障原因、解決方案，因?yàn)楣收戏N類繁多，因此，故障處理效率也會(huì)更低。但是工單系統(tǒng)可以進(jìn)一步提升故障處理的速度，在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，可以準(zhǔn)確地找出故障原因，因此提出有用措施，維修人員可以及時(shí)操作，解決故障。

（5）工單考核。電力企業(yè)可以依照工單中的數(shù)據(jù)和考核指標(biāo)對(duì)檢修人員進(jìn)行考核評(píng)分，考核結(jié)果可以作為工單考核的重要基礎(chǔ)。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析與報(bào)表制作設(shè)計(jì)

（1）統(tǒng)計(jì)圖的設(shè)計(jì)。繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)圖由jq Plot 開源框架制作而成，jq Plot開源框架的圖標(biāo)展示功能很強(qiáng)大，不需要生成圖片，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的變化而展示出來(lái)。jq Plot 開源框架的基礎(chǔ)是jq plot.js，并由多個(gè)支持js 格式的插件，jq plot.js 只可以繪制出現(xiàn)狀圖，若要想插入柱狀圖或餅狀圖還需要引入pie Renderer.js 等文件。本設(shè)計(jì)選用jq Plot，是因?yàn)槠淇梢詧?bào)表形式多樣，還可以自己選擇日期格式，再加上jq Plot 開發(fā)較容易，可以滿足系統(tǒng)的需求。

（2）報(bào)表制作的設(shè)計(jì)。在制作報(bào)表設(shè)計(jì)中文章選擇Apache POI，其可以讀寫Microsoft Office格式文檔。POI 還可以讀寫Microsoft Excel XLS、Microsoft Excel OOXML XLSX、Microsoft Word DOC、Microsoft Power Point、Microsoft Visio 等格式的文檔。本設(shè)計(jì)中生成的Excel 是97～2003 版本，設(shè)置了Excel File和Excel Sheet，用作封裝表格和生成sheet。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為了讓繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)具備開放性能和信息共享性能，需要做好數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的工作，以此保證數(shù)據(jù)處理本身的實(shí)用性。而且集成監(jiān)測(cè)軟件有一定特殊性，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示這一功能不可或缺。因此，在該系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)形式，即靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括電力設(shè)備描述信息、變電站的描述信息等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括峭度等數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)量的偏斜度以及局部放電的時(shí)域波形數(shù)據(jù)。處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)還分為兩種方式：①臨時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)覆蓋原來(lái)的數(shù)據(jù)形成新的數(shù)據(jù)。②永久存儲(chǔ)，此種數(shù)據(jù)可作為今后分析工作的數(shù)據(jù)資料。

4 安全性設(shè)計(jì)

利用RSA 加密算法給數(shù)據(jù)庫(kù)加密，可有效提升數(shù)據(jù)的安全性，并充分利用繼電保護(hù)故障信息采集及處理的人機(jī)互動(dòng)性，可將系統(tǒng)處理時(shí)間盡量控制在2s。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了保證電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障信息采集及處理工作順利開展，文章設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)故障信息采集及處理系統(tǒng)。應(yīng)用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的告警監(jiān)控，提升了工單處理效率，也方便電力企業(yè)查閱操作記錄，并對(duì)繼電保護(hù)工作進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。該系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能，這些功能有助于運(yùn)維部全面掌握電網(wǎng)故障情況，及時(shí)處理故障，以此確保電網(wǎng)正常運(yùn)行。