一種變電主輔設(shè)備巡視計算的實現(xiàn)方法

王位杰 李應(yīng)棋 紀 陵 檀庭方

一種變電主輔設(shè)備巡視計算的實現(xiàn)方法

王位杰 李應(yīng)棋 紀 陵 檀庭方

（南京國電南自軟件工程有限公司，南京 211100）

針對變電主輔設(shè)備多維度狀態(tài)巡視計算復(fù)雜的問題，從設(shè)備本體、設(shè)備類型、電網(wǎng)隸屬、區(qū)域、時間及計算類型等多個維度綜合考慮，構(gòu)建變電主輔設(shè)備多維度計算模型。面對工程應(yīng)用的多樣性，設(shè)計一種基于插件的通用計算框架，通過動態(tài)擴展及加載機制滿足工程增量計算及升級部署需求；對進程容錯機制進行改進，構(gòu)建插件的并行分布機制，實現(xiàn)業(yè)務(wù)插件的負載均衡和靈活部署；最后基于語義發(fā)布訂閱機制，可滿足應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互需求。實際工程應(yīng)用表明，本文所提方法可滿足工程中設(shè)備計算的大部分需求，可有效提高檢修人員的設(shè)備運行巡視效率。

主輔設(shè)備；多維度；插件；動態(tài)擴展；并行分布

0 引言

隨著變電站數(shù)量增加，對大量變電設(shè)備運行和精益精準管理的要求越來越高。若運維檢修工作中出現(xiàn)漏檢或錯檢，會增加電網(wǎng)運行潛在風險，因此需要提高對變電主輔設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視能力和專業(yè)巡視水平[1-4]。當前，變電主輔設(shè)備運行監(jiān)視手段主要有光字牌監(jiān)視及光字牌匯總計算，其中光字牌匯總計算包括責任區(qū)、變電站、間隔、間隔內(nèi)四個層次光字牌級別及按告警等級對設(shè)備進行告警提示[5]，已經(jīng)無法滿足主輔設(shè)備全面運行巡視需要。運行人員通過報表可定制化實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的統(tǒng)計分析，但通常是從歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲取，且報表的計算能力有限[6]，無法滿足運檢人員對設(shè)備進行實時巡檢和綜合分析的需求。變電主輔設(shè)備的數(shù)據(jù)上送到變電主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)已具備實際可操作性，但若不對數(shù)據(jù)進行加工處理，則設(shè)備的狀態(tài)感知能力仍然無法提高。根據(jù)電力公司對變電設(shè)備精益管理的要求，運行檢修人員需要從變電運行、設(shè)備運行、輔控系統(tǒng)、小室、屏柜等多維度巡視設(shè)備的運行狀態(tài)，因此需要一種主輔設(shè)備多維度狀態(tài)巡視計算 方法。

本文結(jié)合主輔設(shè)備多維度狀態(tài)運行巡視場景，構(gòu)建變電主輔設(shè)備狀態(tài)通用計算模型，并設(shè)計一種基于插件機制的通用算法管理容器，通過動態(tài)擴展和加載機制滿足工程對狀態(tài)計算多樣性和增量計算的需求；通過設(shè)備狀態(tài)計算的并行分布機制，實現(xiàn)計算的負載均衡和靈活部署；最后采用消息總線的發(fā)布訂閱方式實現(xiàn)與人機交互界面的數(shù)據(jù)交互，從而滿足工程應(yīng)用需求。

1 設(shè)備多維度計算模型

1.1 變電主輔設(shè)備模型

運行人員對變電主輔設(shè)備的全面監(jiān)控及巡視涉及一次設(shè)備、二次設(shè)備和輔控設(shè)備，系統(tǒng)建模兼容考慮IEC 61970模型和DL/T 860模型[7]，同時增加了輔助設(shè)備模型。變電站主輔設(shè)備模型如圖1所示。

圖1 變電主輔設(shè)備模型

變電站一次設(shè)備主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、母線、站用變（接地變）、高抗、電容器、中性點設(shè)備。在線監(jiān)測的主要對象包括變壓器、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）和斷路器、容性設(shè)備、避雷器等。

二次設(shè)備主要包括保護裝置、測控裝置、合并單元、智能終端、安穩(wěn)控制裝置、監(jiān)控主機、綜合應(yīng)用主機、網(wǎng)關(guān)機、故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)交換機、站用交直流設(shè)備、時鐘同步裝置等[8]。

輔控設(shè)備劃分為多個子系統(tǒng)，其中安全防衛(wèi)監(jiān)視設(shè)備包括電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒、門禁、智能鎖控通信控制器、電子鑰匙等；動環(huán)系統(tǒng)監(jiān)視的主要對象包括室內(nèi)外溫濕度傳感器、水浸、風機、空調(diào)、除濕機、排水泵、開關(guān)室SF6傳感器、照明控制器等；火災(zāi)消防監(jiān)視主要對象包括火災(zāi)報警控制器、固定式滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、消防給水消火栓系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)、防煙排煙系統(tǒng)、供暖通風和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、防火門及卷簾系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)、消防電源、消防信息傳輸控制單元、主變固定滅火系統(tǒng)等。

變電站典型區(qū)域劃分通常以相對獨立的物理區(qū)域分布原則進行[9]，典型區(qū)域劃分示意圖如圖2所示。圖2中，四周圍墻劃分為五個區(qū)域，其中有大門的圍墻按大門左右側(cè)圍墻劃分為2個區(qū)域。一次設(shè)備室外場區(qū)按電壓等級和設(shè)備類型可分為變壓器室外場區(qū)、500kV室外場區(qū)、220kV室外場區(qū)或110kV室外場區(qū)。室內(nèi)一次開關(guān)設(shè)備、二次設(shè)備、站用設(shè)備、主控設(shè)備、通信設(shè)備、蓄電池等應(yīng)按室內(nèi)相對獨立的物理區(qū)域分為500kV保護小室、220kV保護小室、35kV高壓小室、站用電配電房、生產(chǎn)綜合樓或主控室等。

圖2 變電站典型區(qū)域劃分示意圖

1.2 變電主輔設(shè)備多維度巡視分析

檢修人員可通過責任區(qū)總光字牌、變電站總光字牌、電壓等級、間隔總光字牌、間隔內(nèi)光字牌等層次級別監(jiān)視一次設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，仍需要實時掌握變電主輔設(shè)備的全面運行信息，包括單設(shè)備狀態(tài)及同類型設(shè)備狀態(tài)、間隔狀態(tài)、各區(qū)域?qū)哟蝺?nèi)的設(shè)備狀態(tài)，以及從時間維度上查看相同歷史運行環(huán)境下的設(shè)備狀態(tài)，此外，還包括從上述多個維度對設(shè)備狀態(tài)進行統(tǒng)計分析。設(shè)備狀態(tài)計算包括單設(shè)備、間隔、電壓等級、變電站、責任區(qū)、設(shè)備區(qū)域及同類等多個維度，設(shè)備狀態(tài)包括設(shè)備運行、異常、故障、檢修等；間隔狀態(tài)計算包括設(shè)備的運行、檢修等，主要用于五防操作；區(qū)域主要包括開關(guān)場、主控樓、小室、屏柜及設(shè)備內(nèi)部機構(gòu)等。設(shè)備統(tǒng)計是基于上述設(shè)備狀態(tài)從電網(wǎng)隸屬關(guān)系、區(qū)域、設(shè)備類型、時間等多個維度進行統(tǒng)計；時間維度計算主要包括同類型同一運行條件下設(shè)備特征的統(tǒng)計分析和同一時間維度同一類型設(shè)備的運行特征分析，計算的觸發(fā)方式包括周期計算和變化計算。

1.3 變電主輔設(shè)備巡視計算模型

基于上述特征，共抽取指定設(shè)備5個維度的巡視信息，包括設(shè)備、電網(wǎng)隸屬、區(qū)域、時間、計算值。

1）設(shè)備維度：涉及單個設(shè)備、設(shè)備類型。

2）電網(wǎng)隸屬：即設(shè)備傳統(tǒng)意義上的維度，責任區(qū)、變電站、電壓等級、間隔。

3）設(shè)備區(qū)域：圍墻、室外專區(qū)、生產(chǎn)綜合樓、保護小室、屏柜等。

4）設(shè)備時間維度：主要是指計算值的取值時間點，包括同一時間斷面、觸發(fā)計算、周期計算等。

5）計算值：總光字牌、設(shè)備狀態(tài)、間隔狀態(tài)、設(shè)備統(tǒng)計等。

對上述5個維度作降維歸納，設(shè)備計算降維處理模型如圖3所示，降為設(shè)備計算處理三元組（計算設(shè)備、計算范圍、計算值）模型，其中計算范圍包括電網(wǎng)隸屬、設(shè)備區(qū)域、設(shè)備時間等維度，進而形成如圖4所示的變電設(shè)備計算通用模型框架?；谶@一多維度模型，每個狀態(tài)計算需求可統(tǒng)一描述為設(shè)備在指定計算范圍（指定隸屬區(qū)域、指定區(qū)域、指定時間范圍）的計算值。

圖3 設(shè)備計算降維處理模型

2 可動態(tài)擴展和動態(tài)加載計算實現(xiàn)

2.1 巡視計算業(yè)務(wù)的動態(tài)擴展實現(xiàn)方法

工程應(yīng)用中，系統(tǒng)升級工作比較復(fù)雜，并且在運行階段不可避免地會增加新功能，新功能不能影響既有功能的運行，因此在設(shè)計實現(xiàn)方式時應(yīng)盡量考慮業(yè)務(wù)單一職責和獨立性?；凇案邇?nèi)聚、低耦合”原則，為所有業(yè)務(wù)計算提供統(tǒng)一的插件接口[10]，各個業(yè)務(wù)插件繼承接口實現(xiàn)各自的業(yè)務(wù)邏輯，形成相對獨立的業(yè)務(wù)算法庫，通過插件集成管理容器（后文簡稱插件容器）[11-12]管理所有的業(yè)務(wù)插件，將每個業(yè)務(wù)的顆粒度降到具體的單個業(yè)務(wù)算法庫實現(xiàn)。

圖4 變電設(shè)備計算通用模型框架

在代碼實現(xiàn)層面，每個插件分別開辟自己的線程資源，避免與主進程及其他插件搶占系統(tǒng)資源，實現(xiàn)資源的相對獨立。

基于這種插件容器機制，分別將間隔狀態(tài)計算、設(shè)備統(tǒng)計、設(shè)備光字牌計算等封裝成業(yè)務(wù)插件算法庫，通過插件動態(tài)加載，可完成新業(yè)務(wù)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)的靈活解耦和動態(tài)部署，同時也可應(yīng)用于其他業(yè)務(wù)計算需求。

2.2 業(yè)務(wù)插件的動態(tài)加載實現(xiàn)方法

為實現(xiàn)業(yè)務(wù)插件的動態(tài)加載，建立業(yè)務(wù)插件的動態(tài)加載模型，屬性包括默認加載機器節(jié)點、允許加載的機器節(jié)點、每個機器節(jié)點的優(yōu)先級等。

業(yè)務(wù)插件的動態(tài)加載主要有兩個方面：第一，插件的動態(tài)加載，即插件容器可實時加載插件庫，插件容器實時監(jiān)視加載模型的變化，實時動態(tài)加載或更新業(yè)務(wù)插件[13]；第二，考慮并行分布計算，每個機器節(jié)點上的插件容器啟動時加載所有插件，但實際運行時默認只運行本機允許業(yè)務(wù)插件，其他插件溫備運行[14]，當主機器節(jié)點上的插件異常退出時，可實時切換業(yè)務(wù)插件到其他次優(yōu)先級機器節(jié)點?；跇I(yè)務(wù)插件的動態(tài)擴展及加載機制如圖5所示。

3 并行分布計算及實現(xiàn)

3.1 并行分布節(jié)點遷移實現(xiàn)

變電主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由多臺服務(wù)器和工作站組成，系統(tǒng)主要通過進程容錯機制提高系統(tǒng)可靠性。同一進程在不同節(jié)點上的容錯切換示意圖如圖6所示，即在多個機器節(jié)點上同時部署同一個進程，但同一時刻只有一個節(jié)點上的處于主運行，當此機器節(jié)點上的進程異常時，通過容錯機制將其他節(jié)點上的備運行進程升級為主運行。這種方式對單機的硬件配置要求較高，當單進程占用較大計算資源（包括CPU和內(nèi)存）而超過單個節(jié)點上限時，會遇到瓶頸。

圖5 基于業(yè)務(wù)插件的動態(tài)擴展及加載機制

圖6 同一進程在不同節(jié)點上的容錯切換示意圖

為此考慮整體計算資源的負載均衡，按照上文提到的加載模型，業(yè)務(wù)插件在不同節(jié)點上的切換示意圖如圖7所示，每個節(jié)點上插件容器分別獨立運行，只允許插件在優(yōu)先級最高的節(jié)點上運行[15-16]。在插件容器內(nèi)部維護每個業(yè)務(wù)插件的容錯及機器節(jié)點遷移，各個機器節(jié)點上的業(yè)務(wù)插件通過插件容器維持心跳狀態(tài)，包括主動通知和主動探測兩種方法。插件容器監(jiān)視業(yè)務(wù)插件的狀態(tài)，當出現(xiàn)業(yè)務(wù)插件資源占用高、程序升級等異常時，按優(yōu)先級通知其他機器節(jié)點。主動探測，每個機器節(jié)點上的插件容器主動從網(wǎng)絡(luò)獲取其他節(jié)點的業(yè)務(wù)插件狀態(tài)。若某個機器節(jié)點上的業(yè)務(wù)插件獲取到其他業(yè)務(wù)插件的狀態(tài)異常，則根據(jù)自己節(jié)點的優(yōu)先級，將自己節(jié)點上的業(yè)務(wù)插件升級到運行態(tài)；當發(fā)現(xiàn)有比自己更高優(yōu)先級的節(jié)點上的業(yè)務(wù)插件正常時，經(jīng)協(xié)商后主動退出。

圖7 業(yè)務(wù)插件在不同節(jié)點上的切換示意圖

3.2 基于語義發(fā)布訂閱的數(shù)據(jù)交互

基于業(yè)務(wù)分離原則，設(shè)備狀態(tài)插件容器與應(yīng)用進程分離，通過語義標簽為每個計算數(shù)據(jù)提供語義發(fā)布服務(wù)能力，基于消息總線的發(fā)布訂閱機制[17-18]，插件容器代理業(yè)務(wù)插件的數(shù)據(jù)發(fā)布，應(yīng)用進程根據(jù)語義按需獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)計算結(jié)果數(shù)據(jù)的最大程度共享?；谡Z義的數(shù)據(jù)發(fā)布代理示意圖如 圖8所示。

圖8 基于語義的數(shù)據(jù)發(fā)布代理示意圖

4 工程應(yīng)用

變電主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在工程應(yīng)用中按安全分區(qū)在安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)、安全Ⅳ區(qū)等分別部署。安全Ⅰ區(qū)主要負責主設(shè)備監(jiān)視運行控制功能，安全Ⅱ區(qū)主要是二次設(shè)備、輔控設(shè)備監(jiān)視運行控制，安全Ⅳ區(qū)主要是監(jiān)控業(yè)務(wù)管理等；主輔監(jiān)視人機操作工作站部署在Ⅰ區(qū)，監(jiān)控業(yè)務(wù)管理人機界面工作站部署在Ⅳ區(qū)。以下面幾個巡視計算需求為例，主輔設(shè)備巡視需要在安全Ⅰ區(qū)實現(xiàn)主設(shè)備光字牌計算、主設(shè)備狀態(tài)計算及統(tǒng)計，在安全Ⅱ區(qū)實現(xiàn)二次設(shè)備及輔控設(shè)備狀態(tài)計算及統(tǒng)計，在安全Ⅲ區(qū)實現(xiàn)在線實時畫面的自動巡視。按照本文實現(xiàn)方法，在不同安全分區(qū)分別加載不同的算法庫，如在Ⅰ區(qū)應(yīng)用服務(wù)器或其他專用計算節(jié)點加載一次設(shè)備計算庫和Ⅰ區(qū)光字匯總計算庫；在Ⅱ區(qū)應(yīng)用服務(wù)器節(jié)點或其他專用機器節(jié)點加載二次及輔控設(shè)備狀態(tài)計算及統(tǒng)計庫、Ⅱ區(qū)輔控信息光字匯總庫；在線實時畫面自動巡視計算庫部署在Ⅳ區(qū)應(yīng)用服務(wù)器上。通過上述方法，減少了對單節(jié)點計算資源的限制和單節(jié)點依賴，節(jié)約了系統(tǒng)資源。結(jié)合圖6和圖7可知，對單節(jié)點服務(wù)器CPU和內(nèi)存配置要求可降低50%。在工作站上的應(yīng)用進程通過語義標簽訂閱計算類型，從不同維度向工程人員提供設(shè)備狀態(tài)計算及統(tǒng)計數(shù)據(jù) 結(jié)果。

5 結(jié)論

本文針對變電主輔設(shè)備全面多維度的運維巡視需求，設(shè)計了一種通用的設(shè)備計算模型，此模型可滿足工程中不同的設(shè)備巡視計算要求。根據(jù)實際工程和系統(tǒng)運行特點，設(shè)計了一種基于插件機制的可動態(tài)擴展及加載的業(yè)務(wù)計算實現(xiàn)方式，并考慮整體系統(tǒng)的負載均衡，業(yè)務(wù)插件可靈活部署到不同的機器節(jié)點，達到了為人機交互應(yīng)用進程提供多維度設(shè)備運行狀態(tài)的預(yù)期效果。本文中的插件容器機制也可對其他類型的計算或處理進行動態(tài)擴充，后續(xù)需加強插件容器的管理和優(yōu)化提升，避免因單個插件異常退出導(dǎo)致整個進程退出的情況出現(xiàn)。

目前，本文方法主要是在變電主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的設(shè)備狀態(tài)計算及Ⅳ區(qū)的畫面信號巡視，隨著數(shù)字化新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，后續(xù)可結(jié)合Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)同步及數(shù)據(jù)發(fā)布進行功能完善，并及時推送到手機APP，為新型電力監(jiān)控系統(tǒng)和變電站數(shù)字化智能化技術(shù)升級提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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An implementation method of patrol calculation for the substation main and auxiliary equipment

WANG Weijie LI Yingqi JI Ling TAN Tingfang

(Nanjing SAC Software Engineering Co., Ltd, Nanjing 211100)

Aiming at the complex problem of multi-dimensional state calculation of substation main and auxiliary equipment, a multi-dimensional calculation model is constructed based on the comprehensⅣe consideration of multiple dimensions such as equipment body, equipment type, power grid membership, region, time and calculation type. Facing the dⅣersity of engineering applications, a general equipment status calculation framework based on plug-in is designed to meet the needs of engineering incremental calculation and upgrade deployment through dynamic expansion and loading mechanism. The process fault-tolerant mechanism is further improved, and the parallel distribution mechanism is adopted to realize the load balancing and flexible deployment of business plug-ins. Finally, based on the semantic publish and subscribe mechanism, it can meet the data interaction requirements of various applications. The actual engineering application shows that it can meet most of the requirements of equipment computing in the project and effectⅣely improve the equipment operation monitoring efficiency of maintenance personnel.

main and auxiliary equipment; multi-dimension; plug-in; dynamic expansion; parallel distribution

2023-09-19

2023-11-25

王位杰（1984—），男，河南太康人，碩士，主要從事變電集中監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)工作。