基于SOASOAOA的輸變電設備狀態監測系統建設與應用

劉明軍，萬軍彪，李陽林

（江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

隨著傳感器、信息、網絡、故障診斷等技術的不斷完善和發展，輸變電設備狀態監測已逐步成為實時獲取設備狀態信息的重要手段[1]。近年來，各電網公司針對重要輸變電設備安裝了各種類型的在線監測裝置[2-3]，如主變油中溶解氣體、微水、鐵心接地電流；線路覆冰、微氣象、圖像、舞動等，取得了一些應用效果[4]。

然而，輸變電一次設備種類多，針對這些一次設備監測的傳感器類型也具有多樣性特點，導致目前安裝的監測裝置及前置子系統異構且分散，不利于輸變電設備狀態監測系統統一部署和推廣應用，因此，建設具有符合標準接口規范的統一輸變電設備狀態監測系統勢在必行。

根據國家電網公司堅強智能電網建設要求，在面向服務的體系結構[5]（SOA，Service OrientedArchitecture）框架下，開展了江西電網輸變電設備狀態監測系統建設工作，給出了系統框架和系統軟硬件平臺實現方法，規范了各類輸變電設備狀態監測裝置的數據處理、接入和控制，實現了重要輸變電設備狀態和關鍵運行環境的實時監測、預警、分析、診斷、評估和預測等功能。

圖1 輸變電設備狀態監測系統整體架構

1 系統框架

輸變電設備狀態監測系統整體架構如圖1所示。系統建設基于面向服務的體系結構（SOA），是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過服務之間定義良好的接口和契約聯系起來[5]。接口采用中立方式定義，獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言，具備跨平臺特性，易于擴展。

輸變電設備狀態監測系統的總體架構自下而上可分為三個層級：裝置層、接入層和主站層，如圖2所示。

圖2 輸變電設備狀態監測系統分層式結構

1）裝置層重點發展各類先進適用的傳感原理、傳感器技術和標準化數據生成技術。

2）接入層重點發展各種集約、高效、智能的信息匯總、信息標準化和信息安全接入技術。

3）主站層重點發展各種監測信息的存儲、加工、展現、分析、診斷和預測等數據應用技術。

系統分層體系的建立有利于推動輸變電設備狀態監測系統的持續改進和發展，使得各層技術更新的相互影響最小化。

隨著需求和技術的持續發展，在接入數據標準化的基礎上，裝置層、接入層和主站層均可以逐步開發和應用智能化技術。裝置層在單個裝置內部發展智能化技術，接入層基于局部的多裝置協同發展智能化技術，主站層則基于電網全局發展智能化技術。

圖2所示的分層系統結構中各層之間存在兩個接口級別，分別是：第1級接口I1和第2級接口I2。I1接口是監測層與接入層之間的接口，面向監測裝置，采用較為底層的接口協議實現。I2接口是接入層到主站層之間的接口，面向主站，采用具有良好擴展性的Web服務方式實現，使系統符合開放靈活的SOA設計理念。

2 系統功能

2.1 系統裝置層功能

1）數據采集。狀態監測裝置通過自動采集方式，采用專用的采集模塊采集輸變電設備本體、變電站氣象、環境信息，裝置自身的電源電壓等信息，數據采集周期的默認值（或者初始值）由監測數據的類型決定，可以通過命令報文更改此周期。

2）數據處理與判別。狀態監測裝置具備對數據進行預處理的功能，以防止數據干擾；具備對原始采集量的計算功能，得出能直觀反映采集量特性的數據。

3）數據上傳。狀態監測裝置與CMA（狀態監測代理）、CAC（狀態接入控制器）之間的應用層數據傳輸規約符合國網技術導則中規定的通信協議[6-8]。此外，監測裝置還需具備命令接收、配置更改、時鐘同步、自我診斷等功能。

2.2 系統接入層功能

1）接入監測數據。CMA、CAC能接收多個狀態監測裝置發送的數據報文，匯集監測數據并轉發主站系統。數據格式標準中各專項技術導則中的監測數據輸出接口中規定[6-8]。CMA接入的監測數據包括桿塔傾斜、導線弧垂、導線溫度、微風振動、風偏、覆冰、絕緣子污穢度、微氣象、靜態圖片等；CAC接入的監測數據包括主變油中溶解氣體、微水、鐵心接地電流、頂層油溫等。

2）接入狀態監測裝置運行狀態。CMA、CAC接收狀態監測裝置發送來的工作狀態報文，以獲取狀態監測裝置運行狀態并轉發主站系統。

3）數據格式轉換。CMA、CAC將狀態監測裝置的標識、監測數據、運行狀態轉換成符合國網技術導則的報文格式[6-8]。

4）數據存儲。CMA、CAC在遠程通道通信中斷時緩存監測數據，在遠處通信通道恢復時將緩存的歷史監測數據上送主站。上傳歷史監測數據的方式與上傳當前監測數據的方式相同。

接入層還應該具備狀態監測裝置管理、注冊監測裝置、控制狀態監測裝置、調節監測裝置等功能，實現與監測裝置的通信交互，對監測裝置進行相應的時鐘同步、心跳信息檢測等。

2.3 系統主站層功能

主站系統與生產管理系統（PMS）采取一體化設計，依托生產管理系統在國網公司總部和省公司兩級集中部署。繼承PMS輸變配一體化設計思想，主站系統中輸電和變電部分統一設計，實現輸電和變電設備狀態監測數據處理和信息展現的有機融合，提供用戶一致的系統應用體驗。

主站系統的組成包括：變電CAG（狀態接入網關機）、輸電CAG、狀態監測數據庫、數據加工、數據服務以及各種輸電和變電狀態監測應用功能。各類輸變電設備狀態監測數據在省公司和總部主站系統集中存儲，地市（包括班組）和省公司用戶均通過登錄PMS使用所需的各種狀態監測應用功能。

CAG是主站系統的集中關口，分為輸電CAG和變電CAG，主要功能包括：接收各變電站CAC和各線路CMA發送的狀態監測數據和運行工況信息并解析入庫、完成數據校驗、轉發主站系統發出的配置和控制命令以及對進出主站系統的信息進行日志紀錄。

狀態監測數據采用省級集中存儲方式，各類輸電和變電設備狀態監測數據的存儲結構一體化設計，接入數據統一存儲，物理數據庫獨立于PMS數據庫。狀態監測數據庫基于企業級關系型數據庫構建，按照分鐘級準實時數據的采集速度考慮海量存儲的要求。

數據加工模塊提供狀態監測接入數據的二次加工功能，實現匯總統計、異常信息提取、數據清理以及干擾過濾、趨勢擬合等。

3 系統實現

3.1 系統硬件實現

充分考慮系統投運后的負載程度、數據存儲量及存儲方式、系統擴容等特征，系統主要硬件設備包括：數據庫服務器集群、應用服務器集群、Web服務器、圖形服務器、視頻服務器、網絡交換機、負載均衡器、RAID磁盤陣列等。

采用數據庫集群模式，即使只有一臺數據庫服務器工作系統也能正常訪問運行，并且小型機在性能上位于大型機與普通服務器之間，具有運行速度快、造價相對較低等特點。同時，采用RAID技術的磁盤陣列可有效保證數據存儲的安全性。通過光纖交換機，可以實現應用服務器對數據庫服務器及磁盤陣列數據的快速訪問。

同樣，采用應用服務器集群模式，在只有一臺應用服務器工作時系統也能正常運行工作。同時，負載均衡器應用于應用服務器時，系統可根據用戶的訪問量，自動調整用戶訪問相應的應用服務器，達到多個應用服務器負載均衡的目的。

3.2 系統軟件實現

系統服務器采用RedHat Linux和Windows Server操作系統，數據庫采用Oracle 10g RAC。系統主站層采用Java技術實現，中間件采用WebLogic。

與生產管理系統一致，采用PI3000平臺[6]作為主站系統的統一基礎平臺，基于PI3000平臺二次開發，通過PI3000平臺實現主站系統的整體化構造、動態化模型驅動及靈活的功能擴展。系統采用面向服務的技術架構，降低系統部署、調試和維護成本，主站系統I2接口、狀態監測數據服務以及與其它系統的集成多采用Web服務的接口形式實現。

4 系統應用

2012年9月，依托國網公司統一推廣生產管理系統，完成了江西電網輸變電設備狀態監測系統建設工作。截至10月，主站系統已接入15回輸電線路共計75套線路監測裝置、14座變電站共計115套變電監測裝置。提供了各類輸變電設備狀態信息的展示、預警、和分析診斷功能。

4.1 變電監測應用

圖3為變電監測裝置可視化分布展示界面，已接入的變電設備監測類型包含變壓器油中溶解氣體、微水、鐵心接地電流、頂層油溫，斷路器SF6氣體壓力、水分、分合閘線圈電流、儲能電機工作狀態，避雷器全電流、阻性電流等。圖4顯示了澄江220 kV變電站1號主變頂層油溫監測表及油溫變化趨勢曲線，C相當前油溫為39.9℃，屬于正常狀態。同時，1號主變還安裝了油中溶解氣體和微水監測，監測數據均處于正常狀態。

圖3 變電監測裝置可視化分布展示界面

圖4 雷電定位信息查詢和動態播放界面

4.2 輸電監測應用

輸電線路可視化展示實現了基于GIS的輸電線路、監測裝置、告警信息分布展示功能。圖5顯示了輸電線路監測可視化展示及雷電定位信息查詢和動態播放界面。鼠標懸停于雷電符號動態顯示雷電發生時間、經度、緯度、電流強度和回擊次數。

圖6顯示了輸電線路組合監視功能界面，已接入的輸電線路監測類型包含覆冰、微氣象、圖像、視頻、污穢、導線舞動、導線溫度。

2012年9月初通過系統跟蹤監視，發現兩條重要500 kV輸電線路桿塔上存在鳥巢，圖7顯示了其中某一輸電線路存在鳥巢隱患圖像監視畫面。及時通知省檢修分公司對鳥巢進行清除，消除了重要線路安全隱患，系統建設初顯成效。

圖8為某500 kV輸電線路絕緣子2011年1月覆雪情況監視圖像，清晰的展示了每片絕緣子冰雪的覆蓋情況，為除雪除冰提供依據，有效減少了現場線路巡視工作量。

圖5 雷電定位信息查詢和動態播放界面

圖6 輸電監測信息組合監視功能界面

圖7 某500 kV輸電線路桿塔上存在鳥巢隱患

圖8 某500 kV輸電線路絕緣子覆雪圖像

5 結束語

在面向服務的體系結構框架下，完成了江西電網輸變電設備狀態監測系統建設，給出了系統框架和系統軟硬件平臺實現方法，規范了各類輸變電設備狀態監測裝置的數據處理、接入和控制，實現了重要輸變電設備狀態和關鍵運行環境的實時監測、預警、分析、診斷、評估和預測等功能。目前系統已上線運行，成功預警兩條重要線路鳥巢隱患，系統建設初顯成效。下一步將深化系統高級應用功能研究，充分利用該平臺提升電網智能化水平。

[1]孫才新.輸變電設備狀態在線監測與診斷技術現狀和前景[J].中國電力，2005，38（2）：1-7.

[2]劉黎，何文林，劉巖，等.輸變電設備狀態在線監測與故障診斷系統分析軟件設計[J].計算機系統應用，2011，20（8）：27-32.

[3]王永強，律方成，李和明.總線式絕緣在線監測系統的同步采樣控制[J].高電壓技術，2005，31（6）：22-26.

[4]陳卓，劉念，薄麗雅.電力設備狀態監測與故障診斷[J].高電壓技術，2005，31(4)：46-50.

[5]國家電網公司輸變電設備狀態監測系統標準化設計方案[R]，2011.

[6]Q／GDW 561-2010，輸變電設備狀態監測系統技術導則[S].

[7]Q／GDW 242-2010輸電線路狀態監測裝置通用技術規范[S].

[8]Q／GDW 535-2010變電設備在線監測裝置通用技術規范[S].