電力數據集約化狀態預警與診斷主站平臺設計

張 煒，鄧雨榮，吳秋莉，陶松梅

(廣西電網公司電力科學研究院，南寧市530023)

0 引 言

輸變電設備狀態監測與診斷技術是防止電網事故第1 道防御系統中的關鍵技術之一［1］，也是智能電網實施的關鍵環節。目前，急需建設面向廣域設備分布的標準化、統一化的狀態預警與故障診斷系統，來滿足未來智能電網對全景狀態信息監測與共享的要求，為全面推廣省網級變電設備精益化管理，提高設備運行的安全性、穩定性提供綜合管理平臺。

現有的輸變電設備狀態在線監測與診斷技術的研究主要傾向于以單臺設備為目標，狀態監測種類及目標多，導致省網級狀態預警與診斷平臺信息分散、管理復雜［2-4］。同時隨著系統及高級應用功能的不斷增加或升級，更加凸現整合后平臺的異構性問題。具體表現如下:(1)通信網絡異構，采用多種不同的通信網絡技術構建不同的網絡傳輸平臺;(2)高級應用功能異構，第三方開發的應用程序的數據標準不一致;(3)數據格式異構，各子系統的多信息源數據以各種不兼容格式存儲。由于異構問題無法滿足對省網級全景狀態信息監測與共享要求，難以對設備運行狀況進行統籌分析和決策，因此，必須建立可靠、統一，能夠實現信息的縱向貫通與橫向共享，以及支持智能電網狀態評估、故障診斷等類型應用的狀態監測集成平臺。

本文基于Java2 平臺(Java 2 platform enterprise edition，J2EE)框架實現分層模型，并通過數據模型基于公共信息模型(common information model，CIM)及面向服務架構(service-oriented architecture，SOA)解決平臺異構問題，建立可靠、統一，能夠實現信息的縱向貫通與橫向共享平臺，實現對變電主設備多維度的狀態預警與集約化的分析診斷。

1 建設目標

根據生產業務需要及狀態監測發展趨勢，省網級狀態預警與診斷平臺需對所轄區域的變電主設備運行狀態進行集中監測，實現電網重要變電設備的安全預警、故障診斷，為變電運行管理提供決策信息支持。

平臺面向各類變電設備，集合多種預警技術和數據類型，構建覆蓋全網的多維度實時狀態預警體系;并歸集在線監測、生產管理信息等系統的數據，實現變電設備集約化診斷分析。同時，各級用戶通過WEB 方式，對其運維區域內的變電設備狀態進行監測，及時掌握變電設備的運行工況，實現變電設備狀態預警與診斷，提高運行維護水平。

2 系統架構設計

2.1 設計原則

狀態預警與診斷平臺圍繞面向省網設備歸集狀態數據，并實現狀態預警、分析診斷等高級應用功能設計開發。

2.2 總體架構

J2EE 平臺是在組件技術、分布式計算技術上發展而來的，提供分布式企業應用的最佳架構體系［5-6］。本文基于J2EE 平臺設計省網級狀態預警與診斷主站平臺，并按照“緊耦合系統一體化，松耦合系統集成化”的理念定義平臺的各類組件、服務架構及技術層次，來解決平臺后期使用中信息兼容，數據交互等異構性問題。

平臺在SOA 架構上引入平臺與應用分離的概念，其數據模型基于CIM 信息模型建立，高級應用基于組件建立。并采用可擴展標志語言(extensible markup language，XML)、資 源 描 述 框 架(resource description framework，RDF)與Web Service 技術搭建基礎數據服務平臺，來支持多應用的“即插即用”和新功能的“二次開發”。

在平臺J2EE 分層結構中的數據持久層和Web應用層之間增加業務邏輯服務(Service)層，以最大限度減少層間耦合度，在Web 層使用符合模型視圖控制器(model view controller，MVC)思想的Spring 開源框架，構建瀏覽器/服務器(B/S)的應用體系。

2.3 應用功能

平臺各應用程序按功能劃分為不同組件，由各種組件構成的J2EE 功能應用模塊可分布在不同的硬件平臺上，而應用程序組件的分布依賴于它所隸屬的組件層。平臺功能應用模塊的設計與開發將分為基礎應用和高級應用二大部分，具體見圖1。其中，系統的基礎應用包含:各專業系統數據抽取、各實時監測系統的通信規約、系統可靠性監測等;高級應用包含:監測預警、分析診斷、狀態評價、風險評估、動態增容、檢修策略、知識庫等模塊。

圖1 平臺分層結構圖Fig.1 Hierarchical structure of platform

2.4 數據歸集

為適應面向全網狀態預警的需要，通過前置系統規約轉換軟件集中接入早期狀態監測系統的狀態信息，實現對原有系統監測數據的包容;對新建且支持IEC 61850 規約的在線監測系統，站端狀態信息直接遠傳至平臺服務器。

同時，為實現多維度預警與集約化診斷，平臺歸集生產管理信息(生產MIS)、技術監督、輔助決策、調度SCADA 等系統數據。

3 系統集成和接口

由于電網運行實時信息開始走向標準化、信息化、數字化［7-9］，平臺應用程序接口，橫向與支持數據采集與監控系統、地理信息系統等的應用程序接口標準IEC 61968 接軌，縱向與支持變電站的應用程序接口標準IEC 61850 互補接軌，實現數據歸集。

3.1 系統集成架構

系統集成架構關鍵在于平臺與其他系統的數據交互滿足以下要求:(1)信息交互基于SOA 架構實現相關模型、圖形和數據的發布與訂閱，并完成與其他系統之間的信息交換和服務共享;(2)信息交互遵循拓撲模型和數據的來源及維護唯一性、設備編碼統一性、描述一致性的原則;(3)在滿足電力二次系統安全防護規定的前提下，信息交互總線具有通過正/反向物理隔離裝置跨越生產控制大區和管理信息大區的能力;(4)具備IEC61850 的MMS 通訊能力。系統間數據交互如圖2 所示。

圖2 系統間數據交互接口框圖Fig.2 Data exchange interfaces between systems

3.2 主設備數據中心接口

省網級狀態預警平臺建設中往往存在數據通信異構問題，難以共享設備狀態數據和有效發揮平臺集約化診斷分析的作用。因此，平臺通過建立主設備數據中心(數據庫)轉換組件，實現編碼映射以及模型轉換，并通過事件機制或定時機制，對保存在主設備數據中心的數據進行同步及共享。具體數據類型包括:離線試驗數據、SCADA 調度數據、生產MIS 系統數據、狀態評價及風險評估輔助決策系統數據、技術監督系統數據。通信接口如圖3 所示。

圖3 平臺與數據中心通信接口示意圖Fig.3 Communication interface between data center and platform

3.3 在線監測系統接口

在線監測數據為平臺基礎數據的重要組成部分，可實現平臺多維度實時預警。其系統服務調用遵循“在線監測數據傳輸規約”、“在線監測圖譜數據格式規范”。主要數據包括監測裝置、監測類型及監測數據、告警事件消息及統計類數據。所檢測數據舉例說明見表1、2。

表1 變壓器監測接入信息Table 1 Transformer monitoring information

3.4 高級應用服務接口

平臺支撐軟件以SOA 服務的方式，按照CIM/CIS 信息規范為其他高級應用軟件提供標準、統一、規范的各類數據交互服務接口。該方式便于平臺高級應用功能模塊的擴展，靈活適應第三方開發高級應用的異構網絡。高級應用服務接口如圖4 所示。

表2 斷路器監測接入信息Table 2 Breaker monitoring information

圖4 高級應用服務接口Fig.4 Advanced application services interface

3.5 數據錄入接口

需手工錄入的基礎數據包括結構化和非結構化的數據，由相應人機界面完成。

對結構化數據，根據數據本身的特性，制定數據解析規則或通過正則表達式對數據進行解析;并在校驗后通過設備編碼進行關聯。其校驗方式、設備編碼關聯包括自動和手動2 種方式。

對非結構化數據，根據不同數據格式，如:文本、圖片、視頻等，通過人工匹配的方式與設備建立關聯并集成到設備數據模型中，其關聯關系將作為結構化數據進行保存。

3.6 編碼體系

編碼原則兼顧唯一性、適應性、擴展性、易用性。編碼方法與生產MIS 一致，包括設備臺帳參數編碼、設備狀態量編碼、設備狀態量值編碼。

在此原則上構建包含數據接入層、模型驅動層、編碼層的自適應統一編碼體系;同時基于CIM 模型并根據設備層次關系及應用需求，將編碼對象分為枚舉型、層次關系型、拓撲關系型［10］。編碼體系可用于構建編碼庫、建設系統模型，并實現規則定義、編碼校驗、模型升級等具體功能。

完整的編碼模型規避實際應用中的數據格式異構，適應于狀態預警長期發展的趨勢，且便于平臺在后期使用中與其他業務系統的銜接、移植和維護。

4 數據交互模型

為了實現平臺組件化和開放化，在狀態預警與診斷平臺設計開發時采用CIM 信息模型。平臺包含相對獨立的高級應用模塊，各功能模塊的實現難度較大，且功能模塊所需要的電網參數、拓撲關系、實時參量等離散數據需要平臺開發專用的接口;同時，不同的功能模塊之間往往也需要數據交互，二次開發及維護難度增加。因此在開發過程中提供基于CIM 標準的支撐平臺，方便各應用模塊實現“即插即用”式的組件化功能，以解決數據分散及平臺異構問題。

4.1 統一數據模型(CIM)

目前，由于CIM 可將應用軟件的數據標準化，故已作為一種電力系統基本的實踐公共信息模型［11-12］。平臺遵循IEC61970 CIM 標準，針對變電設備狀態預警與診斷的需求對CIM 進行擴展，建立了包括設備基礎數據、在線監測數據、試驗數據、缺陷數據以及設備狀態數據等來自多個不同系統的狀態監測統一模型。同時，平臺提供CIM 導入/導出工具，完成與外部系統的CIM XML/RDF 文件的數據交互。

狀態監測統一數據模型融合了IEC61968/61970標準CIM 模型的不同部分以及IEC61850 模型中的相關部分，為系統中不同應用以及其他系統的應用提供了設備綜合數據視圖，如圖5 所示。

4.2 系統圖元交互

由于可縮放矢量圖形(scalable vector graphics，SVG)是基于XML 文件格式的，具有跨平臺應用的適應性和擴展性，已成為電力系統主流的圖形標準［13-14］。SVG 文件較GIF、JPEG 格式文件小，運用于平臺WEB 和客戶機本地解釋后，既充分利用了電網各級用戶工作站的資源，又減輕了服務器端的負擔，可以解決在對省網級廣域分布的變電設備進行數據展示、交互和監測時的網絡瓶頸問題。同時，由于SVG 是解釋性語言，所以平臺以圖形元素為中心數據交換形式，還具有以下優勢:(1)將可視化和數據存儲解耦;(2)更易支持每個領域對象的多個表示，圖形對象“自然”集合到圖中;(3)更易支持圖中的背景數。

圖5 設備綜合數據視圖Fig.5 Equipment’s integrated data view

4.3 簡單對象訪問協議

平臺采用的CIM 數據模型通過CIM XML/RDF來描述，并通過簡單對象訪問協議(simple object access protocol，SOAP)使用HTTP 傳送XML。XML是一個開放、健全、有語義的訊息機制，而HTTP 是一個廣泛又能避免許多關于防火墻問題的協議。因此，基于SOAP 協議的CIM 模型有利于克服業務系統間的信息壁壘，實現業務系統的并行開發及數據交互，并有助于用戶通過WEB 方式使用平臺。

4.4 基于CIM 模型的數據庫

現階段行業內數據庫主要為基于關系數據庫模型，該類型數據具有開放性好、功能完備的特點，利于系統開發及穩定運行。同時，利用關系數據庫存儲CIM 數據，建立CIM 面向對象模型與關系數據庫的映射，可兼顧數據移植性和一致性。基于以上2 點原因，平臺采用典型的關系數據庫模型存儲CIM 數據。

5 結 論

(1)平臺投運以來總體運行穩定，電網各級用戶反饋信息表明，平臺的信息集成提高了信息的利用率，且分析結果準確，應用功能符合實際需要。

(2)該平臺在J2EE 平臺框架上建立分層架構，并基于CIM 模型實現數據交互，解決平臺異構及數據縱向貫通與橫向共享的問題，使之具備多維度分析與集約化診斷功能。

［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］周建國，李紅雷，趙文彬．基于數字化平臺的輸變電設備在線分析和狀態維修技術［J］． 中國電力，2009，37(7):1075-1079．

［3］鄧雨榮，張煒，呂澤承． 面向廣域分布的在線監測數據通信技術［J］．電力信息化，2013，11(4):17-21．

［4］王峰，閻春雨，畢建剛，等． 變電設備狀態監測系統的設計方案［J］．電力建設，2011，32(11):31-35．

［5］陳奇志，王序，林建泉，等． 基于J2EE 平臺的SCADA 系統實現［J］．電力系統及其自動化學報，2007，19(6):103-108．

［6］袁仲雄，李維萍．基于J2EE 電力市場輔助決策系統的設計［J］．華東電力，2008，36(4):24-36．

［7］畢睿華，楊志超，王玉忠． 基于多智能體SOA 模型的電力系統信息集成的應用研究［J］． 電力系統保護與控制，2010，38(7):63-68．

［8］徐兵元．基于SOA 的電網企業信息集成平臺的研究和實踐［J］．電力信息化，2008，6(1):70-75．

［9］常康，薛峰，楊衛東．中國智能電網基本特征及其技術進展評述［J］． 電力系統自動化，2009，33(17):10-15．

［10］陳濟，郭創新，劉波，等．基于公共信息模型的自適應統一編碼體系設計［J］．電網技術，2010，34(2):52-56．

［11］章堅民，樓堅．基于CIM/ SVG 和面向對象的配電單線圖自動生成［J］． 電力系統自動化，2008，32(22):61-65．

［12］羅杰，程宏波，陳赤培．基于CIM 模型的電力企業應用集成系統的研究與設計［J］． 電力系統保護與控制，2008，36(13):74-77．

［13］章堅民，徐愛春，李海翔． 基于SVG/XML/CIM 的變電站自動化工程配置系統［J］． 電力系統自動化，2004，28(14):53-56．

［14］錢峰，唐國慶，顧全． 基于CIM 標準和SVG 的分散式圖模合并［J］．電力系統自動化，2007，31(5):84-89．