智能電網調度控制系統變電站集中監控功能的幾項實用化改進

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(1.國網四川省電力公司, 四川 成都 610041；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 國網成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

變電站集中監控業務是電網公司實現集約化運行的重要方面，既是管理方面的重要變革，同時也對調控系統支撐能力提出了新的更高要求[1-2]。部署于調控中心的自動化系統傳統上主要面向調度員服務，在保證數據及時、準確的基礎上主要提供輔助調度員進行保障電網安全穩定和經濟運行的各類分析、控制和輔助決策等功能。隨著變電站無人值班改造，在實施變電站集中監控業務后，調控中心的監控員承擔著設備監視和操作、故障判斷、分析總結等多種類型的運行和管理任務，監控員面臨著不同于調度員的壓力：在電網正常工況下要確保信號巡檢完全覆蓋；在電網事故情況下要處理大量突發信號并準確分辨信號產生原因。在典型的省級和大型地區級調控中心，監控員監視的信號點數在十萬以上乃至百萬級的規模，監控員需要關注每一個信號的動作、復歸、異常等各類狀態并據此對變電站的運行情況作出判斷。如果由于缺少對這些信號進行有效分析的自動化輔助手段，將會制約集中監控業務的范圍，同時也會給電網的安全運行帶來隱患。

國家電網公司近年來在推進變電站集中監控業務方面取得了顯著的成效，在相應的技術支持系統方面也提出了明確的規范[3-4],智能電網調度控制系統的相關綜合智能告警和變電站集中監控功能也發揮了重大作用[5-7]。但隨著監控業務的快速發展，智能電網調度控制系統的功能在滿足變電站集中監控業務需求方面仍存在一些短板，在告警信號的優化和再加工以及信號輔助分析等方面的不足尤為突出。

針對集中監控業務的特點提出了對調控系統集中監控功能所進行的多項實用化改進，包括：1)在電網正常狀態下對監控信號的優化，對監控員巡視軌跡的記錄與分析以及監控信號的自動巡檢與分析；2)在電網事故或異常情況下對告警信號和告警方式的優化；3)對監控專業管理和分析評價的輔助支撐等。這些實用化功能已應用于多個省級和地區調控中心，顯著提升了變電站集控監控工作的效率，為調控“大運行”工作提供了有力的支撐。

1 集中監控業務的特點和對調控系統的要求

實施調控集約化運行后，雖然調度員和監控員集中在共同的場所值班，并且一般也使用同一平臺上相同的SCADA功能，但是變電站集中監控業務和調度大廳內傳統的調度業務有著顯著的差別。不同于調度員側重關注系統發用平衡及系統安全穩定狀態，監控員更多地關注變電站現場所有一、二次設備的運行狀態。集中監控業務要求監控員能通過對信號以及主要遙測量的監視準確反演出現場實際的設備狀態，而且能對故障情況下大量的信號進行分析從而對實際發生的故障做出準確判斷，并能夠根據調度員的指令或監控自身的職責快捷進行各類操作。

基于上述集中監控業務的特點，一方面變電站現場自動化系統上送的信號要全面，確保不遺漏任何和設備狀態相關的信號；另一方面，主站端的信號處理要高效，盡可能為監控員提供簡潔有效的結果。只有達到這兩方面的要求才可能提高監控業務的效率，使得集中監控規模足夠大，真正達到發揮集約化的優勢。在信號的全面和展示結果的精簡方面進行良好的平衡是調控系統變電站集中監控功能重要的出發點。所做的工作就是基于這一出發點開展的。

2 正常狀態下的信號監視與分析優化

在電網正常狀態下，每值監控員需要完成若干幅畫面的巡視，并確認本值內狀態發生變化的信號。要確保一些個別的信號不被大量的其他信號淹沒，否則就有可能失去對變電站重要事件的了解和把握，進而可能導致事件進一步發展甚至危害主網的安全。為實現對正常狀態下信號的有效監視需要對分散的原始信號進行優化分析并提供輔助手段來最大限度避免監控員的漏巡。

2.1 監控信號關聯分析和自動派生

1)關聯信號分析

對于大量的分散信號，調控系統一般按照分級分類的要求對這些信號做了區別展示，但傳統的簡單按照原始的時間序列順序來展示難免會出現個別重要信號淹沒在大量其他信號中的情形。只有按照事件、廠站等屬性對信號進行有效關聯，才可避免監控員迷失在離散的信號中。例如，某條線路跳閘事件產生的信號可能分散在多個地方并且和其他變電站的各類信號混雜在一起。

通過對設備告警信號的類型、所屬廠站和間隔以及發生時間等屬性進行相關性分析，結合設備故障后關聯告警模板，實現了在設備發生故障情況下從實時告警窗中自動關聯提取相關的一組告警信息，并支持對歷史告警信息進行關聯性分析。

圖1是關聯信號提取方法示例圖，例如對于線路跳閘事故告警信息，可以查詢其發生前后幾分鐘的相關類型告警信息，以便快速分析排除檢修情況。

圖1 關聯信號提取方法

2)重要告警信號派生

監視對象的某些重要狀態有可能缺少站端直接發送的信號，監控員這種情形往往難以及時發現和處置。例如，母線等重要設備失壓是重要的事件，但是一般只能由監控員基于量測值人工判斷，時效性很難達到要求。

通過設置適當的失壓判據，實現了在一定的時延范圍內，結合設備的實時遙信和遙測信息，自動判斷主變壓器、母線等設備失壓和全站失壓，并及時發出母線或全站失壓告警信號，不再需要監控員逐個廠站巡視并仔細判斷才能識別出失壓這一重要的事件。圖2是母線及全站失壓判定邏輯圖，當母線三相電壓同時歸零且母線失電，則判定當前母線失壓。當全站所有母線均處于失壓狀態，則判定全站失壓。

圖2 母線及全站失壓邏輯

2.2 監控畫面巡覽軌跡記錄與分析

人工對所有預定義的畫面進行巡覽是監控員基本例行工作和安全保底手段。隨著監控范圍的擴大以及同時需要處理各類突發工作，可能會出現漏巡的情況，成為系統安全的一個隱患。

通過預定義每值監控員需要巡覽的畫面以及巡覽頻度要求，自動記錄監控員實際畫面巡覽軌跡，并將兩者進行對比，實現了未巡覽畫面的自動告警功能，實時提醒當值監控員。還支持在事后對所有畫面巡覽軌跡及未及時巡覽的告警信息進行分析，實現對監控工作流程和特定監控員工作習慣進行評價。

2.3 監控信號變化和差異分析

監控員在交接班時需要快速準確地把握過去一段時間內信號變化情況以及后續需要繼續關注的信號，靠交班和接班監控員手動翻閱告警記錄來達到這一目的，工作量巨大且容易發生遺漏。

采用版本管理的思想，以某一時刻的數據斷面為基礎，建立各時刻斷面巡視數據版本，再通過版本管理機制記錄各版本在對應時刻的數據變化并進行管理。將包含相關信號狀態的斷面信息打包固化存儲，通過對不同斷面的對比，按照新增、消失、變化3類列出相關時刻信號狀態變化列表，監控員在交接班時只需要關注所給出的變化信息即可。圖3是斷面數據結構定義和某一交接班分析結果示例。

具體實現時，這一功能既支持監控員在登錄和注銷時自動保存快照，也可以由監控員在任意時刻手動保存快照。通過用不同的顏色標注出新增、變化以及消失的信號，系統中所有監視對象的重要信息變得一目了然。

圖3 監控信號變化分析結果示例

3 事故或異常狀態下的信號和告警優化

3.1 異常頻發信號的檢測和展示優化

對于因變電站端自動化裝置異常引起的大量頻發信號，需要在調控系統中有效地檢測并在展示時用適當的方式進行隱藏，避免干擾監控員的正常工作。

基于對異常頻發信號重復特征的分析，設計了相應的檢測功能并在告警窗上對這類異常信號的展示自動進行折疊。圖4為頻發信號檢測判斷原理圖，將在相對的滑動時間窗口Δt范圍內統計是否發生頻發信號。

圖4 頻發信號檢測原理

其中時間軸是一個滑動時間窗口，即給定時間窗口寬度Δt和窗口滑動步長S，頻發信號檢測時以當前窗口起始告警時間為Ts，結束告警時間為Te，則Te-Ts=Δt，窗口滑動一個步長S后，新窗口起始告警和結束告警時間分別為Ts+S和Te+S。在滑動窗口時間內統計異常頻發信號并自動折疊，對于折疊的異常頻發信號，監控員在需要時也可以展開進行必要的確認和詳細分析。

3.2 突發事故大量推畫面的優化

當電網發生事故時，將在很短時間內產生大量的信號，并可能同時觸發語音、自動推畫面等多種告警方式。對于這些大量的突發信號，需要進行有效處置，既保障監控員及時得到重要的信息，又要避免大量告警干擾監控員對事件的處置，還要注意減輕大量突發信號引起的系統過重的負擔。

針對異常或事故情況下觸發的突發大量推畫面告警方式，設計并實現了先推出事故廠站畫面列表的展現方式，具體展示哪一幅畫面由監控員根據需要選擇。這樣在發生異常或事故時，將避免大量畫面直接堆疊在界面上，影響監控員快速選擇最關心的畫面，也可避免同一時間推出大量畫面引起工作站和相關服務器的資源占用急劇升高。

4 監控專業管理與分析評價的輔助支撐

變電站集中監控除實時業務外，還有大量的管理類工作。一方面，需要基于歷史數據對變電站一、二次設備的運行情況進行分析；另一方面，也需要對相關的信息進行分析以對監控員的工作進行評價和指導。調控系統一般都自動保存了完整的歷史數據，但是在原有系統上對歷史數據進行分析時，發現存在以下3個主要的問題：一是告警歷史信息中缺少部分集中監控業務所需要的重要屬性，無法對告警信息進行深度分析；二是相關信息分散在不同的業務系統中，缺乏對相關信息進行有效融合和關聯分析；三是典型信號的處理經驗沒有得到很好的推廣。為了提高監控專業管理的技術支撐水平，進行了3個方面的改進。

4.1 設備操作標識與精細化分析

開關變位的原因包括跳閘、檢修、計劃停運、合解環、調壓等若干類型。為了結合設備遠方操作精細化分析開關變位原因，基于告警信息字符串結構化解析和邏輯分析實現了對設備操作類型分析，能夠自動識別遠方操作、檢修、調壓等操作類型，并支持人工對個別信號的操作類型進行調整和增加備注信息。基于更加細化和準確的操作原因分類，設備監控管理專業可以快捷地得到一、二次設備運行狀態和監控操作的深入分析結果。圖5是設備操作分析數據流程圖，變位信號經過分析后自動判別出了檢修、頻發、遙控原因，對于不能自動判別出正常、操作等原因的信號可支持人工標記。

4.2 基于大數據分析的信息融合和關聯分析評價

基于大數據平臺技術，對監控數據進行分布式整合計算，把多個應用監控數據孤立的節點信息，對其進行有效的關聯分析。

圖5 設備操作原因分類和標識

首先，構建監控大數據對象統一編碼ID，對象包括一次設備、二次設備、運行、輔助類數據等，為保證監控數據對象在整個基于監控數據的變電站設備大數據分析系統中全局唯一，設計一套用于數據交互共享的編碼規則(即ID編碼規則)，作為監控數據對象的唯一標識。編碼原理如圖6所示。

圖6 監控數據對象ID編碼結構

其次，對集中監控變電站大數據統一整合建模，采取以監控設備為中心，強化監控數據與設備之間的關聯關系。統一用設備ID為關聯字段，將監控設備的運行數據與管理數據及其他輔助數據進行關聯整合，形成關聯數據集并存儲于數據中心。監控大數據統一建模示意圖如圖7所示。

圖7 監控大數據統一整合建模

最后，基于分布式文件系統(Hadoop distributed file system,HDFS)實現監控大數據分析應用，對事件和監控員的操作進行關聯分析評價。這一功能首先抽取分散的各類事件信息，并將這些事件和監控員的操作記錄相關聯，然后將抽取和關聯的結果同

監控業務的標準流程進行對比，對監控員的操作進行分析評價，給出有針對性的改進意見。

5 應用效果

所提出的幾項變電站集中監控功能實用化改進，已在四川省多個地區調控中心投入實際使用。相關改進工作顯著提升了變電站集中監控工作的效率，確保了變電站集中監控功能的順利實施并為更大范圍的集中監控提供了足夠的支撐。其中，成都地調屬于省會級大型地調，集中監控廠站293座，實施監控功能改進后，每值監控員用于監控信號巡檢的時間由3.5 h縮短為10 min，此外在事故應對和設備監控管理等方面的能力也由此得到顯著的提升。

6 結 語

變電站集中監控能夠大幅提升電網運行的集約化水平，是電網調控業務發展的趨勢，與此同時，它也給監控員帶來了明顯的壓力和挑戰。智能電網調度和控制系統不能拘泥于原有主要面向調度員的設計，而要充分理解集中監控業務的需求，在信號量完整和展示結果簡潔這兩個方面做到很好的平衡，才能真正給集中監控業務提供有效的支撐。所提出的幾項實用化改進是這方面工作的一點嘗試，經過初步實施能夠明顯體會到在對集中監控業務的特點和需求進行細致分析后，調控系統適當的改進能夠顯著提升對集中監控業務的支撐。后續將對監控業務的需求進一步分析研究，結合專業管理的規范化和標準化，繼續提升監控數據分析水平，為變電站集中監控業務提供更切實有效的支撐。