智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)變電站集中監(jiān)控功能的幾項實用化改進(jìn)

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(1.國網(wǎng)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(wǎng)成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

變電站集中監(jiān)控業(yè)務(wù)是電網(wǎng)公司實現(xiàn)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(diào)控系統(tǒng)支撐能力提出了新的更高要求[1-2]。部署于調(diào)控中心的自動化系統(tǒng)傳統(tǒng)上主要面向調(diào)度員服務(wù)，在保證數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上主要提供輔助調(diào)度員進(jìn)行保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)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(jiān)控業(yè)務(wù)后，調(diào)控中心的監(jiān)控員承擔(dān)著設(shè)備監(jiān)視和操作、故障判斷、分析總結(jié)等多種類型的運行和管理任務(wù)，監(jiān)控員面臨著不同于調(diào)度員的壓力：在電網(wǎng)正常工況下要確保信號巡檢完全覆蓋；在電網(wǎng)事故情況下要處理大量突發(fā)信號并準(zhǔn)確分辨信號產(chǎn)生原因。在典型的省級和大型地區(qū)級調(diào)控中心，監(jiān)控員監(jiān)視的信號點數(shù)在十萬以上乃至百萬級的規(guī)模，監(jiān)控員需要關(guān)注每一個信號的動作、復(fù)歸、異常等各類狀態(tài)并據(jù)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(jìn)行有效分析的自動化輔助手段，將會制約集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的范圍，同時也會給電網(wǎng)的安全運行帶來隱患。

國家電網(wǎng)公司近年來在推進(jìn)變電站集中監(jiān)控業(yè)務(wù)方面取得了顯著的成效，在相應(yīng)的技術(shù)支持系統(tǒng)方面也提出了明確的規(guī)范[3-4],智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的相關(guān)綜合智能告警和變電站集中監(jiān)控功能也發(fā)揮了重大作用[5-7]。但隨著監(jiān)控業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的功能在滿足變電站集中監(jiān)控業(yè)務(wù)需求方面仍存在一些短板，在告警信號的優(yōu)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(jiān)控業(yè)務(wù)的特點提出了對調(diào)控系統(tǒng)集中監(jiān)控功能所進(jìn)行的多項實用化改進(jìn)，包括：1)在電網(wǎng)正常狀態(tài)下對監(jiān)控信號的優(yōu)化，對監(jiān)控員巡視軌跡的記錄與分析以及監(jiān)控信號的自動巡檢與分析；2)在電網(wǎng)事故或異常情況下對告警信號和告警方式的優(yōu)化；3)對監(jiān)控專業(yè)管理和分析評價的輔助支撐等。這些實用化功能已應(yīng)用于多個省級和地區(qū)調(diào)控中心，顯著提升了變電站集控監(jiān)控工作的效率，為調(diào)控“大運行”工作提供了有力的支撐。

1 集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的特點和對調(diào)控系統(tǒng)的要求

實施調(diào)控集約化運行后，雖然調(diào)度員和監(jiān)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(jiān)控業(yè)務(wù)和調(diào)度大廳內(nèi)傳統(tǒng)的調(diào)度業(yè)務(wù)有著顯著的差別。不同于調(diào)度員側(cè)重關(guān)注系統(tǒng)發(fā)用平衡及系統(tǒng)安全穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)控員更多地關(guān)注變電站現(xiàn)場所有一、二次設(shè)備的運行狀態(tài)。集中監(jiān)控業(yè)務(wù)要求監(jiān)控員能通過對信號以及主要遙測量的監(jiān)視準(zhǔn)確反演出現(xiàn)場實際的設(shè)備狀態(tài)，而且能對故障情況下大量的信號進(jìn)行分析從而對實際發(fā)生的故障做出準(zhǔn)確判斷，并能夠根據(jù)調(diào)度員的指令或監(jiān)控自身的職責(zé)快捷進(jìn)行各類操作。

基于上述集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的特點，一方面變電站現(xiàn)場自動化系統(tǒng)上送的信號要全面，確保不遺漏任何和設(shè)備狀態(tài)相關(guān)的信號；另一方面，主站端的信號處理要高效，盡可能為監(jiān)控員提供簡潔有效的結(jié)果。只有達(dá)到這兩方面的要求才可能提高監(jiān)控業(yè)務(wù)的效率，使得集中監(jiān)控規(guī)模足夠大，真正達(dá)到發(fā)揮集約化的優(yōu)勢。在信號的全面和展示結(jié)果的精簡方面進(jìn)行良好的平衡是調(diào)控系統(tǒng)變電站集中監(jiān)控功能重要的出發(fā)點。所做的工作就是基于這一出發(fā)點開展的。

2 正常狀態(tài)下的信號監(jiān)視與分析優(yōu)化

在電網(wǎng)正常狀態(tài)下，每值監(jiān)控員需要完成若干幅畫面的巡視，并確認(rèn)本值內(nèi)狀態(tài)發(fā)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(jìn)而可能導(dǎo)致事件進(jìn)一步發(fā)展甚至危害主網(wǎng)的安全。為實現(xiàn)對正常狀態(tài)下信號的有效監(jiān)視需要對分散的原始信號進(jìn)行優(yōu)化分析并提供輔助手段來最大限度避免監(jiān)控員的漏巡。

2.1 監(jiān)控信號關(guān)聯(lián)分析和自動派生

1)關(guān)聯(lián)信號分析

對于大量的分散信號，調(diào)控系統(tǒng)一般按照分級分類的要求對這些信號做了區(qū)別展示，但傳統(tǒng)的簡單按照原始的時間序列順序來展示難免會出現(xiàn)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(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，才可避免監(jiān)控員迷失在離散的信號中。例如，某條線路跳閘事件產(chǎn)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(shè)備告警信號的類型、所屬廠站和間隔以及發(fā)生時間等屬性進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)合設(shè)備故障后關(guān)聯(lián)告警模板，實現(xiàn)了在設(shè)備發(fā)生故障情況下從實時告警窗中自動關(guān)聯(lián)提取相關(guān)的一組告警信息，并支持對歷史告警信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。

圖1是關(guān)聯(lián)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(fā)生前后幾分鐘的相關(guān)類型告警信息，以便快速分析排除檢修情況。

圖1 關(guān)聯(lián)信號提取方法

2)重要告警信號派生

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

通過設(shè)置適當(dāng)?shù)氖号袚?jù)，實現(xiàn)了在一定的時延范圍內(nèi)，結(jié)合設(shè)備的實時遙信和遙測信息，自動判斷主變壓器、母線等設(shè)備失壓和全站失壓，并及時發(fā)出母線或全站失壓告警信號，不再需要監(jiān)控員逐個廠站巡視并仔細(xì)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(dāng)母線三相電壓同時歸零且母線失電，則判定當(dāng)前母線失壓。當(dāng)全站所有母線均處于失壓狀態(tài)，則判定全站失壓。

圖2 母線及全站失壓邏輯

2.2 監(jiān)控畫面巡覽軌跡記錄與分析

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

通過預(yù)定義每值監(jiān)控員需要巡覽的畫面以及巡覽頻度要求，自動記錄監(jiān)控員實際畫面巡覽軌跡，并將兩者進(jìn)行對比，實現(xiàn)了未巡覽畫面的自動告警功能，實時提醒當(dāng)值監(jiān)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(jìn)行分析，實現(xiàn)對監(jiān)控工作流程和特定監(jiān)控員工作習(xí)慣進(jìn)行評價。

2.3 監(jiān)控信號變化和差異分析

監(jiān)控員在交接班時需要快速準(zhǔn)確地把握過去一段時間內(nèi)信號變化情況以及后續(xù)需要繼續(xù)關(guān)注的信號，靠交班和接班監(jiān)控員手動翻閱告警記錄來達(dá)到這一目的，工作量巨大且容易發(fā)生遺漏。

采用版本管理的思想，以某一時刻的數(shù)據(jù)斷面為基礎(chǔ)，建立各時刻斷面巡視數(shù)據(jù)版本，再通過版本管理機(jī)制記錄各版本在對應(yīng)時刻的數(shù)據(jù)變化并進(jìn)行管理。將包含相關(guān)信號狀態(tài)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(guān)時刻信號狀態(tài)變化列表，監(jiān)控員在交接班時只需要關(guān)注所給出的變化信息即可。圖3是斷面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和某一交接班分析結(jié)果示例。

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

圖3 監(jiān)控信號變化分析結(jié)果示例

3 事故或異常狀態(tài)下的信號和告警優(yōu)化

3.1 異常頻發(fā)信號的檢測和展示優(yōu)化

對于因變電站端自動化裝置異常引起的大量頻發(fā)信號，需要在調(diào)控系統(tǒng)中有效地檢測并在展示時用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行隱藏，避免干擾監(jiān)控員的正常工作。

基于對異常頻發(fā)信號重復(fù)特征的分析，設(shè)計了相應(yīng)的檢測功能并在告警窗上對這類異常信號的展示自動進(jìn)行折疊。圖4為頻發(fā)信號檢測判斷原理圖，將在相對的滑動時間窗口Δt范圍內(nèi)統(tǒng)計是否發(fā)生頻發(fā)信號。

圖4 頻發(fā)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(fā)信號檢測時以當(dāng)前窗口起始告警時間為Ts，結(jié)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(jié)束告警時間分別為Ts+S和Te+S。在滑動窗口時間內(nèi)統(tǒng)計異常頻發(fā)信號并自動折疊，對于折疊的異常頻發(fā)信號，監(jiān)控員在需要時也可以展開進(jìn)行必要的確認(rèn)和詳細(xì)分析。

3.2 突發(fā)事故大量推畫面的優(yōu)化

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故時，將在很短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的信號，并可能同時觸發(fā)語音、自動推畫面等多種告警方式。對于這些大量的突發(fā)信號，需要進(jìn)行有效處置，既保障監(jiān)控員及時得到重要的信息，又要避免大量告警干擾監(jiān)控員對事件的處置，還要注意減輕大量突發(fā)信號引起的系統(tǒng)過重的負(fù)擔(dān)。

針對異常或事故情況下觸發(fā)的突發(fā)大量推畫面告警方式，設(shè)計并實現(xiàn)了先推出事故廠站畫面列表的展現(xiàn)方式，具體展示哪一幅畫面由監(jiān)控員根據(jù)需要選擇。這樣在發(fā)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(jiān)控員快速選擇最關(guān)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(guān)服務(wù)器的資源占用急劇升高。

4 監(jiān)控專業(yè)管理與分析評價的輔助支撐

變電站集中監(jiān)控除實時業(yè)務(wù)外，還有大量的管理類工作。一方面，需要基于歷史數(shù)據(jù)對變電站一、二次設(shè)備的運行情況進(jìn)行分析；另一方面，也需要對相關(guān)的信息進(jìn)行分析以對監(jiān)控員的工作進(jìn)行評價和指導(dǎo)。調(diào)控系統(tǒng)一般都自動保存了完整的歷史數(shù)據(jù)，但是在原有系統(tǒng)上對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)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(jiān)控業(yè)務(wù)所需要的重要屬性，無法對告警信息進(jìn)行深度分析；二是相關(guān)信息分散在不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，缺乏對相關(guān)信息進(jìn)行有效融合和關(guān)聯(lián)分析；三是典型信號的處理經(jīng)驗沒有得到很好的推廣。為了提高監(jiān)控專業(yè)管理的技術(shù)支撐水平，進(jìn)行了3個方面的改進(jìn)。

4.1 設(shè)備操作標(biāo)識與精細(xì)化分析

開關(guān)變位的原因包括跳閘、檢修、計劃停運、合解環(huán)、調(diào)壓等若干類型。為了結(jié)合設(shè)備遠(yuǎn)方操作精細(xì)化分析開關(guān)變位原因，基于告警信息字符串結(jié)構(gòu)化解析和邏輯分析實現(xiàn)了對設(shè)備操作類型分析，能夠自動識別遠(yuǎn)方操作、檢修、調(diào)壓等操作類型，并支持人工對個別信號的操作類型進(jìn)行調(diào)整和增加備注信息。基于更加細(xì)化和準(zhǔn)確的操作原因分類，設(shè)備監(jiān)控管理專業(yè)可以快捷地得到一、二次設(shè)備運行狀態(tài)和監(jiān)控操作的深入分析結(jié)果。圖5是設(shè)備操作分析數(shù)據(jù)流程圖，變位信號經(jīng)過分析后自動判別出了檢修、頻發(fā)、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(biāo)記。

4.2 基于大數(shù)據(jù)分析的信息融合和關(guān)聯(lián)分析評價

基于大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式整合計算，把多個應(yīng)用監(jiān)控數(shù)據(jù)孤立的節(jié)點信息，對其進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)分析。

圖5 設(shè)備操作原因分類和標(biāo)識

首先，構(gòu)建監(jiān)控大數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一編碼ID，對象包括一次設(shè)備、二次設(shè)備、運行、輔助類數(shù)據(jù)等，為保證監(jiān)控數(shù)據(jù)對象在整個基于監(jiān)控數(shù)據(jù)的變電站設(shè)備大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中全局唯一，設(shè)計一套用于數(shù)據(jù)交互共享的編碼規(guī)則(即ID編碼規(guī)則)，作為監(jiān)控數(shù)據(jù)對象的唯一標(biāo)識。編碼原理如圖6所示。

圖6 監(jiān)控數(shù)據(jù)對象ID編碼結(jié)構(gòu)

其次，對集中監(jiān)控變電站大數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合建模，采取以監(jiān)控設(shè)備為中心，強(qiáng)化監(jiān)控數(shù)據(jù)與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。統(tǒng)一用設(shè)備ID為關(guān)聯(lián)字段，將監(jiān)控設(shè)備的運行數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，形成關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集并存儲于數(shù)據(jù)中心。監(jiān)控大數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模示意圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)控大數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合建模

最后，基于分布式文件系統(tǒng)(Hadoop distributed file system,HDFS)實現(xiàn)監(jiān)控大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，對事件和監(jiān)控員的操作進(jìn)行關(guān)聯(lián)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(jiān)控員的操作記錄相關(guān)聯(lián)，然后將抽取和關(guān)聯(lián)的結(jié)果同

監(jiān)控業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行對比，對監(jiān)控員的操作進(jìn)行分析評價，給出有針對性的改進(jìn)意見。

5 應(yīng)用效果

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

6 結(jié) 語

變電站集中監(jiān)控能夠大幅提升電網(wǎng)運行的集約化水平，是電網(wǎng)調(diào)控業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢，與此同時，它也給監(jiān)控員帶來了明顯的壓力和挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)調(diào)度和控制系統(tǒng)不能拘泥于原有主要面向調(diào)度員的設(shè)計，而要充分理解集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的需求，在信號量完整和展示結(jié)果簡潔這兩個方面做到很好的平衡，才能真正給集中監(jiān)控業(yè)務(wù)提供有效的支撐。所提出的幾項實用化改進(jìn)是這方面工作的一點嘗試，經(jīng)過初步實施能夠明顯體會到在對集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的特點和需求進(jìn)行細(xì)致分析后，調(diào)控系統(tǒng)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)能夠顯著提升對集中監(jiān)控業(yè)務(wù)的支撐。后續(xù)將對監(jiān)控業(yè)務(wù)的需求進(jìn)一步分析研究，結(jié)合專業(yè)管理的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，繼續(xù)提升監(jiān)控數(shù)據(jù)分析水平，為變電站集中監(jiān)控業(yè)務(wù)提供更切實有效的支撐。