電力系統一體化智能監控平臺研究

劉成林，成月良，郭夢旭，覃 曦，董 雪，佟英杰

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210031）

0 引 言

隨著電網建設的不斷發展，其技術支持與服務支持的重要性也越來越突出[1]。在電力市場不斷發展背景下，電力系統的自動化水平得到了極大的提升，更多的智能化設備被用于電力系統。在電網的運行中，各種智能設備之間的聯系緊密且非常復雜。業務系統數目增多，維護工作的壓力也隨之增大，而傳統的監測系統存在各自的不足，各個監測系統的報警信息和運行工況信息分布在不同的終端，無法集中查詢和監視。同時，由于缺少預防性檢查和報警的手段，因此專責定期檢查和巡視工作任務煩瑣，質量不高。應用系統本身缺少對數據跳變、不刷新、越界等異常行為的完善識別方法和策略，對整個系統的運行和安全生產造成了很大的影響[2]。

1 電力系統一體化智能監控平臺發展現狀

電力系統一體化智能監控平臺是電力系統實行監測的關鍵環節，對電力系統的安全、穩定運行起著至關重要的作用。一體化智能監控平臺定位于國網綜合監控系統、變電站運行駕駛室等智能變電站，通過一體化監控系統實現故障信息子站和源端維護、智能預警以及運行狀態監測可視化等功能。而在選擇跨平臺電力調度監測一體化智能監測平臺時，必須科學掌握其適用范圍，只有科學、合理的現代圖形架構才能充分發揮電力系統一體化智能監測的功能[3]。

目前，全國電網的運行特征是以各省電網作為獨立單位，通過聯網線路的互聯使整個電網能夠協調工作[4]。網狀結構的擴充和收集裝置的快速采集要求具備更多的聯機動力學分析與控制運算能力。若僅添加額外的運算處理資源，則將會使實時性能大幅下降。針對以上問題，對二次系統數據零散、資源不足等問題進行分析，為各大軟件和硬件制造商搭建一個更好的合作平臺。采用分布式檔案系統，實現全省二級系統的系統日志、系統服務狀態、系統資源、進程狀態、任務執行情況以及系統生成的報警等。分類管理收集到的大量數據，將收集到的各類資料進行歸檔、分類，并建立專門的應用程序庫。例如，針對分布在二次系統中的報警記錄創建一個報警記錄應用庫，為以后進一步利用機器學習技術進行專題數據的挖掘和分析提供便利，同時提高數據利用率[5]。

隨著電力二次系統的規模越來越大，所產生的電力數據也越來越多，為挖掘大量的電力數據，設計以電力系統自動監測平臺為基礎的數據分析工具，利用機器學習、數據挖掘、人工智能等先進工具挖掘各類商業數據，為企業決策提供支持。系統結構靈活、開放，方便各個子系統及第三方的存取。為了減少其他系統的存取工作量，必須支持多種數據、記錄形式，集成多種協議接口。由于本系統的目標是操作維護，更強調實效性，因此在電力系統智能化監控平臺上應用先進的可視化技術，為運維人員提供綜合性技術支持，提高電力系統的穩定性。

2 電力系統一體化智能監控平臺功能結構

2.1 安全監測架構

二次電力系統的安全保護區劃分為4個區域，其中安全區I是實時控制區域，安全區II是不受管制的生產區域，安全區III是生產管理區域，安全區Ⅳ是信息管理區域[6]。由于信息的管理是在數據收集層進行，為了確保電力系統監測云平臺上各種監測系統的安全，本系統主要負責安全區I、安全區Ⅱ、安全區Ⅲ的管理。安全區II是生產區域的數據匯總處理區，主要負責收集安全區I、安全區II作業系統的數據，并將其存檔。業務系統安全區架構如圖1所示。

電力系統一體化智能監控系統的主要作用是對自動化系統、基礎設施的運行狀況進行監測和處理，管理軟件資源、數據庫資源、服務器資源、網絡設備以及安全設備等，同時提供基礎的操作參數管理、權限管理、用戶管理以及日志管理等[7]。安全區I/II監測界面的功能分布如圖2所示。

安全區III管理主要對自動控制系統和基本結構進行綜合顯示、日常保養工作管理、工作日程管理、工作列表管理、交班管理等，能夠對與統計自動化專業有關的資源、報警、測量或性能數據進行查詢與分析，并將其輸出到報告中。在一定時期內，對系統和基礎設施的自動化操作（有效利用率）進行統計，并能夠編制操作報表，自動產生日常工作中的自動監控報告。安全區Ⅲ管理界面的功能分布如圖3所示。

2.2 報警和查詢系統

報警信息的查詢主要包括報警來源、類型、級別、內容以及發生時間等內容。目前，報警監控屏幕顯示的是最新的報警信息，不同等級的報警用不同的背景和字體進行識別。在有新報警的情況下，可以通過聲、光等多種形式進行報警。另外，顯示屏還可以對各種報警方式進行過濾，如警報級別和警報來源，從而方便用戶進行監控，并支持將報警信息導入Excel表格文檔中[8]。常規的電力數據存儲在關系數據庫中，如MySQL、SQL Server、Oracle等。隨著電力數據的快速增長，傳統的數據庫表數據量急劇增加，使得數據庫的查詢效率下降，無法滿足對報警信息的實時查詢。為了滿足系統的實時性報警查詢需求，采用NoSQL數據庫作為基礎數據庫進行數據查詢。

HBase是目前應用較廣的NoSQL數據庫，是一種分布的、面向列型的開放源碼數據庫。與普通的關系型數據庫不同，HBase是一種適用于無結構化數據的數據庫。隨著電力系統的不斷發展，無結構數據的增長速度也越來越快。傳統數據庫是建立在行查詢的基礎上，在進行查詢時需要進行全域掃描。而HBase以列為基礎，通過對特定的數據行進行掃描，可以極大程度地加快數據查詢速度。HBase自身將數據排列成表格形式，包括行和列，其中row key是用來獲取記錄的主要關鍵字。HBase表格中的每一列都屬于特定的家族，column family是HBase表格中的一種，它下面有column1和column2。同時，HBase表格使用時間標記timestamp來展示不同用戶的不同版本。在HBase中，需要使用4個維度的限制來決定某個數據，即{根，組，組，時間組}。在HBase查詢中，基于上述4個維度的限制，數據庫查詢引擎能夠對大多數數據進行篩選并動態劃分，從而大大提高了查詢效率。

二次電力系統的報警內容包括報警源、報警類型、報警級別、報警內容、報警時間以及報警終止時間，使用HBase表格來管理報警信息。創建表格warning，當數據被寫入時，時間戳是當前的系統時間，系統會自動分配timestamp。

實際監測結果顯示，在對電網進行風險評估時，存在著較大的靜態安全風險，如線路過載、母線電壓越限等，風險預警模塊適時發出橙色警報，在相應的預警模塊中顯示。在這種情況下，離線預警控制模塊根據特定的危險因子制定相應的預控方案，從而緩解電力系統的自動調度壓力。電廠發生主變斷電后，極易造成其他線路及斷面越限[9]。針對這種情況，可以在檢修過程中強化其他電廠的發電能力，適時調整前后的靜態安全風險指數。采用預控制措施能有效降低線路過載和電壓越界的風險，在電網中起到了很好的緩沖作用[10]。此外，監測系統顯示某廠的多臺設備出現多個異常，調度人員需要持續關注這些高風險設備，督促生產部門采取相應的措施，及時檢修或替換異常設備，從而降低設備的故障率，提高電網的自動化調度效率。

3 結 論

針對目前電力自動化監控體系分散、數據資源分布不均衡等問題，通過對報警規則的定義、關聯分析進行探討，設計一種電力系統一體化智能監控平臺。通過該平臺可以有效監測電力系統運行過程中存在的異常與風險問題，并將分析結果實時反饋給相關工作人員，及時解決故障問題，緩解電網運行和維修人員的工作壓力。