智能變電站監(jiān)測(cè)端口系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

張文軍， 王曉忠， 易善軍， 魏聰

(1. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020;2. 國(guó)網(wǎng)南京南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)， 江蘇 南京 211106；3. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇 南京 211106)

0 引言

到目前為止，已有較多學(xué)者研究了間隔層與過(guò)程層的運(yùn)行保護(hù)、智能控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等內(nèi)容，同時(shí)獲得了許多新的研究成果[1-4]，但很少有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于站控層系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)其進(jìn)行故障診斷方面的研究?jī)?nèi)容。文獻(xiàn)[5]有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了智能變電站中的二次設(shè)備運(yùn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)情況并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種可以快速診斷智能變電站系統(tǒng)中二次設(shè)備產(chǎn)生回路故障問(wèn)題的新方法；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)站控層進(jìn)行測(cè)試的結(jié)構(gòu)模型，之后測(cè)試了站控層監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行模式以及遠(yuǎn)動(dòng)裝置各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能，但這一方案并沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能，也無(wú)法提前報(bào)警提示，不能滿足實(shí)際變電站的使用需求；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)時(shí)監(jiān)控智能變電站狀態(tài)的高效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不過(guò)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)站控層設(shè)備的深入分析。

選擇嵌入軟件以及無(wú)風(fēng)扇硬件來(lái)構(gòu)建間隔層與過(guò)程層，同時(shí)將設(shè)備的自檢結(jié)果快速傳輸至遠(yuǎn)方，同時(shí)還可以對(duì)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到很高的穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過(guò)程的精確控制[9-10]。在站控層中除了遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備之外，通常選擇自帶風(fēng)扇散熱的服務(wù)器硬件，不能達(dá)到很高的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性[11]。

為提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程的安全性，可以利用類UNIX系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建變電站的后臺(tái)操作系統(tǒng)，包括UNIX、Linux、凝思等，與Windows系統(tǒng)相比可以發(fā)現(xiàn)，類UNIX系統(tǒng)不能滿足普遍性要求，并且實(shí)際操作過(guò)程較為復(fù)雜[12-15]。常規(guī)網(wǎng)絡(luò)與大部分計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件只能被應(yīng)用于Windows系統(tǒng)，無(wú)法達(dá)到跨平臺(tái)的適應(yīng)性條件，無(wú)法跟站控層中的應(yīng)用業(yè)務(wù)進(jìn)行高效交互，因此無(wú)法精確診斷變電站業(yè)務(wù)出現(xiàn)的異常情況，也無(wú)法把故障告警信息直接傳輸至調(diào)度端，不能對(duì)智能變電站的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行高效監(jiān)視并對(duì)運(yùn)維檢修造成了較大干擾[16-17]。

本文重點(diǎn)分析了智能變電站站控層系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)視并測(cè)試了后臺(tái)核心業(yè)務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上建立了能夠?qū)φ麄€(gè)站控層的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，提高了監(jiān)測(cè)效率并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了診斷修復(fù)的模式，能夠結(jié)合設(shè)定的異常故障閾值以及特征庫(kù)，完成異常報(bào)警功能，還可以利用告警直傳的方法來(lái)完成上傳調(diào)度的過(guò)程，對(duì)各類問(wèn)題與隱患進(jìn)行提前告知，以此確保智能變電站中的站控層設(shè)施能夠以穩(wěn)定的狀態(tài)安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可以看到組成該系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，此系統(tǒng)通過(guò)常規(guī)C/S結(jié)構(gòu)以分布式的結(jié)構(gòu)被設(shè)置在站控層中，在各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備上都設(shè)置了客戶端，同時(shí)在圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)上設(shè)置了服務(wù)端以及存在異常的數(shù)據(jù)庫(kù)。

客戶端的作用是對(duì)本機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，包括異常信息、故障參數(shù)、日志數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果等。

服務(wù)端負(fù)責(zé)分析監(jiān)測(cè)到的異常數(shù)據(jù)并對(duì)各類故障問(wèn)題進(jìn)行診斷，通過(guò)告警直傳模式傳輸各項(xiàng)信息。同時(shí)，為確?？梢愿究貙訕I(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)相同的警報(bào)信息直傳效果，專門設(shè)置了監(jiān)測(cè)服務(wù)端。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端分別由硬件監(jiān)測(cè)、一鍵啟停、系統(tǒng)檢驗(yàn)、業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)、軟件測(cè)試各模塊組成，同時(shí)各模塊又由多種細(xì)化功能構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 模塊及功能劃分

硬件監(jiān)測(cè)模塊需要運(yùn)用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種數(shù)據(jù)包。對(duì)于軟件監(jiān)測(cè)模塊來(lái)說(shuō)，其功能是對(duì)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視并對(duì)越限問(wèn)題進(jìn)行告警，需要使用軟件靜態(tài)配置以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩種數(shù)據(jù)包。

業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)模塊的功能是對(duì)服務(wù)器變電站內(nèi)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的相關(guān)軟件運(yùn)行情況及其異常狀態(tài)進(jìn)行告警。組成站控層的各項(xiàng)設(shè)備也較多，每個(gè)設(shè)備分別完成各自特定的功能，并且在不同設(shè)備上設(shè)置的程序也存在較大差異，這就要求為各站控層設(shè)備設(shè)置合適的業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)方式，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠跟變電站的各項(xiàng)業(yè)務(wù)形成良好融合狀態(tài)。此模塊可以對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的業(yè)務(wù)進(jìn)程進(jìn)行智能診斷，并自動(dòng)收集故障報(bào)文并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)調(diào)閱異常數(shù)據(jù)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的故障可以快速修復(fù)。

2.2 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端可以完成參數(shù)計(jì)算、故障分析以及警報(bào)信息傳輸?shù)墓δ堋?/p>

其中，參數(shù)計(jì)算與故障分析可以根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)故障信息進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。可以完成對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備各項(xiàng)數(shù)據(jù)的精確分析，按照設(shè)置的閾值并結(jié)合實(shí)際獲得的故障特征分析數(shù)據(jù)是否存在異常情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果異常時(shí)則作出異常判定。對(duì)故障進(jìn)行診斷時(shí)需利用故障特征知識(shí)庫(kù)并通過(guò)推理機(jī)進(jìn)行分析[11]，同時(shí)對(duì)故障數(shù)據(jù)通過(guò)專家進(jìn)行診斷并實(shí)施智能決策分析，由此獲得最優(yōu)化方案。

告警直傳模塊可以通過(guò)遠(yuǎn)程方式傳輸異常告警數(shù)據(jù)，確保調(diào)度端能夠?qū)崟r(shí)獲取各站控層設(shè)備發(fā)生的異常情況及各類故障信號(hào)，通過(guò)分析設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況及其運(yùn)行階段產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的檢修處理[12]，使各類異常情況被快速處理。

2.3 監(jiān)測(cè)策略

對(duì)于客戶端的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行信息采集時(shí)所具備的實(shí)時(shí)性性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率具有直接影響。因此當(dāng)服務(wù)器保持正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，應(yīng)減小輪詢的頻率，盡量降低對(duì)CPU與內(nèi)存空間的占用，并在符合告警標(biāo)準(zhǔn)的情況下，能夠快速觸發(fā)輪詢監(jiān)測(cè)，由此提升告警過(guò)程的靈敏性。是否需要采取告警措施需要根據(jù)被監(jiān)測(cè)對(duì)象是否達(dá)到對(duì)應(yīng)的觸發(fā)條件，只需判斷被監(jiān)測(cè)對(duì)象變化程度，再根據(jù)變化程度對(duì)輪詢周期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以此達(dá)到所需的信息采集效率。

根據(jù)以上分析，本文選擇數(shù)據(jù)變化作為分析依據(jù)，構(gòu)建得到具備周期動(dòng)態(tài)變化特征的輪詢方案。該方法可以對(duì)跟現(xiàn)有被監(jiān)測(cè)對(duì)象存在聯(lián)系的其它被監(jiān)測(cè)對(duì)象都進(jìn)行綜合處理。

通?？梢岳孟率霾襟E來(lái)完成周期動(dòng)態(tài)變化輪詢。

第一步，采集T1時(shí)被監(jiān)測(cè)對(duì)象和關(guān)聯(lián)對(duì)象數(shù)據(jù)；

第二步，對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象改變值v進(jìn)行計(jì)算；

第三步，當(dāng)v<0時(shí)，采用Tn算法對(duì)后續(xù)輪詢時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算；

第四步：當(dāng)v>0時(shí)，對(duì)Tf和Th數(shù)值高低進(jìn)行判斷，當(dāng)TfTf的情況下，除了需要利用Tn算法計(jì)算出后一輪詢時(shí)刻，還要進(jìn)一步給出警報(bào)信息。

其中，T1為檢測(cè)對(duì)象當(dāng)前時(shí)刻；Tn為被監(jiān)測(cè)對(duì)象下一次時(shí)刻；v為相鄰兩次輪詢數(shù)值差；Tf為故障告函數(shù)計(jì)算值；Th為故障告警全局閾值。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 典型故障結(jié)構(gòu)選取

本文通過(guò)分析獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、異常結(jié)果以及故障警報(bào)參數(shù)，構(gòu)建了相應(yīng)的分析模型，需要使用的數(shù)據(jù)表類型包含故障參數(shù)統(tǒng)計(jì)表、配置信息表、警報(bào)數(shù)據(jù)表等。典型故障結(jié)構(gòu)選取，如表1所示。

表1 典型故障結(jié)構(gòu)選取

3.2 特征庫(kù)的選定

異常數(shù)據(jù)與故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)，如表2所示。

表2 異常數(shù)據(jù)與故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)站控層設(shè)備產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)異常統(tǒng)計(jì)結(jié)果與故障記錄，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以產(chǎn)生大量異常數(shù)據(jù)，由此構(gòu)成最初的故障參數(shù)庫(kù)。并且，系統(tǒng)還可以選擇性更新新出現(xiàn)的異常與故障問(wèn)題，在告警數(shù)據(jù)被確定為可將其作為特征數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)用的情況下，系統(tǒng)將新增特征庫(kù)，以此作為判斷故障的參考依據(jù)。當(dāng)對(duì)站控層的設(shè)備形成的異常與故障達(dá)到更深入認(rèn)識(shí)程度后，將會(huì)產(chǎn)生更大規(guī)模的故障特征庫(kù)數(shù)據(jù)，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的診斷性能。

3.3 實(shí)現(xiàn)流程

利用特征庫(kù)完成周期輪詢監(jiān)測(cè)，再通過(guò)智能分析獲得各項(xiàng)監(jiān)測(cè)以及診斷參數(shù)?？梢园凑找韵虏襟E對(duì)各類異常與故障情況進(jìn)行診斷。

步驟1：對(duì)監(jiān)測(cè)狀態(tài)繼續(xù)初始化，獲得額定閾值并建立故障特征庫(kù)；

步驟2：利用周期輪詢方式獲得站控層設(shè)備的進(jìn)程狀態(tài)，從而達(dá)到在線監(jiān)視的效果；

步驟3：智能分析各項(xiàng)異常參數(shù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)站控層的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)判斷，根據(jù)實(shí)際變化幅度對(duì)關(guān)聯(lián)被監(jiān)測(cè)對(duì)象實(shí)施告警分析；

步驟4：結(jié)合實(shí)際得到的故障診斷結(jié)果給出合適的修復(fù)建議，判斷是否要進(jìn)行修復(fù)及采取何種修復(fù)方式，并發(fā)出故障告警信息。

目前，該智能變電站監(jiān)測(cè)端口系統(tǒng)已經(jīng)在一些智能變電站上應(yīng)用，包括國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司某480 kV智能變電站(操作系統(tǒng)為RHEL6.5)、江蘇國(guó)網(wǎng)南京南瑞集團(tuán)公司某360 kV智能變電站(操作系統(tǒng)為solaris10)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)該智能變電站監(jiān)測(cè)端口系統(tǒng)成功監(jiān)測(cè)出通信功能異常、程序內(nèi)存泄漏等方面的不足，并及時(shí)把告警信息上傳給調(diào)度主站，通知維修及時(shí)維護(hù)異常設(shè)備，使異常故障得到快速處理，有效提升運(yùn)行、維護(hù)效率。

4 總結(jié)

客戶端由硬件監(jiān)測(cè)模塊和業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)模塊組成；服務(wù)端可以完成參數(shù)計(jì)算、故障分析以及警報(bào)信息傳輸?shù)墓δ堋＿x擇數(shù)據(jù)變化作為分析依據(jù)，構(gòu)建得到具備周期動(dòng)態(tài)變化特征的輪詢方案。該方法可以對(duì)跟現(xiàn)有被監(jiān)測(cè)對(duì)象存在聯(lián)系的其它被監(jiān)測(cè)對(duì)象都進(jìn)行綜合處理。

通過(guò)分析獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、異常結(jié)果以及故障警報(bào)參數(shù)，構(gòu)建了相應(yīng)的分析模型。根據(jù)站控層設(shè)備產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)異常統(tǒng)計(jì)結(jié)果與故障記錄，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以產(chǎn)生大量異常數(shù)據(jù)，由此構(gòu)成最初的故障參數(shù)庫(kù)。利用特征庫(kù)完成周期輪詢監(jiān)測(cè)，再通過(guò)智能分析獲得各項(xiàng)監(jiān)測(cè)以及診斷參數(shù)。