电力数据集约化状态预警与诊断主站平台设计

张 炜，邓雨荣，吴秋莉，陶松梅

(广西电网公司电力科学研究院，南宁市530023)

0 引 言

输变电设备状态监测与诊断技术是防止电网事故第1 道防御系统中的关键技术之一［1］，也是智能电网实施的关键环节。目前，急需建设面向广域设备分布的标准化、统一化的状态预警与故障诊断系统，来满足未来智能电网对全景状态信息监测与共享的要求，为全面推广省网级变电设备精益化管理，提高设备运行的安全性、稳定性提供综合管理平台。

现有的输变电设备状态在线监测与诊断技术的研究主要倾向于以单台设备为目标，状态监测种类及目标多，导致省网级状态预警与诊断平台信息分散、管理复杂［2-4］。同时随着系统及高级应用功能的不断增加或升级，更加凸现整合后平台的异构性问题。具体表现如下:(1)通信网络异构，采用多种不同的通信网络技术构建不同的网络传输平台;(2)高级应用功能异构，第三方开发的应用程序的数据标准不一致;(3)数据格式异构，各子系统的多信息源数据以各种不兼容格式存储。由于异构问题无法满足对省网级全景状态信息监测与共享要求，难以对设备运行状况进行统筹分析和决策，因此，必须建立可靠、统一，能够实现信息的纵向贯通与横向共享，以及支持智能电网状态评估、故障诊断等类型应用的状态监测集成平台。

本文基于Java2 平台(Java 2 platform enterprise edition，J2EE)框架实现分层模型，并通过数据模型基于公共信息模型(common information model，CIM)及面向服务架构(service-oriented architecture，SOA)解决平台异构问题，建立可靠、统一，能够实现信息的纵向贯通与横向共享平台，实现对变电主设备多维度的状态预警与集约化的分析诊断。

1 建设目标

根据生产业务需要及状态监测发展趋势，省网级状态预警与诊断平台需对所辖区域的变电主设备运行状态进行集中监测，实现电网重要变电设备的安全预警、故障诊断，为变电运行管理提供决策信息支持。

平台面向各类变电设备，集合多种预警技术和数据类型，构建覆盖全网的多维度实时状态预警体系;并归集在线监测、生产管理信息等系统的数据，实现变电设备集约化诊断分析。同时，各级用户通过WEB 方式，对其运维区域内的变电设备状态进行监测，及时掌握变电设备的运行工况，实现变电设备状态预警与诊断，提高运行维护水平。

2 系统架构设计

2.1 设计原则

状态预警与诊断平台围绕面向省网设备归集状态数据，并实现状态预警、分析诊断等高级应用功能设计开发。

2.2 总体架构

J2EE 平台是在组件技术、分布式计算技术上发展而来的，提供分布式企业应用的最佳架构体系［5-6］。本文基于J2EE 平台设计省网级状态预警与诊断主站平台，并按照“紧耦合系统一体化，松耦合系统集成化”的理念定义平台的各类组件、服务架构及技术层次，来解决平台后期使用中信息兼容，数据交互等异构性问题。

平台在SOA 架构上引入平台与应用分离的概念，其数据模型基于CIM 信息模型建立，高级应用基于组件建立。并采用可扩展标志语言(extensible markup language，XML)、资 源 描 述 框 架(resource description framework，RDF)与Web Service 技术搭建基础数据服务平台，来支持多应用的“即插即用”和新功能的“二次开发”。

在平台J2EE 分层结构中的数据持久层和Web应用层之间增加业务逻辑服务(Service)层，以最大限度减少层间耦合度，在Web 层使用符合模型视图控制器(model view controller，MVC)思想的Spring 开源框架，构建浏览器/服务器(B/S)的应用体系。

2.3 应用功能

平台各应用程序按功能划分为不同组件，由各种组件构成的J2EE 功能应用模块可分布在不同的硬件平台上，而应用程序组件的分布依赖于它所隶属的组件层。平台功能应用模块的设计与开发将分为基础应用和高级应用二大部分，具体见图1。其中，系统的基础应用包含:各专业系统数据抽取、各实时监测系统的通信规约、系统可靠性监测等;高级应用包含:监测预警、分析诊断、状态评价、风险评估、动态增容、检修策略、知识库等模块。

图1 平台分层结构图Fig.1 Hierarchical structure of platform

2.4 数据归集

为适应面向全网状态预警的需要，通过前置系统规约转换软件集中接入早期状态监测系统的状态信息，实现对原有系统监测数据的包容;对新建且支持IEC 61850 规约的在线监测系统，站端状态信息直接远传至平台服务器。

同时，为实现多维度预警与集约化诊断，平台归集生产管理信息(生产MIS)、技术监督、辅助决策、调度SCADA 等系统数据。

3 系统集成和接口

由于电网运行实时信息开始走向标准化、信息化、数字化［7-9］，平台应用程序接口，横向与支持数据采集与监控系统、地理信息系统等的应用程序接口标准IEC 61968 接轨，纵向与支持变电站的应用程序接口标准IEC 61850 互补接轨，实现数据归集。

3.1 系统集成架构

系统集成架构关键在于平台与其他系统的数据交互满足以下要求:(1)信息交互基于SOA 架构实现相关模型、图形和数据的发布与订阅，并完成与其他系统之间的信息交换和服务共享;(2)信息交互遵循拓扑模型和数据的来源及维护唯一性、设备编码统一性、描述一致性的原则;(3)在满足电力二次系统安全防护规定的前提下，信息交互总线具有通过正/反向物理隔离装置跨越生产控制大区和管理信息大区的能力;(4)具备IEC61850 的MMS 通讯能力。系统间数据交互如图2 所示。

图2 系统间数据交互接口框图Fig.2 Data exchange interfaces between systems

3.2 主设备数据中心接口

省网级状态预警平台建设中往往存在数据通信异构问题，难以共享设备状态数据和有效发挥平台集约化诊断分析的作用。因此，平台通过建立主设备数据中心(数据库)转换组件，实现编码映射以及模型转换，并通过事件机制或定时机制，对保存在主设备数据中心的数据进行同步及共享。具体数据类型包括:离线试验数据、SCADA 调度数据、生产MIS 系统数据、状态评价及风险评估辅助决策系统数据、技术监督系统数据。通信接口如图3 所示。

图3 平台与数据中心通信接口示意图Fig.3 Communication interface between data center and platform

3.3 在线监测系统接口

在线监测数据为平台基础数据的重要组成部分，可实现平台多维度实时预警。其系统服务调用遵循“在线监测数据传输规约”、“在线监测图谱数据格式规范”。主要数据包括监测装置、监测类型及监测数据、告警事件消息及统计类数据。所检测数据举例说明见表1、2。

表1 变压器监测接入信息Table 1 Transformer monitoring information

3.4 高级应用服务接口

平台支撑软件以SOA 服务的方式，按照CIM/CIS 信息规范为其他高级应用软件提供标准、统一、规范的各类数据交互服务接口。该方式便于平台高级应用功能模块的扩展，灵活适应第三方开发高级应用的异构网络。高级应用服务接口如图4 所示。

表2 断路器监测接入信息Table 2 Breaker monitoring information

图4 高级应用服务接口Fig.4 Advanced application services interface

3.5 数据录入接口

需手工录入的基础数据包括结构化和非结构化的数据，由相应人机界面完成。

对结构化数据，根据数据本身的特性，制定数据解析规则或通过正则表达式对数据进行解析;并在校验后通过设备编码进行关联。其校验方式、设备编码关联包括自动和手动2 种方式。

对非结构化数据，根据不同数据格式，如:文本、图片、视频等，通过人工匹配的方式与设备建立关联并集成到设备数据模型中，其关联关系将作为结构化数据进行保存。

3.6 编码体系

编码原则兼顾唯一性、适应性、扩展性、易用性。编码方法与生产MIS 一致，包括设备台帐参数编码、设备状态量编码、设备状态量值编码。

在此原则上构建包含数据接入层、模型驱动层、编码层的自适应统一编码体系;同时基于CIM 模型并根据设备层次关系及应用需求，将编码对象分为枚举型、层次关系型、拓扑关系型［10］。编码体系可用于构建编码库、建设系统模型，并实现规则定义、编码校验、模型升级等具体功能。

完整的编码模型规避实际应用中的数据格式异构，适应于状态预警长期发展的趋势，且便于平台在后期使用中与其他业务系统的衔接、移植和维护。

4 数据交互模型

为了实现平台组件化和开放化，在状态预警与诊断平台设计开发时采用CIM 信息模型。平台包含相对独立的高级应用模块，各功能模块的实现难度较大，且功能模块所需要的电网参数、拓扑关系、实时参量等离散数据需要平台开发专用的接口;同时，不同的功能模块之间往往也需要数据交互，二次开发及维护难度增加。因此在开发过程中提供基于CIM 标准的支撑平台，方便各应用模块实现“即插即用”式的组件化功能，以解决数据分散及平台异构问题。

4.1 统一数据模型(CIM)

目前，由于CIM 可将应用软件的数据标准化，故已作为一种电力系统基本的实践公共信息模型［11-12］。平台遵循IEC61970 CIM 标准，针对变电设备状态预警与诊断的需求对CIM 进行扩展，建立了包括设备基础数据、在线监测数据、试验数据、缺陷数据以及设备状态数据等来自多个不同系统的状态监测统一模型。同时，平台提供CIM 导入/导出工具，完成与外部系统的CIM XML/RDF 文件的数据交互。

状态监测统一数据模型融合了IEC61968/61970标准CIM 模型的不同部分以及IEC61850 模型中的相关部分，为系统中不同应用以及其他系统的应用提供了设备综合数据视图，如图5 所示。

4.2 系统图元交互

由于可缩放矢量图形(scalable vector graphics，SVG)是基于XML 文件格式的，具有跨平台应用的适应性和扩展性，已成为电力系统主流的图形标准［13-14］。SVG 文件较GIF、JPEG 格式文件小，运用于平台WEB 和客户机本地解释后，既充分利用了电网各级用户工作站的资源，又减轻了服务器端的负担，可以解决在对省网级广域分布的变电设备进行数据展示、交互和监测时的网络瓶颈问题。同时，由于SVG 是解释性语言，所以平台以图形元素为中心数据交换形式，还具有以下优势:(1)将可视化和数据存储解耦;(2)更易支持每个领域对象的多个表示，图形对象“自然”集合到图中;(3)更易支持图中的背景数。

图5 设备综合数据视图Fig.5 Equipment’s integrated data view

4.3 简单对象访问协议

平台采用的CIM 数据模型通过CIM XML/RDF来描述，并通过简单对象访问协议(simple object access protocol，SOAP)使用HTTP 传送XML。XML是一个开放、健全、有语义的讯息机制，而HTTP 是一个广泛又能避免许多关于防火墙问题的协议。因此，基于SOAP 协议的CIM 模型有利于克服业务系统间的信息壁垒，实现业务系统的并行开发及数据交互，并有助于用户通过WEB 方式使用平台。

4.4 基于CIM 模型的数据库

现阶段行业内数据库主要为基于关系数据库模型，该类型数据具有开放性好、功能完备的特点，利于系统开发及稳定运行。同时，利用关系数据库存储CIM 数据，建立CIM 面向对象模型与关系数据库的映射，可兼顾数据移植性和一致性。基于以上2 点原因，平台采用典型的关系数据库模型存储CIM 数据。

5 结 论

(1)平台投运以来总体运行稳定，电网各级用户反馈信息表明，平台的信息集成提高了信息的利用率，且分析结果准确，应用功能符合实际需要。

(2)该平台在J2EE 平台框架上建立分层架构，并基于CIM 模型实现数据交互，解决平台异构及数据纵向贯通与横向共享的问题，使之具备多维度分析与集约化诊断功能。

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