基于信息融合的智能配网监测平台设计与应用*

锁 军 郭琳云 王建辉 于 杰 孙 锐 郑宇翔

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院 西安 710054）（2.西安兴汇电力科技有限公司 西安 710065）

1 引言

国网陕西省公司为了解决线路开关的维护问题，提高供电可靠性及电力服务水平，自2006年起，先后在所管辖的多个区县供电公司建设了多套TAS功能子站，并且改造现有开关，更换老旧设备及新增一体化智能开关千余套。在TAS功能子站覆盖的配电网范围内，故障引发的停电时间显著缩短、停电影响区域显著减少。截止2017年6月，全省在运的TAS功能子站33套，故障隔离终端3000余台，对故障隔离以及故障判断发挥着重要作用。在省、市公司管理层面，既需要了解配电网线路负荷分布、线路电压、开关状态等运行数据，同时也需要了解智能终端自身的运行情况。为了保证数据的及时、有效、准确获取，确保TAS功能子站及故障隔离终端的正确、安全运行，亟需一种经济实用、维护简单、运行可靠的方法来重点解决TAS功能子站及一体化故障隔离装置的科学管理问题。

随着计算机处理能力的提高与图形技术的发展，信息融合与可视化技术在数据分析与数据挖掘领域得到了广泛的应用。文献［1］介绍了一种基于3G∕4G的配网主设备监测平台，该设计能够有效解决配网主设备在线监测数据无法接入移动终端的问题，文献［2］介绍了一种基于SCADA平台的配网分支监测系统，该系统能够利用GPRS实现配网分支线路监测，文献［3］介绍了一种基于GIS平台的电力配网调度管理系统，该系统利用GIS技术，能够在一定程度上保证配网的供电可靠性。文章在充分挖掘国网陕西省公司运检管理需求的基础上设计了配网运行监测平台，通过对配电终端设备海量数据进行排序与分析，以图形化的方式展现出来，不仅提升了人机交互接口的用户体验，也为管理者实现数据化运营、决策提供了数据支持。

2 配网信息融合技术

信息融合又称为多源信息融合，是指组合和合并多个来源的信息或数据以便形成一个统一结果的技术。起源于军事领域中的多传感器综合应用，往往又叫多传感器数据融合［4］，是对人或动物利用各种感官来获取信息并通过大脑综合分析来认识客观世界的一种功能模拟［5］。配网自动化是随着科学技术发展产生的一门新兴技术，其以数据采集和监控技术、控制保护技术、高级自动化配电、客户信息系统、高级量测体系、DER并网技术、传感测量技术和故障电流的限制技术、高级操作系统和智能技术等智能技术为基础，将现代通讯手段、电子技术作为主要方式，对配电系统进行动态性的、智能化的监控与操作，进而能确保电力系统完成高效运转，为社会生产与生活提供持续性的、稳定性的电力能源［6］。由此可见配网自动化也就是智能配网的主要目标为提高供电效率和供电质量，减少系统运行过程中的安全事故。

基于信息融合与可视化技术，结合各TAS功能子站、智能终端设备的运行工况进行纵向数据汇总及横向数据挖掘，将处理的结果以图形化的形式予以展现，开发一套配网信息融合系统，将设备运行数据（电压、电流、负荷等）与故障信息实现交互及共享，使得智能终端运行工况与设备信息在省、市公司实现“可观、可控”，从而达到垂直化管理的要求，针对不同的管理层级人员，对应不同的主题分析模型，实现有针对性的信息展示分析。

3 配网运行监测平台的设计

信息融合系统综合集成了网络化信息采集与处理、数据ETL、网络安全技术等多种信息处理及计算机技术的应用，系统依靠企业内部网络通讯技术，进一步提高系统的安全性及交互性，能灵活适应用户环境，具有高安全、部署快、使用便捷、响应速度快等特点［7］。

3.1 系统总体部署

系统设计要求服务器集中部署在省、市级公司，县、市级公司配网运行数据通过各自的信息交互总线上传到智能配网系统平台，系统总体部署情况如图1所示［8］。

图1 系统总体部署示意图

融合系统包括TAS检测子系统、TAS终端设备检测、智能终端信号检测。其中，TAS检测子系统可以实现装置总数统计、装置正常运行率统计、装置在线率统计、通讯正常装置统计、通讯异常装置统计、开关状态异常统计、无压有负荷统计、缺相统计、电压异常统计以及电流异常统计，从而进一步实现装置的在线率及正常率统计［9］；TAS终端设备检测分析可以实现开关状态检测、开关保护动作次数统计以及安装接地可靠性检测，对有运行缺陷以及长时间运行的工况异常设备做出科学的识别［10］。智能终端信号检测可以实时检测一体化终端设备安装点的GPRS通信工况，识别通信盲区，为后续的配网建设及设备安装提供数据支持。

3.1.1 系统设计思想

系统整体技术架构采用多层技术体系架构、以JAVA为开发平台和应用环境，采用多层次基于组件的体系构架，实现快速业务系统开发和定制功能，实现用户企业业务系统高可缩放性、高安全性和高可访问性、可重用性及高可维护性的要求。

系统按照分层设计的思路设计、实现，按照用户表现层、业务应用层、数据访问层和数据库层的多层架构设计开发实现。分层实现使得系统开发过程中，数据库管理和开发人员（DBA）与业务逻辑开发人员、界面开发人员之间的工作尽可能地可以并行进行，而且各个开发小组间的协作接口规范、明确、简单，极大地提升平台的开发效率，有效地保障平台开发的规范性和系统质量。

系统客户端主要采用浏览器进行访问和操作，因此，方便、易用的界面风格和用户界面是平台主要的建设内容之一。系统采用最新的web页面开发技术和web2.0规范设计开发，并融入最新的B∕S（浏览器∕服务器）开发技术（DHTML、XML、XSLT、JS、Ajax）［11］，以及 Web2.0技术全面打造先进、友好的客户端体验。3.1.2 系统设计安全机制

系统充分考虑业务系统的信息安全和权限设置，针对基于平台定制和开发的业务系统，支持按照“部门、角色、工作组、个人”多种范围进行授权和权限控制，可以对于系统内部的所有操作及处理权限进行授权，也可以针对记录级别进行授权的细化和完善。确保了系统具有高的可靠性和安全性，提升了系统的权限控制的灵活性和安全性。

系统提供全面、细致、有效的安全机制、日志机制和审计机制，在设计上严格遵循国家有关信息系统安全保密标准的各项要求，提供包括完善的安全保障机制，对文件的网络传输安全和存储安全也要采取相应的措施。

系统在安全性设计上保证Web应用系统的程序和数据安全，即保证Web服务器和数据库安全；保证Web应用系统中各种资源的合法访问，即合理分配用户角色和角色权限；保证用户根据自己的权限范围来访问系统的网络资源，从而保证网络资源受控、合法地使用；保证Web应用系统能够检测被动攻击和抵御主动攻击，即防止窃听和抵御病毒等对信息的泄漏、更改和破坏［12］。

系统提供全面的系统日志功能和日志管理功能，能够对用户登录及对系统的主要操作等进行日志记录。对各接口系统数据交换进行正常运行、警告、报警和出错信息进行日志记录和分级管理，并提供各级管理员的日志查询、日志搜索和日志统计分析功能。

3.2 总体架构设计

基于信息融合系统的结构分为集中式、分布式和混合式三种［13］，本文采用混合式系统结构，能同时传输检测报告和经过局部结点后处理的信息结构示意图如图2所示，此结构保留了集中式的信息损失小的优点，也具有分布式结构的造价低、可靠性高和通信量小等特点，除了上述优点此结构需要的计算资源较大，不过随着计算技术的发展这个缺陷基本可以忽略。

图2 系统总体设计构架

系统设计综合考虑如下因素：系统数据流走向是否正确、能否充分利用现有的资源优势、能否满足业务功能需要及信息产品之间相互兼容等；信息融合系统采用模块化、组件化和分层设计、面向对象的软件思想，整个软件架构，系统逻辑框架分为前置数据采集子系统、数据安全接入系统、后台业务子系统。

3.3 功能架构设计

TAS功能子站可以提供设备的实时工况数据，通过APN网络将实时数据加密传输至服务器中，提供最基本的数据支撑。该子系统通过IEC 104规约与TAS功能子站进行实时数据交互，不仅支持TAS功能子站数据接入，同时通过标准规约，也支持与其他系统进行数据交互。信息融合系统功能总体架构如图3所示［14］。

图3 信息融合系统功能总体架构

融合系统能够经济、合理、科学地利用全省稳定运行的TAS功能子站，通过汇总子站运行情况及一体化终端设备的实时运行工况，将数据安全存储于服务器中，根据省、市公司运检人员的具体需求，进行纵向数据汇总和横向数据挖据，按照地理分布和时间顺序，自动形成各种可视化报表，通过信息融合系统进行数据展示，迅速发现设备隐患与配电网的薄弱环节，为子站系统运维和断路器检修工作提供技术支撑。

通过线路一体化终端设备状态、运行参数实时监控信息的数据挖掘及汇总分析和和可视化展示，使得系统数据在省、市公司实现“可观、可控”，从而达到垂直化管理［15］。信息融合系统图形化反映TAS终端的系统数据供各个层级管理层人员使用，直观展示区域TAS终端分布地图展示，另外结合饼图、柱形图、仪表盘实现多维度、多指标展示系统监测情况。

3.4 数据架构设计

信息融合系统数据来自TAS终端1至N，通过前端设备实时获取数据，经转化后定时交换到中间数据库，再经过前端WEB页面转化为可视图形分析，数据架构如图4所示。

数据架构分为基础数据域、主题数据域、历史明细数据域、其他统计报表数据域。

1）基础数据域：配网设备基础参数、信息日志等；

2）主题数据域：包括各主体指标数据，如开关电流电压状态值、CT变比、开关重合闸次数、开关跳闸次数等；

3）历史明细数据域：包括各类开关设备运行的实时监控信息；

4）统计报表数据域：各类需要统计展示的报表信息，如系统在线率、故障判断率、设备异常率等，统计报表数据域包括各类统计分析和报表数据信息。

图4 信息融合系统数据架构

3.5 系统实际展示

信息融合系统采用图形化展示，使数据更易于理解，一目了然，能够提升用户体验，全局掌握信息，提高工作效率通过信息融合系统数据分析及数据可视化展示，使得不同层级管理部门、县公司直观获取配网运行实时数据信息，不仅可以降低总体投资、便于系统交互共享，同时可以解决县公司运维管理的难题，为后续配网投资建设提供数据支持及有效依据。系统总体展示包含各个TAS子站的运行情况以及所有TAS终端的运行情况，以地图区域划分了系统与设备的覆盖范围。

融合系统的项目监控功能如表1所示，表中选取各个TAS子站在一定时间内终端的在线运行情况。

表1 TAS终端在线运行情况

从表中可以看出，截止某个时间段，各个TAS子系统中TAS终端的运行情况，系统能够准确地计算出设备的正常运行率，以表格的形式向用户进行数据展示，更能直观地了解各个责任区的设备运行情况。

融合系统的故障明细查询功能如表2所示，表中选取了线路运行设备发生的实际故障。

表2 TAS终端故障情况明细

从表中可以看出，故障发生的时间以及故障责任区，能够将故障定位到杆塔号，有利于故障的排查，故障信息能够进行有效存储。

4 基于权重优化算法的一键巡检

随着配网技术的不断发展，定期检修模式越来越难以适应电网的发展，为了保证配网设备安全工作并降低维修成本，维修技术应从定期检修转变为状态检修。状态检修是通过监测设备的状态参数变化趋势来判断设备的劣化状态，在设备劣化状态明显后实施检修的一种检修模式。它根据对设备的日常检查、定期重点检查、在线状态监测和故障诊断所提供的信息，经过分析处理，判断设备的健康和性能劣化状况及其发展趋势，并在设备故障发生前及性能降低到不允许极限前有计划地安排检修。

文章依据配网监测平台，建立配网设备的状态信息数据库，对设备的静态、动态数据实现一致、真实、有效、安全的管理。建立设备状态检修策略，通过对配网设备多源信息的数据分析，加之使用相应的权重分配模型算法，最终得到配网设备的状态评价。利用WEB端实现配网设备状态的监督和预测工作，准确判定设备的状态。设备的状态并不是非好即坏，而是有从好到坏的灰色状态，监督该灰色状态是状态检修的重点。

4.1 模型算法

文章设计的状态检修模型包括：实时运行得分R、历史运行得分H、配网设备状态评价得分S。其中：

历史运行得分H采用扣分制，满分为20分，得分规则为，设备运行一年扣2分，扣完为止；发生过一次故障维修扣2分，扣完为止（故障维修次数人工录入，未录入按0次对待）；例如13年生产设备，进行过1次故障故障维修，则

实时运行得分R采用积分制，满分为80分，得分规则为

其中，R1代表了断路器故障分闸次数得分，满分为10分，R1=10-N1∕100，其中N1为故障分闸次数；R2代表TAS终端温度得分，满分10分，得分情况为-25.0℃～55.0℃，10分；55.1℃～64.9℃，-25.1℃～-34.9℃，7分；65℃～69.999℃，-35.1℃～-39.9℃，3分；70℃以上，-40℃以下，0分；R3代表终端信号质量得分，满分10分，10-（32-N3）×0.5，其中N3为信号质量且N3＜12，R3=0；R4代表终端测量得分，满分15分，测量正常15分，测量异常0分；R5为分合闸状态得分，满分15分，分合闸状态错误1次扣3分，扣完为止；可消缺，手动录入一次维修后默认回到15分；R6为电池状态得分，满分20分，得分情况为26V以上，20分；21-26V，下降1V扣4分；21V及以下，0分。

4.2 实际情况

根据上述算法，能够对终端的健康状况进行一定程度的描述。

算例：2012年出厂的一体化故障隔离装置，发生过1次故障维修，断路器故障分闸次数40次，FTU测得最大温度51℃，最低温度-10℃，信号质量25，互感器测量异常，维修后分合闸状态错误1次，电池电压27V，则该装置状态检修得分为H=20-5×2-2=8分 、R1=10-40∕100=9.6分 、R2=10分、R3=10-7×0.5=6.5分、R4=0分、R5=15-3=12分、R6=20分、R=9.6+10+6.5+0+12+20=58.1分、S=58.1+8=66.1分。

融合系统能够根据模型算法准确的计算各个TAS终端的实际得分情况，等级划分如表3。

表3 TAS终端的实际得分明细

根据上述得分等级划分，TAS终端在系统中的运行情况能够得到更加直观的展示。

5 结语

本文针对国网陕西省供电公司配电功能子站及一体化终端设备运维管理中数据交互共享、主动监控等问题，通过研究配网信息融合技术汇总子站运行情况及一体化终端设备的实时运行工况，研究并开发了一套配网信息融合系统，根据省、市公司的具体业务需求进行纵向数据汇总和横向数据挖据，实现可视化数据展示并自动形成各类图文报表。基于信息融合系统，设计了一种针对TAS终端的状态检修模型，利用合理的得分点划分，能够在一定程度上反应线路在运设备的实际运行情况。

本文设计开发的配网运行信息融合系统，一方面实现了配网功能子站及一体化终端设备的科学管理，另一方面通过数据整合、数据挖掘与分析为配网运行、决策、故障分析提供有效数据支持及指导意义。