智能变电站监测端口系统设计及其实现

张文军， 王晓忠， 易善军， 魏聪

(1. 国网内蒙古东部电力有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010020;2. 国网南京南瑞集团公司(国网电力科学研究院)， 江苏 南京 211106；3. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏 南京 211106)

0 引言

到目前为止，已有较多学者研究了间隔层与过程层的运行保护、智能控制、状态监测等内容，同时获得了许多新的研究成果[1-4]，但很少有文献报道关于站控层系统运行状态的监测以及对其进行故障诊断方面的研究内容。文献[5]有学者通过实验测试了智能变电站中的二次设备运行过程监测情况并提出了相应的优化方法；文献[6]设计了一种可以快速诊断智能变电站系统中二次设备产生回路故障问题的新方法；文献[7]设计了一种可以对站控层进行测试的结构模型，之后测试了站控层监控主机运行模式以及远动装置各项业务功能，但这一方案并没有实现设备的运行监测功能，也无法提前报警提示，不能满足实际变电站的使用需求；文献[8]设计了一套可以实时监控智能变电站状态的高效监测系统，不过不能实现对站控层设备的深入分析。

选择嵌入软件以及无风扇硬件来构建间隔层与过程层，同时将设备的自检结果快速传输至远方，同时还可以对设备的实际运行状态进行快速监测，从而达到很高的稳定性，并实现对运行过程的精确控制[9-10]。在站控层中除了远动设备之外，通常选择自带风扇散热的服务器硬件，不能达到很高的长期运行稳定性[11]。

为提高网络系统以及实际应用过程的安全性，可以利用类UNIX系统来构建变电站的后台操作系统，包括UNIX、Linux、凝思等，与Windows系统相比可以发现，类UNIX系统不能满足普遍性要求，并且实际操作过程较为复杂[12-15]。常规网络与大部分计算机监控软件只能被应用于Windows系统，无法达到跨平台的适应性条件，无法跟站控层中的应用业务进行高效交互，因此无法精确诊断变电站业务出现的异常情况，也无法把故障告警信息直接传输至调度端，不能对智能变电站的运行过程进行高效监视并对运维检修造成了较大干扰[16-17]。

本文重点分析了智能变电站站控层系统的运行监视并测试了后台核心业务的运行状态，在此基础上建立了能够对整个站控层的设备运行情况进行监测的系统，提高了监测效率并在此基础上优化了诊断修复的模式，能够结合设定的异常故障阈值以及特征库，完成异常报警功能，还可以利用告警直传的方法来完成上传调度的过程，对各类问题与隐患进行提前告知，以此确保智能变电站中的站控层设施能够以稳定的状态安全运行。

1 系统结构

系统结构，如图1所示。

图1 系统结构

可以看到组成该系统的具体结构，此系统通过常规C/S结构以分布式的结构被设置在站控层中，在各个监测设备上都设置了客户端，同时在图形网关机上设置了服务端以及存在异常的数据库。

客户端的作用是对本机运行参数进行监测并对各项数据进行收集，包括异常信息、故障参数、日志数据、显示结果等。

服务端负责分析监测到的异常数据并对各类故障问题进行诊断，通过告警直传模式传输各项信息。同时，为确保可以跟站控层业务实现相同的警报信息直传效果，专门设置了监测服务端。

2 功能设计

2.1 客户端设计

客户端分别由硬件监测、一键启停、系统检验、业务监测、软件测试各模块组成，同时各模块又由多种细化功能构成，如图2所示。

图2 模块及功能划分

硬件监测模块需要运用静态与动态两种数据包。对于软件监测模块来说，其功能是对系统的软件运行情况进行监视并对越限问题进行告警，需要使用软件静态配置以及动态监测两种数据包。

业务监测模块的功能是对服务器变电站内各项业务的相关软件运行情况及其异常状态进行告警。组成站控层的各项设备也较多，每个设备分别完成各自特定的功能，并且在不同设备上设置的程序也存在较大差异，这就要求为各站控层设备设置合适的业务监测方式，确保监测系统能够跟变电站的各项业务形成良好融合状态。此模块可以对现有设备的业务进程进行智能诊断，并自动收集故障报文并完成数据存储，还可以通过远程控制来调阅异常数据，对于一些简单的故障可以快速修复。

2.2 服务端设计

服务端可以完成参数计算、故障分析以及警报信息传输的功能。

其中，参数计算与故障分析可以根据获得的数据对故障信息进行准确诊断。可以完成对监测设备各项数据的精确分析，按照设置的阈值并结合实际获得的故障特征分析数据是否存在异常情况，当发现结果异常时则作出异常判定。对故障进行诊断时需利用故障特征知识库并通过推理机进行分析[11]，同时对故障数据通过专家进行诊断并实施智能决策分析，由此获得最优化方案。

告警直传模块可以通过远程方式传输异常告警数据，确保调度端能够实时获取各站控层设备发生的异常情况及各类故障信号，通过分析设备实际运行情况及其运行阶段产生的异常数据进行相应的检修处理[12]，使各类异常情况被快速处理。

2.3 监测策略

对于客户端的监测，进行信息采集时所具备的实时性性能对整个系统的运行效率具有直接影响。因此当服务器保持正常运行状态时，应减小轮询的频率，尽量降低对CPU与内存空间的占用，并在符合告警标准的情况下，能够快速触发轮询监测，由此提升告警过程的灵敏性。是否需要采取告警措施需要根据被监测对象是否达到对应的触发条件，只需判断被监测对象变化程度，再根据变化程度对轮询周期进行适当调节，以此达到所需的信息采集效率。

根据以上分析，本文选择数据变化作为分析依据，构建得到具备周期动态变化特征的轮询方案。该方法可以对跟现有被监测对象存在联系的其它被监测对象都进行综合处理。

通常可以利用下述步骤来完成周期动态变化轮询。

第一步，采集T1时被监测对象和关联对象数据；

第二步，对被监测对象改变值v进行计算；

第三步，当v<0时，采用Tn算法对后续轮询时刻进行计算；

第四步：当v>0时，对Tf和Th数值高低进行判断，当TfTf的情况下，除了需要利用Tn算法计算出后一轮询时刻，还要进一步给出警报信息。

其中，T1为检测对象当前时刻；Tn为被监测对象下一次时刻；v为相邻两次轮询数值差；Tf为故障告函数计算值；Th为故障告警全局阈值。

3 系统实现

3.1 典型故障结构选取

本文通过分析获得的监测数据、异常结果以及故障警报参数，构建了相应的分析模型，需要使用的数据表类型包含故障参数统计表、配置信息表、警报数据表等。典型故障结构选取，如表1所示。

表1 典型故障结构选取

3.2 特征库的选定

异常数据与故障特征数据库，如表2所示。

表2 异常数据与故障特征数据库

根据站控层设备产生的现场异常统计结果与故障记录，监测系统可以产生大量异常数据，由此构成最初的故障参数库。并且，系统还可以选择性更新新出现的异常与故障问题，在告警数据被确定为可将其作为特征数据进行运用的情况下，系统将新增特征库，以此作为判断故障的参考依据。当对站控层的设备形成的异常与故障达到更深入认识程度后，将会产生更大规模的故障特征库数据，同时增强系统的诊断性能。

3.3 实现流程

利用特征库完成周期轮询监测，再通过智能分析获得各项监测以及诊断参数。可以按照以下步骤对各类异常与故障情况进行诊断。

步骤1：对监测状态继续初始化，获得额定阈值并建立故障特征库；

步骤2：利用周期轮询方式获得站控层设备的进程状态，从而达到在线监视的效果；

步骤3：智能分析各项异常参数测试结果，对站控层的设备进行运行状态判断，根据实际变化幅度对关联被监测对象实施告警分析；

步骤4：结合实际得到的故障诊断结果给出合适的修复建议，判断是否要进行修复及采取何种修复方式，并发出故障告警信息。

目前，该智能变电站监测端口系统已经在一些智能变电站上应用，包括国网内蒙古东部电力有限公司某480 kV智能变电站(操作系统为RHEL6.5)、江苏国网南京南瑞集团公司某360 kV智能变电站(操作系统为solaris10)。经过实际应用发现该智能变电站监测端口系统成功监测出通信功能异常、程序内存泄漏等方面的不足，并及时把告警信息上传给调度主站，通知维修及时维护异常设备，使异常故障得到快速处理，有效提升运行、维护效率。

4 总结

客户端由硬件监测模块和业务监测模块组成；服务端可以完成参数计算、故障分析以及警报信息传输的功能。选择数据变化作为分析依据，构建得到具备周期动态变化特征的轮询方案。该方法可以对跟现有被监测对象存在联系的其它被监测对象都进行综合处理。

通过分析获得的监测数据、异常结果以及故障警报参数，构建了相应的分析模型。根据站控层设备产生的现场异常统计结果与故障记录，监测系统可以产生大量异常数据，由此构成最初的故障参数库。利用特征库完成周期轮询监测，再通过智能分析获得各项监测以及诊断参数。