基于透明体系架构的新一代智能录波主站系统设计

李 波 温文剑 杨梓文 颜 丽 曾令森

基于透明体系架构的新一代智能录波主站系统设计

李 波1温文剑1杨梓文1颜 丽2曾令森2

（1. 广西电网有限责任公司梧州供电局，广西 梧州 543002； 2. 武汉华电顺承科技有限公司，武汉 430071）

针对传统录波主站难以支撑最新的“四合一”智能录波器数据量激增的问题，以及拓展二次系统运行可视化和设备智能运维等新型业务的需求，本文提出一套基于透明体系架构的新一代智能录波主站系统。设计主站系统的整体框架，提出功能模块之间的透明运作流程，解决对常规和智能录波器的无差别兼容、异构数据的标准化处理两大基本问题，研究基于虚拟化的任务计算透明技术和基于可视化的运行状态透明技术，通过对过程指标的实时监控和运行状态的全景展示，提高调度对故障的认知水平和掌控力度。实践结果表明，该系统可实现电网级运行状态感知和故障快速处理的目标。

智能录波主站；透明体系；虚拟化；可视化；全景感知

0 引言

目前最新的“四合一”智能录波器集成了保信、网分、二次系统可视化和智能运维四大功能，实现了智能变电站的全景化监控和透明化运作[1-2]，而现有的继电保护调度管理技术远远滞后于智能变电站运行技术的发展，存在信息、数据、计算和运行不透明的问题，难以应对“四合一”智能录波器数据激增和类型繁多的情况，难以满足调度对数据分析过程细节掌控和整体状态直观感受的实际需求[3-4]，在“四合一”智能录波器广泛推广前，展开与之相适应的智能录波主站系统的研究，推进反映电网整体运行状态的主站系统全景信息的透明化，是电力系统领域一个亟待解决的问题。

近年来，随着人工智能、大数据、可视化等技术的不断发展，国内开展了基于智能录波器的主站系统方面的研究。在主站智能化研究方面，文献[5-6]指出基于人工的电网监控运行分析方法已不能满足电网智能化发展的要求，提出构建电网故障智能诊断系统的重要性，但未深入研究常规变电站向智能变电站过渡阶段对异型录波器的兼容问题。在异构数据分析方面，文献[7-9]通过对异构数据屏蔽语义差异进行聚合分析和信息挖掘，但对异构数据的差异性进行标准化处理的细节描述不详。在运行状态可视化方面，文献[10-11]主要研究智能变电站报文的可视化方法及二次电缆回路的图形呈现，偏向于变电站侧局部数据的展示，且未建立可视化内容向主站侧传递的有效途径，信息利用方面存在一定的局限性。基于“四合一”智能录波器且能主动反映电网整体状态的主站系统可视化方面的研究较为鲜见。

基于此，本文结合李立浧院士提出的透明电网先进理念，将小微智能传感器、智能设备和软件平台等元素搭建的电力系统物联网架构融入录波主站系统架构设计中，利用“四合一”智能录波器监测到的故障数据、设备状态、网络链路和可视化数据等，在调度侧进行高层次抽象，设计一套基于透明体系架构的新一代智能录波主站系统，集中监测和展示数据处理过程中的关键指标和全网运行状态，调度支持从数据判断型向透明感知型转变，提高调度对故障的敏感度和决策效率。

1 新一代透明体系录波主站整体架构设计

新一代录波主站系统透明体系架构如图1所示，实现对电网信息的细粒度透明展示，满足用户动态化的信息查询和定制化的服务请求。透明体系架构包含数据集中层、业务逻辑层和透明展示层三个部分。

图1 新一代录波主站系统透明体系架构

1）数据集中层：将所属辖区内的变电站进行一站式数据接入，开发规约转换算法库，进行数据的即时通信和快速集成，统一进行数据清洗、容错和转码等工作，将格式统一的数据存储于分布式数据库，为业务逻辑层提供基础数据透明服务。

2）业务逻辑层：对不同门户的业务逻辑进行设计，利用大数据和人工智能等技术手段，进行数据深度挖掘和关联分析，提供综合评估结果[12]，根据主站系统故障分析、智能巡检和运行状态等信息，主动分析电力系统中的薄弱环节，将故障或潜在问题进行等级划分和智能告警。

3）透明展示层：面向不同对象的需求，将业务逻辑层不同门户处理后的信息，进行封装并整合到服务端，实现集中调度、动态管理的目标。将系统管理的故障信息和发布渠道、动态图元等元素进行关联，实现可视化界面细粒度按需定制，通过电力系统整体状态的透明展示，提高主站对调度的决策支持力度。

2 新一代录波主站系统透明运作流程

新一代录波主站系统透明运作流程如图2所示，由信息透明、数据透明、计算透明、运行透明四个步骤组成。

图2 新一代录波主站系统透明运作流程

1）信息透明：建立不同型号对应的通信服务模型和统一数据转出接口，实现非同型设备之间的数据特征识别和通信服务自适应，确保一站式无差别接入。多来源数据异步处理，提高通信服务器资源在透明体系下的目标转换效率，确保录波器连接和数据接收的可靠性。

2）数据透明：适应全网智能与常规型号的故障录波器及主站智能化报文格式的无损转换，采用了友好容错和安全转码技术，对不符合规范的数据直接在主站端调取一次定值模型，重新生成标准配置参数，摆脱格式不规范对数据存储和分析的影响。

3）计算透明：通过对数据的分拣和任务的分类，优先处理有明显故障特征或有开关变位标识的录波文件，利用虚拟化的任务透明计算技术，根据系统当前资源消耗情况为不同类型和大小的任务合理匹配虚拟机资源，同时监视和管控任务执行进度，及时释放空闲资源。

4）运行透明：系统的故障信息发布、可视化展示和智能巡检等功能，面向用户实现系统信息的细粒度定制和可视化展示，以及自身及所连接录波器的运行、通信、定值配置等情况的自动巡视，支持巡视结果编辑和输出等。

面向服务对象进行细粒度需求内容的定制，实现事件定义、信息共享和人机交互的透明运作模式，提高新一代智能录波主站的综合服务能力。

3 常规变电站向智能变电站过渡阶段基本问题的解决

当前智能变电站和常规变电站处于共存的状态，智能录波器和常规录波器的结构和数据的量级都有较大的区别，新一代智能录波主站系统在适应常规变电站向智能变电站过渡过程中，首先需要解决现有信息和数据不透明两大基本问题，完成异型录波器无差别接入和异构数据标准化处理，便于后续程序装载运用。

3.1 常规和智能录波器无差别接入的可靠性处理

新一代透明体系录波主站通信规约自适应逻辑结构如图3所示，由于常规录波器厂商自有规约基本是IEC 60870—5—103规约的变种，智能变电站录波器遵循IEC 61850标准规约，因此新一代智能录波主站系统应至少能同时适配以上两种规约的通信框架，在与标准规约保持同步的同时，还具备向下兼容的能力，以适应现有大部分常规变电站录波器规约向完全遵循标准规约的平滑过渡。

图3 通信规约自适应逻辑结构

非标准规约上传的远动数据按标准规约定义的信息模型进行重组，具体的规约转换步骤如下：

1）规约解析。将非标准规约录波器监测的模拟量和状态量信息，解析成遥测和遥信等变电站规约信息，将解析后的信息存入实时数据库中。

2）自适应转换。根据IEC 61850标准中的定义，建立非标准规约向标准规约转换的信息模型；根据录波器属性信息和非标准规约通信结构特点在算法库中进行规约转换映射关系的自动匹配加载，将其他非标准规约进行自适应转换。

3）信息透明。将实时数据库中解析完成的变电站信息，向对应的IEC 61850转换网关信息模型的对象属性进行映射，完成不同规约的标准化转换，实现常规和智能录波器无差别接入的通信需求[13-14]。

3.2 异构数据标准化处理的质量提升

智能、常规录波器记录的数据类型不同，“四合一”智能录波器的数据更为丰富，不仅有录波数据，还包含网络报文、二次系统的可视化数据和运维数据等，透明体系录波主站统一进行异构数据的友好容错、安全转码和透明访问等标准化处理，流程如图4所示。

1）友好容错：对不符合标准的数据识别为非标准数据，利用通用补偿列表或调取一次定值模型等方式生成标准参数配置信息，对非标准数据调取适配的函数进行数据补全或重复数据的剔除等操作。

图4 数据透明标准化处理流程

2）安全转码：利用参数差异度指标衡量异型录波器模型参数之间差异的大小，不同来源、不同类型数据做细粒度处理，匹配到IEC 61850信息模型统一参数描述的数据通道，波形数据使用希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang transform, HHT）算法平滑滤波降低噪声干扰，提高数据的平滑性，其他类型数据聚合后进行一致化处理，最终实现数据无损和安全转码。

3）数据透明：将异构数据采用模板中间件映射为统一格式的数据文件，主站进行数据访问接口的集中管理，实现数据的集控式透明访问[15-16]。

4 新一代透明体系录波主站系统实现的关键技术

在解决常规变电站向智能变电站过渡阶段信息和数据不透明两大基本问题的基础上，新一代透明体系录波主站系统的实现采用基于虚拟化的任务计算透明和基于可视化的运行状态透明两个关键技术。

4.1 基于虚拟化的任务计算透明技术

面对海量录波数据，利用虚拟化技术，抽象录波主站系统底层硬件资源，使硬件资源底层之间的差异做到透明，便于资源控制器对不同的虚拟计算资源进行统一调度和管理。

虚拟机是物理机CPU、内存、硬盘和网络带宽分割后的一个个容器，具备物理机处理问题的能力和属性。基于虚拟化技术的任务透明计算模型如图5所示，不同类型任务运行于由通信、存储、分析和发布服务器资源分割后的虚拟机中，多窗口任务的透明计算实际上可以转化为任务处理效率或资源优化利用的问题[17]。利用剩余资源反馈机制的资源优化算法，将任务分配到动态负载均衡筛选出来的处理节点上，缩短计算时间，降低CPU和内存等资源的占用[18]。

图5 基于虚拟化技术的任务透明计算模型

4.2 基于可视化的运行状态透明技术

智能变电站采用的IEC 61850报文艰深难懂，专业性门槛较高。系统采用可视化的图形界面对繁琐报文进行“翻译”，可提高数据的直观性和利用率，帮助调控人员快速掌握电网运行情况。

基于可视化的电网运行状态透明展示如图6所示，主站配置可视化环境和工具，采用多通道输入实现不同展示内容的快速互换，以细粒度定制和可视化的方式实现电网运行状态的透明，既可展示整体，又可近观局部。

图6 基于可视化的电网运行状态透明展示

主站系统利用“四合一”智能录波器的网络报文、二次系统的可视化数据集中展示通信链路通断和电网全景状态，利用运维数据进行全网设备状态感知和评分，实现电网信息的整体透明。

运行透明主要包含：

1）事件的请求和响应。调度人员通过浏览器提交需求后，系统通过建立client和server之间的连接，解析需求内容，查询数据库中与之匹配的静态或动态数据源，查找结束后返回数据。

2）多视图界面的编辑。将事件数据进行整理和提炼，封装为图形展示组件，提供图形化编辑的支持；将可视化表现形式如饼图、曲线、表格、树图、鱼骨图和柱状图等用户界面（user interface, UI）控件封装为自定义组件；通过脚本语言进行数据绑定、画面布局及可视效果转换等操作。

3）运行的可视化展示。系统提供图形化的界面，可局部展示所关联智能设备的实时状态，亦可统计、分析、评分和可视化呈现电网整体状态，透明掌握电网运行全景信息[19]。

运行透明实现了全网设备运行状态的快速感知，调度站在全局视角进行状态等级评定和资源统筹协调，实现智能运维的目标[20]。

5 应用实例

5.1 监测指标的提取

提取海量故障录波数据分析过程监测的关键指标见表1，基于监测指标所反映的计算过程中系统性能的考量点，启动自适应分析功能，分析系统性能瓶颈，通过对资源耗费情况的主动检测，对资源运行过程中的系统性能进行主动评价，定期释放闲置资源，保障系统的持续高性能。

表1 故障录波数据分析过程监测的关键指标

5.2 实例分析

传统多机协同主站架构主要适用于处理常规录波器故障数据业务，不能支持“四合一”智能录波器规约转换、二次设备可视化、运维数据的有效利用和展示，对智能站无数据处理能力，而新一代透明体系主站架构在适应“四合一”智能录波器的同时，也极大程度地兼容现有的常规录波器，面对“四合一”智能录波器数据成倍增加的情况，主站具备较好的资源动态协调和数据快速处理能力，且对故障分析过程进行实时监测、数据统计和可视化展示，对故障情况的直观表达有助于调度人员及早发现和处理问题，实现电网全景信息的整体透明。

为了验证新一代录波主站透明体系架构的优势，选取广西某供电局2座常规变电站和2座南方电网的3C绿色示范智能变电站作为试点，覆盖目前国内9大主流厂商录波器，采用透明体系架构进行主站系统的搭建，从信息、数据、计算和运行透明四个角度，建立异型录波器兼容、数据稳定传输、标准化处理、虚拟机计算和可视化展示等指标予以考核，针对性地统计传统多机协同架构主站对应指标数据，并进行两种主站架构的异构数据处理效率指标比对，其结果见表2。

表2 两种主站架构的异构数据处理效率指标比对结果

从表2可以看出：

1）透明体系架构具有较好的兼容性和传输稳定性，更适合对数量多、类型广、维度高的异构数据进行一站式接收和处理。

2）采用透明计算模式，对分类后的任务和资源分配寻求动态平衡，主站的计算效率提升80%，有效缓解了计算耗时对调度决策延时所带来的影响。

3）可视化展示细粒度定制化内容的效率控制在1min以内，加强了调度对故障和告警信息的直观感受，提高调控机构的认知能力和决策水平。

6 结论

本文提出的基于透明体系的新一代智能录波主站系统，与新一代“四合一”智能录波器全景可视化发展相匹配，改变了过往调度管理技术滞后于智能变电站运行技术发展的局面，解决了电网运行状态感知和智能运维“最后一公里”透明的盲区，是一整套全网信息透明化的调度决策支持解决方案。实践结果表明，基于透明体系架构的新一代智能录波主站系统在设备兼容、数据转码、透明计算和可视化展示方面较传统主站有飞跃性的提升，可以有效解决故障分析过程和系统运作不透明的问题，可形成对全网运行状态的快速感知和可视化监视，实现透明体系往调度侧的延伸和迈进。

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Design of new generation intelligent recorder master station system based on transparent architecture

LI Bo1WEN Wenjian1YANG Ziwen1YAN Li2ZENG Lingsen2

(1. Wuzhou Power Supply Bureau, Guangxi Power Grid Co., Ltd, Wuzhou, Guangxi 543002; 2. Wuhan Huadian Shuncheng Science Technology Co., Ltd, Wuhan 430071)

Aiming at the problem that the traditional recorder master station is difficult to support the data explosion of the latest “four in one” intelligent wave recorder, as well as expanding demands of the secondary system operation visualization, equipment intelligent maintenance and other new business, a new generation of intelligent recorder master station system based on transparency architecture is proposed. The overall framework of the master station system is designed. The transparent operation process of the functional modules is proposed. Two basic problems of the indiscriminate compatibility of conventional and intelligent recorders and the standardized processing of multi-source heterogeneous data are solved. Virtualized task computing transparency and visualized operation status transparency technology are researched. The level of awareness and control of faults in scheduling is improved through real-time monitoring of process indicators and panoramic display of operating status. Practical results show that the system can achieve goals of grid-level operation status perception and rapid fault handling.

intelligent recorder master station; transparent system; virtualization; visualization; panorama perception

2021-03-03

2021-04-01

李 波（1975—），男，广西壮族自治区岑溪市人，硕士，高级工程师，主要从事继电保护运行维护工作。

中国南方电网公司科技项目（GXKJXM20190701）