基于模块化自重构的电力应急调度自动化系统设计

江 伟，朱 文，马 光，周志烽，李映辰，张峻诚

(1.中国南方电网有限责任公司，广东 广州510770;2.东方电子股份有限公司,山东 烟台 264010)

0 引言

电力是国家能源的基础性行业，调度作为电力行业运行监控的指挥中枢，承担着系统运行安全、设备稳定运行的责任，调度自动化系统承载上述主要功能，并且能够提供调度监视和运行控制的核心系统，能够保证系统安全可靠，持续稳定运行。而传统调度自动化系统存在着设计和部署模式固定、运行不可拆分、依赖于地面通信等灵活性和适应性不足的问题，为此，本文设计了一种新型的调度自动化系统，具有模块化和自重构的典型特征，并进行了原型验证。

针对电力调度自动化系统的可拆分组合能力研究较少，主要研究集中在调度自动化系统本身不变动下的设计，文献[1]分析了电力调度自动化主站系统的运行分析。文献[2]提出了基于信息差异图模型的电力调度自动化系统组件故障溯源方法。文献[3]分析了一体化技术在电力调度自动化系统中的应用。文献[4]设计了电力调度自动化网络运维平台。文献[5]分析了人工智能技术在电力调度自动化系统中的运用。

其次，调度备用容灾方面，文献[6]分析了基于多系统交互的电力调度备用信息自动统计报送模式。文献[7]分析了移动通信技术在电力调度备用指挥中的应用。

上述文献分析了传统调度自动化系统的设计方式和运行模式，但是针对调度自动化系统在可拆分组合方面的研究仍然较少，尤其是基于模块化自重构的调度自动化系统研究尚属空白。

因此，为提高电网调度自动化系统的灵活性、适应性，本文从我国电网运行需求出发，设计了一种新型的调度自动化系统，该系统基于自主可控技术，具备模块化自重构能力，提升调度自动化系统的健壮性和灵活性。

1 我国电网调度现状

1.1 我国电网调度网络现状

我国电网主要的变电站厂站端均建立了站内、统一的数据中心、监视中心、控制中心和管理中心，实现了全站信息的集中分析和处理，包括顺序控制、智能开票、智能告警、故障分析与决策、状态检修、源端维护、站域控制、经济运行与优化控制等应用。

在主站端，各地主要变电站均不断加强一体化电网运行智能系统的建设推进力度。目前，调度自动化系统主要包括商业软件类和计算硬件类。在南方电网调度、自动化系统应用方面，能够通过设备、冗余、应用冗余配置实现高可靠性，当运行主节点故障后，另外备用节点可替代主节点实现无缝切换。

我国电网通信系统主要以光纤复合架空地线(optical power ground wire,OPGW)和全介质自承式光缆(all dielectric self supporting,ADSS)为主，同时见有少量的管道、光缆、OPPC光缆和海底电缆。其中，同步数字系列(synchronous digital hierarchy，SDH)光传输网分为主干传输网、省干传输网和地区传输网，均采用IP技术。主干调度数据网建设双平面，其他各级网络建立单平面网络，调度数据网已经覆盖调度机构、厂站等各类电网节点。

1.2 存在的问题

光缆网、传输网和数据网等通信网络的抗灾能力仍需要加强，在某些输电线路分区范围内抗风水平较低，线路杆塔倾倒导致通信传输中断，主干网的部分设备超期服役、故障率高，运行单位缺乏相应的备件储备，检修和维护风险较大。

网络设备通常情况下是双网独立配置或者单网冗余配置，主要防止设备宕机故障风险，但一般未考虑到网络设备的特殊性，单一设备网络可能导致整体网络瘫痪，进而导致系统失灵。传统的调度自动化系统都完全基于地面通信网络的正常运行，容灾能力存在着一定风险。

另外，传统的调度自动化系统运行模式单一固定，为提升调度、自动化系统的灵活性、健壮性，有必要进一步从系统设计考虑，与相应的硬件、软件系统进行综合设计，提升系统的综合性能。

2 模块化自重构系统设计

2.1 硬件结构

硬件系统根据调度自动化系统网络进行构建，以局域网为基础，带冗余功能的双交换结构为平台，配置相应的自适应局域网络，实现相应数据的采集服务器相互独立运作。独立运行方式可实现在网络节点内故障以及全网故障情况下的系统可靠性。

其他各调度自动化系统和变电站，采用星型方式与模块化自重构系统连接。当模块化自重构系统分解为母系统和子系统后，通过提出的通信网络进行互联。这种结构高效简单，投资不大。硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构

2.2 数据采集结构

模块化自重构系统数据采集功能可以由分布在不同区域的多个广域节点完成。在系统正常运行时，模块化自重构系统对相应的变电站进行直接采样，将数据发送至后台进行统一处理。在系统分区解列运行模式下，解列之后子系统仍按就近采集的原则对辖区内的变电站进行采集，暂时保证子系统监视控制功能不受影响。子系统通过空天通道将采集到的数据转发至母系统，确保全网调度监视控制功能的正常运行。

作为采集装置的输出，来源于相应前置服务器、前置交换机、安全接入驱动设备以及控制通道的数据构成了分析的基础。前置服务器配置 Linux服务器，采用负载均衡的集群方式工作，协调调度自动化系统之间、网络以及卫星通道之间的联网通信。前置交换机与卫星通信设备以及电力调度数据网络的连接，实现前置服务器的相应功能。卫星通道的通信属于公网通信，通过安全区接入。卫星通道所在的公网与安全一区之间的隔离手段，采用正反向隔离方式。公网安全接入区技术方案是通过模块化自重构系统上使用的一体化集成方式完成。至少配置一台机上的公网前置服务器，传输过程中使用加密信息，达到对厂站遥测数据的实时监视和控制。安全接入区的系统如图2所示。

图2 数据采集结构

2.3 系统软件架构

以系统的硬件平台为基础，设计相应的应用层、支撑平台层和通用层，得到整体的软件结构，如图3所示。

图3 软件结构

通用软件层主要针对模块化自重构系统的各类软件支撑，包括相应的国产操作系统库、国产数据库、可信计算模式及其他应用数据库等。这类通用数据库，可以实现相应系统的自主可控操作。

系统支撑平台层是针对数据和应用软件的支撑，通过分布式消息总线和分布式服务总线实现相应的功能。能提供相应的基础服务和公共服务。前者主要包括多种服务，如报警、存储和权限等；后者包括实时数据查询、图形搜索、人机交互和模型服务。针对上述支撑应用，可以实现以通用层的软件库为操作入口，通过相应的总线服务传递相应的通信，实现信息的广泛交互、广域服务。

应用层是针对支撑平台得到的服务进行进一步应用的主要层级，从而实现各种支撑功能的统一接口。包括广域分布式数据采集及监视控制软件、各种网络建模、状态估计、负荷预测、网络等值高级应用软件和模块化自重构模块，实现图形、模型和数据的自动同步和分发。

2.4 系统运行方式

模块化自重构系统有3种自重构运行方式。

a.子母一体化运行方式。模块化自重构系统的所有节点都承担不同的任务，共同组成整体的OCS系统，系统内各节点的图形、模型、数据和状态至同步进行，包括采集、图模维护、数据存储以及计算告警等。

b.子母分列运行方式。模块化自重构系统拆分成2个系统即子母系统，其中母系统是一套整体运行控制系统(operation and control system，OCS)，子系统是具有采集和监视能力的OCS，最小的子系统由单台节点构成。子母之间有网络通道的情况下，子站能给母站发送数据，母站也可以给子站发送数据，不同步模型、图形和库。子母之间没有网络通路，各自独立监视各自采集部分。

c.子母重构运行方式。子母系统由独立运行合并到一体时， 子母模块的图、模、库和数自动融合为一体，形成1套整体系统。子母重构运行方式如图4所示。

图4 子母重构运行方式

3 系统主要功能

系统提供了1套完整的程序访问接口，该程序访问接口提供了程序所有的访问功能，用户二次开发时无需了解系统的所有程序，就可以开发自己的应用程序。二次开发的程序利用系统提供的通信中间件和数据库中间件与系统融为一个整体。开发和修改后的软件能在线地装入系统中，投入实际运行。

系统的统一支撑平台支持所有的上层应用，包括SCADA、PAS等，它们是统一的整体，完全采用“一体化”的设计方法，包括数据管理的描述、定义和数据存取以及图形、报表、人机界面和告警等，界面统一，一次性维护，大大减轻了维护的工作量。系统的图、模和库一体化功能解决了以往系统中图形、数据库和网络建模因多次输入而可能造成数据的不一致性，提高了系统的整体水平。系统采用统一支撑平台，分布式设计方法，应用层软件均以组件化、集成化为要求统一设计，运行在统一的支持软件平台上。系统可以实现较高的模块化程度，通过扩充用户的功能配置组合，实现用户要求和功能重组。

系统以数据的实时性、稳定性、安全性和可控性为出发点，立足于电力系统的实时动态监控，利用完善的支撑软件实现数据操作，提升调度自动化系统的备用能力。系统的软件架构以Linux操作系统为支撑，配备相应的数据接口，支持标准的IEC 61970信息模型，将分布式数据结构应用于通信网络和系统架构中，采用相应的中间件实现对数据信息、历史信息的同步和存储，从而丰富系统的灵活性、可用性和标准性。

考虑到多任务在电力调度中的要求，需要采用相应的静态配置、动态申请空间的方式，以实现系统的容量随着需求逐渐达到动态目标，从而与相应的分布式数据存储功能相配合，实现软件的相应更新。

4 系统关键技术及应用分析

4.1 分布式总线服务

采取分布式中介技术实现分布式服务总线，通过去中心化设计，消除了传统服务总线固有的性能瓶颈，并通过有效的服务分流机制，实现更为优良的总线传输性能。在分布式中介模式下，中介节点可以按需分布在系统节点之上，构建相应的虚拟服务交换机或虚拟服务路由器。系统基于虚拟服务交换机与虚拟服务路由器，以及动态发现协议，构建出虚拟的广域面向服务网络，实现服务的广域透明访问。相应的虚拟广域面向服务网络示意如图5所示。

图5 分布式服务总线

由图5可知，在分布式服务总线中，连接到相同虚拟服务交换机上的服务调用可以直接进行，不需要通过其他的中介节点来进行转发。在相同域内部，不同节点之间的服务调用通过域内部的虚拟交换机进行，无需通过虚拟路由器。仅在进行跨域的服务访问时，需要通过虚拟路由器进行服务消息转发。因此，分布式服务总线将会充分发挥分布式处理的优势，具备良好的伸缩性，提供广域、快速、高效的服务访问能力。

4.2 分布式消息总线

消息传输子系统的总称，负责系统中消息的传输任务，并提供必要的传输质量保证，为应用及应用支持软件提供统一的信息交换机制，方便各应用使用。消息总线的承载体为消息报文，由消息头和消息体2部分组成。消息头包含消息系统在消息传输过程中所需要的信，消息体包含实际传输的数据。模块化自重构系统采取分布式消息中介技术实现消息总线。消息中介位于消息发送者与消息接收者之间的构件，用于降低发送方与接收方的耦合，主要负责消息的路由与转换工作。

在分布式中介模式下，消息进行了有效的分流，系统内部节点间的消息传递可以直接进行，不需要通过额外的中介节点来进行转发，仅在进行系统间的消息传递时，需要路由节点中介进行消息转发。因此，分布式消息中介将充分发挥分布式系统的处理优势，具备更佳的系统伸缩性，能够支持更大的系统规模。分布式消息总线的结构如图6所示。

图6 分布式消息总线

4.3 分布式实时内存库

系统采用分布式实时内存数据库，将主要的数据分布于系统各节点，节点之间通过相应的物理和逻辑连接实现全网数据共享。通过独立的分布式存储，可以实现多任务并行处理，并且仅需访问属于各自的数据库，无需向全局网络发送请求。在这样的背景下，就具有了较高的系统数据查询准确率和数据查询效率，同时还可以将若干副本备份于相邻节点，有利于系统的可靠性，减少了网络全局搜索的时间成本。分布式实时内存库结构如图7所示。

图7 分布式实时内存库

4.4 应用分析

选择已在南方电网某区域试点的模块化自重构备用调度自动化系统为例，场景为某110 kV变电站出现断路器误动作，为此进行故障排查、检修和恢复供电。采用本文系统与传统手段的处理对比结果如表1所示。

表1 处理结果对比

由表1可知，本文所提出的基于模块化自重构电力调度自动化系统能够在故障排查和故障修复过程大幅缩短时间，相比传统人工排查节约时间成本在60%以上。

另外，针对本文方法，考察在故障数量变化情况下的故障处理时间，结果如图8所示。

图8 同时故障处理时间对比

由图8可知，随着同时故障的开关数量增多，原始手段处理的时间需求比本文所提的备用调度自动化系统的时间需求斜率更高，也就是说，本文提出的系统能够更有效处理多故障情况。

5 结束语

本文提出了基于模块化自重构的电力调度自动化系统，设计了系统的软件和硬件结构，利用实例分析说明了本系统在实际情况下的应用结果。在一体化运行、分列运行和重构运行3种运行方式过程中均能够保证系统的数据、图形和数据库一体化管理，并且能够针对电力系统的备用情况自动切换相应的配置，实现过数据通道的传输不中断，能够有效提升灾备的高级响应效果。