电网调度故障追忆系统的设计与实现

郑 涛 邹 乐

（1.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192；2.合肥学院人工智能与大数据学院，安徽 合肥 230601；3.中国国际人才开发中心有限公司，北京 100044）

1 引言

随着社会的发展、新型智慧电力系统的建设和完善，智能电网逐步发展成为社会的重要基础设施，由于电力系统多元化发展使得其跨多领域综合集成实现了多个领域的新突破，同时高度复杂的集成运行环境对新型电力系统的安全性、稳定性、健壮性等方面提出了更高的要求。电网调度自动化系统是由稳态监控、高级应用、AVC、AGC、WAMS、调度数据网、安全防护设备等多种资源集成的信息物理系统[1]，拓扑结构复杂，设备类型多数量庞大，多级业务与软硬件紧密耦合，使得电网系统故障追忆变得复杂繁琐，查询周期长，定位故障困难。

调度自动化基础数据信息是否完整、准确、可靠，直接影响着调度自动化系统功能的在线应用水平以及电网运行人员对电网运行状态的判断和控制能力。电网系统故障追忆是智能调度自动化系统中非常重要的功能，系统根据预定义的事故触发条件包括设备位置、保护信号动作状态、模拟量和数字量数据等，形成事故分析的数据基础[2]。这些预定义的触发事件包括设备状态变化、测量值越限、计算值越限、测量值突变、逻辑计算值为真、操作命令等。通过故障追忆功能，可以将保存的事故数据进行重现与查询，反映出事故前后一段时间电网的实际运行状态，调度人员和运维人员可以方便有效地分析事故的原因，调整电网的运行方式，避免系统安全隐患引发大电网事故，从而保障了电网的安全经济运行。

因此建立一套可以进行故障定位和故障追忆的实时可视化系统有着极为重要的现实意义，对提高故障判别准确度和及时定位故障原因有着重要的实用性。对此本文研究和设计了一套电网调度故障追忆系统，对电网相关数据进行深度挖掘、分析和利用，发掘数据内部蕴涵的信息、数据间的关联关系等，该系统提高了电网运行全局分析能力和主动预判能力。

2 系统需求分析

在功能需求当中由于电网调度自动化故障追忆系统涉及到前端服务和后端服务，因此包含前端系统功能需求和后端系统功能需求。

2.1 前端系统功能需求

（1）系统管理：包括用户管理、角色管理、菜单管理、部门管理、岗位管理、字典管理、参数设置、通知公告等功能。

（2）告警管理：实时告警和历史告警信息展示和查询功能。

（3）智能值班：具备智能交接班、智能专家库、专家库管理等功能。

（4）平台监视：包括通道状态、磁盘状况详情、网卡状态、内存资源、应用状态详情、服务器状况等进行监视和分析功能。

（5）运行监视：包括对遥测封锁、告警抑制、人工挂牌、遥信封锁、母线不平衡等系统运行情况监视和分析功能。

（6）统计分析：提供实时运行信息的统计与分析功能。

（7）系统监控：提供在线用户、服务监控、缓存监控等实时展示功能。

2.2 后端系统模块设计

（1）系统管理模块：设计包括账号管理子模块、菜单管理子模块、字典管理子模块、参数设置子模块、通知公告子模块等后端实现。

（2）告警管理：包括实时告警接口数据与动态刷新机制，历史告警接口和信息查询分类数据组织等。

（3）智能值班：包括值班缺陷分级统计，系统巡视记录、工作票许可、需交接的工作台账等。

（4）平台监视：包括监控总览、磁盘占用TOPS、CPU占用TOPS、网卡状态实时监视等进行仪表盘、柱状图、曲线等可视化实现。

（5）运行监视：对实时信息的告警域进行分析判断，依据判断信息进行操作数据的分类展示。

（6）统计分析：统计告警信息，提供查询分析。

（7）系统监控：设计实现在线用户监控、服务监控、缓存监控等后端逻辑。

2.3 系统功能模块设计图

图1 系统功能模块设计图

2.4 性能需求

（1）稳定性：设计综合测试场景对系统高峰期使用人数、各事务操作频率进行测试，模拟在线访问量和并发量的高峰期，系统各性能指标在这种压力下是否能保持正常数值。系统是否会在运行期间内发生如宕机、应用调线等异常情况。

（2）抗压性：模拟服务器系统高峰期使用人数，验证各事务在并发数（通过高峰期人数换算）下事务响应时间能否达到客户要求。

（3）容错性：通过模拟一些非正常情况（如：服务器突然断电、网络时断时续、服务器硬盘空间不足等）验证系统在发生这些情况时，是否能够有自动处理机制以保障系统的正常运行或恢复运行措施，验证其能否有效触发保护措施。

（4）安全性：前端和后端管理两个系统都需要登录权限，只有通过用户名和密码验证登录系统后才能进行操作，根据角色、部门和岗位等不同，权限也不同。

3 系统架构设计

3.1 系统总体架构设计

系统总体设计目标是利用SSM集成架构和数据缓存Redis搭建一套电网调度故障追忆系统，对此系统结构进行分层设计，整个系统基于B/S模式进行开发，而电网调度故障追忆系统的数据通过共享智能电网调度支持系统的采集数据，需要进行共享镜像存储、提取转换、高速缓存和数据持久化等步骤。因此整个系统的数据流程是先利用智能电网调度支持系统采集的一区数据同步到三区后解析再存入Redis，然后按照前端实时请求进行实时数据请求响应，同时将历史数据和实时数据同步存储到镜像达梦数据库中，为后续的故障预测、数据分析等大量数据运用处理过程事务提供数据源。所以根据数据流向和功能进行划分，本文将整个系统软件结构分为应用层、表示层、数据层[3]。

如图2所示，数据层采用智能电网调度支持系统三区镜像库数据传输到Redis服务器上进行解析和存储，提供更加结构化的数据源；应用层则是利用数据库中存储的数据进行模块化的功能处理，诸如应用状态监测显示、设备关系、故障分析预测等，使用SSM框架进行设计解耦，独立封装各模块功能，对客户端的数据请求给予异步实时响应[4-5]；而表示层通过浏览器页面对故障追忆系统数据的诸多处理运用结果进行可视化的显示和展现。B/S架构是基于浏览器/服务器的体系结构，在当前与未来全球IT技术的应用领域，B/S架构是主要的解决方案[6-7]，采用B/S架构对于项目实施的可行性有以下帮助：

图2 系统架构设计图

（1）具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。

（2）系统的相对集中性使得系统的维护和扩展变得更加容易。

（3）界面统一（全部为浏览器方式），操作相对简单；维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。

（4）业务规则和数据捕获的程序容易分发。

3.2 平台层逻辑架构设计

平台层主要实现数据处理、数据接入及告警管理等功能，打通EMS、OMS、TMR、网安系统、缺陷管理系统、智能告警平台等多套系统壁垒，实现数据集成及统一管理。

专家知识库主要是根据自动化运维专业知识和大量的历史经验，汇集生成AI智能知识库，通过应用人工智能技术和计算机技术，根据运维人员提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟运维专家的决策过程，协助解决需要运维专家处理的复杂问题。

3.3 应用层逻辑架构设计（人机交互）

电网调度故障追忆系统基于智能电网调度支持系统设计开发，系统采用基于Web的B/S的架构设计实现，部署于管理信息大区的安全三区，充分利用自动化管辖的各类系统现有资源，通过融合各系统关键数据进行大数据深度挖掘分析和功能开发，实现多系统智能监视、智能统计分析、故障自动辨识与处理、智能交接班、智能专家库构建等功能，大力降低自动化班组运维负担，全面提升自动化专业的运维管控能力和自动化系统安全运行水平，人机交互的数据业务流程图如图3所示。

图3 数据业务流程图

图4 系统网络拓扑设计图

资源监视和运行监视主要根据自动化运维管理指标要求对各系统硬件、软件、网络和服务器资源状态（磁盘空间、内存、CPU等状态）、通道状态、重要进程、安全态势等进行周期性巡检，自动化形成巡检报告、值班日志、故障异常清单和预警提示，为统计分析及故障智能辨识等功能提供计算依据。

统计分析模块主要是实现频发告警统计、总加追忆分析和通道中断分析，实现对告警频发、跳变数据、通道异常的智能统计分析，协助发现并解决系统异常问题，助力大电网安全稳定运行。

故障追忆模块主要根据历史故障及人工经验，对告警进行相关性分析并识别告警之间的关联关系，形成各类故障的统计分析样本，自动分析研判故障点，当故障发生时按照故障标准化研判流程实现故障的自动研判。

4 系统网络拓扑设计

计算机系统的网络拓扑结构是通过网络节点与通信设备之间的几何关联关系表示网络实体结构，反映出网络中各实体间的结构和层次关系。

系统硬件根据功能要求配置，以满足系统容量和技术性能指标的要求。同类服务资源可以互相支援和互备，所有会影响应用功能的关键性设备均采取冗余配置。系统的硬件设备包括服务器、工作站、网络设备、安全防护设备和其他辅助计算机设备，系统组网方案如下：网络横向上分为安全I区、II区及安全III区，纵向上分为调度主站—变电站两级，横向及纵向边界上均部署真实的纵向加密、正反向隔离、防火墙等安全防护设备，与电厂的第三方边界上部署无线安全接入区。本系统设计的服务器等设备放在安全III区，分别是数据汇集分析服务器、故障追忆分析服务器、Web数据发布服务器、监控工作站、大屏展示等，通过nginx服务器来实现HTTP和反向代理以及负载均衡，当出现高并发访问时，可以增加服务器同时利用Redis缓存技术来减轻达梦数据库和服务器的压力[8]。

5 关系数据库设计

关系数据库采用国产达梦数据库V7.0，关系数据库实体表主要有用户表、角色表、系统菜单表、部门表、岗位表、操作日志表、通知公告表、登录信息表、系统日志表、字典表、系统配置表、确认告知表等43张表。以下列出用户表的表信息结构和数据库表一览，详见表1和图5。

表1 用户表(SYS_USER)

图5 数据库设计表一览

6 数据展示与实验验证

6.1 遥信告警统计分析

基于智能电网调度系统遥信告警进行数据挖掘分析，可根据选择的变电站、告警时间，统计选择时间范围内的遥信告警次数，解决了智能电网调度系统只能查询告警、无法进行告警分类统计分析的问题，助力值班人员发现异常频繁告警，及时开展设备检修服务，预防设备故障。该模块直接从镜像数据库中读取告警数据进行统计分析，详见图6。

图6 遥信告警统计分析

6.2 地区功率总加数据跳变追忆分析

系统实时监视总加数据跳变，当发生数据跳变时保存跳变前后各计算公式分量的变化数值，解决了智能电网调度系统无法分析定位总加数据跳变分量的问题，可以助力监控人员分析定位总加数据跳变的原因[9]。该模块直接从镜像数据库中读取数据，对跳变分量和跳变百分比进行分析，根据跳变分量的时间可以查看报文进行确认，从而为找到跳变现象的具体原因提供便捷高效的服务。对此我们进行了实验模拟，用计算点表test1这个点模拟了一个数值，从而触发了数据跳变，分析结果详见图7。

图7 地区功率总加数据跳变追忆分析

7 结语

本文研究设计了一套电网调度故障追忆系统，该系统利用IDE开发工具Eclipse+Tomcat+DM关系数据库，采用Java集成框架spring+springmvc+mybatis，实现了主要包含系统管理、告警管理、智能值班、资源监视、运行监视、统计分析、故障追忆预判等功能，建设完成的电网调度故障追忆系统对提高故障定位精度和故障判别准确性有着重要作用，为新型电力系统故障追忆和分析预判提供简洁高效的服务。