一种变电主辅设备巡视计算的实现方法

王位杰 李应棋 纪 陵 檀庭方

一种变电主辅设备巡视计算的实现方法

王位杰 李应棋 纪 陵 檀庭方

（南京国电南自软件工程有限公司，南京 211100）

针对变电主辅设备多维度状态巡视计算复杂的问题，从设备本体、设备类型、电网隶属、区域、时间及计算类型等多个维度综合考虑，构建变电主辅设备多维度计算模型。面对工程应用的多样性，设计一种基于插件的通用计算框架，通过动态扩展及加载机制满足工程增量计算及升级部署需求；对进程容错机制进行改进，构建插件的并行分布机制，实现业务插件的负载均衡和灵活部署；最后基于语义发布订阅机制，可满足应用的数据交互需求。实际工程应用表明，本文所提方法可满足工程中设备计算的大部分需求，可有效提高检修人员的设备运行巡视效率。

主辅设备；多维度；插件；动态扩展；并行分布

0 引言

随着变电站数量增加，对大量变电设备运行和精益精准管理的要求越来越高。若运维检修工作中出现漏检或错检，会增加电网运行潜在风险，因此需要提高对变电主辅设备的状态监视能力和专业巡视水平[1-4]。当前，变电主辅设备运行监视手段主要有光字牌监视及光字牌汇总计算，其中光字牌汇总计算包括责任区、变电站、间隔、间隔内四个层次光字牌级别及按告警等级对设备进行告警提示[5]，已经无法满足主辅设备全面运行巡视需要。运行人员通过报表可定制化实现对设备运行状态的统计分析，但通常是从历史数据统计获取，且报表的计算能力有限[6]，无法满足运检人员对设备进行实时巡检和综合分析的需求。变电主辅设备的数据上送到变电主辅设备监控系统已具备实际可操作性，但若不对数据进行加工处理，则设备的状态感知能力仍然无法提高。根据电力公司对变电设备精益管理的要求，运行检修人员需要从变电运行、设备运行、辅控系统、小室、屏柜等多维度巡视设备的运行状态，因此需要一种主辅设备多维度状态巡视计算 方法。

本文结合主辅设备多维度状态运行巡视场景，构建变电主辅设备状态通用计算模型，并设计一种基于插件机制的通用算法管理容器，通过动态扩展和加载机制满足工程对状态计算多样性和增量计算的需求；通过设备状态计算的并行分布机制，实现计算的负载均衡和灵活部署；最后采用消息总线的发布订阅方式实现与人机交互界面的数据交互，从而满足工程应用需求。

1 设备多维度计算模型

1.1 变电主辅设备模型

运行人员对变电主辅设备的全面监控及巡视涉及一次设备、二次设备和辅控设备，系统建模兼容考虑IEC 61970模型和DL/T 860模型[7]，同时增加了辅助设备模型。变电站主辅设备模型如图1所示。

图1 变电主辅设备模型

变电站一次设备主要包括变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、站用变（接地变）、高抗、电容器、中性点设备。在线监测的主要对象包括变压器、气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）和断路器、容性设备、避雷器等。

二次设备主要包括保护装置、测控装置、合并单元、智能终端、安稳控制装置、监控主机、综合应用主机、网关机、故障录波器、网络交换机、站用交直流设备、时钟同步装置等[8]。

辅控设备划分为多个子系统，其中安全防卫监视设备包括电子围栏、红外对射、红外双鉴、门禁、智能锁控通信控制器、电子钥匙等；动环系统监视的主要对象包括室内外温湿度传感器、水浸、风机、空调、除湿机、排水泵、开关室SF6传感器、照明控制器等；火灾消防监视主要对象包括火灾报警控制器、固定式灭火系统、气体灭火系统、消防给水消火栓系统、干粉灭火系统、防烟排烟系统、供暖通风和空气调节系统、防火门及卷帘系统、消防应急照明和疏散指示系统、消防电源、消防信息传输控制单元、主变固定灭火系统等。

变电站典型区域划分通常以相对独立的物理区域分布原则进行[9]，典型区域划分示意图如图2所示。图2中，四周围墙划分为五个区域，其中有大门的围墙按大门左右侧围墙划分为2个区域。一次设备室外场区按电压等级和设备类型可分为变压器室外场区、500kV室外场区、220kV室外场区或110kV室外场区。室内一次开关设备、二次设备、站用设备、主控设备、通信设备、蓄电池等应按室内相对独立的物理区域分为500kV保护小室、220kV保护小室、35kV高压小室、站用电配电房、生产综合楼或主控室等。

图2 变电站典型区域划分示意图

1.2 变电主辅设备多维度巡视分析

检修人员可通过责任区总光字牌、变电站总光字牌、电压等级、间隔总光字牌、间隔内光字牌等层次级别监视一次设备，在此基础上，仍需要实时掌握变电主辅设备的全面运行信息，包括单设备状态及同类型设备状态、间隔状态、各区域层次内的设备状态，以及从时间维度上查看相同历史运行环境下的设备状态，此外，还包括从上述多个维度对设备状态进行统计分析。设备状态计算包括单设备、间隔、电压等级、变电站、责任区、设备区域及同类等多个维度，设备状态包括设备运行、异常、故障、检修等；间隔状态计算包括设备的运行、检修等，主要用于五防操作；区域主要包括开关场、主控楼、小室、屏柜及设备内部机构等。设备统计是基于上述设备状态从电网隶属关系、区域、设备类型、时间等多个维度进行统计；时间维度计算主要包括同类型同一运行条件下设备特征的统计分析和同一时间维度同一类型设备的运行特征分析，计算的触发方式包括周期计算和变化计算。

1.3 变电主辅设备巡视计算模型

基于上述特征，共抽取指定设备5个维度的巡视信息，包括设备、电网隶属、区域、时间、计算值。

1）设备维度：涉及单个设备、设备类型。

2）电网隶属：即设备传统意义上的维度，责任区、变电站、电压等级、间隔。

3）设备区域：围墙、室外专区、生产综合楼、保护小室、屏柜等。

4）设备时间维度：主要是指计算值的取值时间点，包括同一时间断面、触发计算、周期计算等。

5）计算值：总光字牌、设备状态、间隔状态、设备统计等。

对上述5个维度作降维归纳，设备计算降维处理模型如图3所示，降为设备计算处理三元组（计算设备、计算范围、计算值）模型，其中计算范围包括电网隶属、设备区域、设备时间等维度，进而形成如图4所示的变电设备计算通用模型框架。基于这一多维度模型，每个状态计算需求可统一描述为设备在指定计算范围（指定隶属区域、指定区域、指定时间范围）的计算值。

图3 设备计算降维处理模型

2 可动态扩展和动态加载计算实现

2.1 巡视计算业务的动态扩展实现方法

工程应用中，系统升级工作比较复杂，并且在运行阶段不可避免地会增加新功能，新功能不能影响既有功能的运行，因此在设计实现方式时应尽量考虑业务单一职责和独立性。基于“高内聚、低耦合”原则，为所有业务计算提供统一的插件接口[10]，各个业务插件继承接口实现各自的业务逻辑，形成相对独立的业务算法库，通过插件集成管理容器（后文简称插件容器）[11-12]管理所有的业务插件，将每个业务的颗粒度降到具体的单个业务算法库实现。

图4 变电设备计算通用模型框架

在代码实现层面，每个插件分别开辟自己的线程资源，避免与主进程及其他插件抢占系统资源，实现资源的相对独立。

基于这种插件容器机制，分别将间隔状态计算、设备统计、设备光字牌计算等封装成业务插件算法库，通过插件动态加载，可完成新业务与现有业务的灵活解耦和动态部署，同时也可应用于其他业务计算需求。

2.2 业务插件的动态加载实现方法

为实现业务插件的动态加载，建立业务插件的动态加载模型，属性包括默认加载机器节点、允许加载的机器节点、每个机器节点的优先级等。

业务插件的动态加载主要有两个方面：第一，插件的动态加载，即插件容器可实时加载插件库，插件容器实时监视加载模型的变化，实时动态加载或更新业务插件[13]；第二，考虑并行分布计算，每个机器节点上的插件容器启动时加载所有插件，但实际运行时默认只运行本机允许业务插件，其他插件温备运行[14]，当主机器节点上的插件异常退出时，可实时切换业务插件到其他次优先级机器节点。基于业务插件的动态扩展及加载机制如图5所示。

3 并行分布计算及实现

3.1 并行分布节点迁移实现

变电主辅设备监控系统由多台服务器和工作站组成，系统主要通过进程容错机制提高系统可靠性。同一进程在不同节点上的容错切换示意图如图6所示，即在多个机器节点上同时部署同一个进程，但同一时刻只有一个节点上的处于主运行，当此机器节点上的进程异常时，通过容错机制将其他节点上的备运行进程升级为主运行。这种方式对单机的硬件配置要求较高，当单进程占用较大计算资源（包括CPU和内存）而超过单个节点上限时，会遇到瓶颈。

图5 基于业务插件的动态扩展及加载机制

图6 同一进程在不同节点上的容错切换示意图

为此考虑整体计算资源的负载均衡，按照上文提到的加载模型，业务插件在不同节点上的切换示意图如图7所示，每个节点上插件容器分别独立运行，只允许插件在优先级最高的节点上运行[15-16]。在插件容器内部维护每个业务插件的容错及机器节点迁移，各个机器节点上的业务插件通过插件容器维持心跳状态，包括主动通知和主动探测两种方法。插件容器监视业务插件的状态，当出现业务插件资源占用高、程序升级等异常时，按优先级通知其他机器节点。主动探测，每个机器节点上的插件容器主动从网络获取其他节点的业务插件状态。若某个机器节点上的业务插件获取到其他业务插件的状态异常，则根据自己节点的优先级，将自己节点上的业务插件升级到运行态；当发现有比自己更高优先级的节点上的业务插件正常时，经协商后主动退出。

图7 业务插件在不同节点上的切换示意图

3.2 基于语义发布订阅的数据交互

基于业务分离原则，设备状态插件容器与应用进程分离，通过语义标签为每个计算数据提供语义发布服务能力，基于消息总线的发布订阅机制[17-18]，插件容器代理业务插件的数据发布，应用进程根据语义按需获取相应的数据，实现计算结果数据的最大程度共享。基于语义的数据发布代理示意图如 图8所示。

图8 基于语义的数据发布代理示意图

4 工程应用

变电主辅设备监控系统在工程应用中按安全分区在安全Ⅰ区、安全Ⅱ区、安全Ⅳ区等分别部署。安全Ⅰ区主要负责主设备监视运行控制功能，安全Ⅱ区主要是二次设备、辅控设备监视运行控制，安全Ⅳ区主要是监控业务管理等；主辅监视人机操作工作站部署在Ⅰ区，监控业务管理人机界面工作站部署在Ⅳ区。以下面几个巡视计算需求为例，主辅设备巡视需要在安全Ⅰ区实现主设备光字牌计算、主设备状态计算及统计，在安全Ⅱ区实现二次设备及辅控设备状态计算及统计，在安全Ⅲ区实现在线实时画面的自动巡视。按照本文实现方法，在不同安全分区分别加载不同的算法库，如在Ⅰ区应用服务器或其他专用计算节点加载一次设备计算库和Ⅰ区光字汇总计算库；在Ⅱ区应用服务器节点或其他专用机器节点加载二次及辅控设备状态计算及统计库、Ⅱ区辅控信息光字汇总库；在线实时画面自动巡视计算库部署在Ⅳ区应用服务器上。通过上述方法，减少了对单节点计算资源的限制和单节点依赖，节约了系统资源。结合图6和图7可知，对单节点服务器CPU和内存配置要求可降低50%。在工作站上的应用进程通过语义标签订阅计算类型，从不同维度向工程人员提供设备状态计算及统计数据 结果。

5 结论

本文针对变电主辅设备全面多维度的运维巡视需求，设计了一种通用的设备计算模型，此模型可满足工程中不同的设备巡视计算要求。根据实际工程和系统运行特点，设计了一种基于插件机制的可动态扩展及加载的业务计算实现方式，并考虑整体系统的负载均衡，业务插件可灵活部署到不同的机器节点，达到了为人机交互应用进程提供多维度设备运行状态的预期效果。本文中的插件容器机制也可对其他类型的计算或处理进行动态扩充，后续需加强插件容器的管理和优化提升，避免因单个插件异常退出导致整个进程退出的情况出现。

目前，本文方法主要是在变电主辅设备监控系统中实现Ⅰ区和Ⅱ区的设备状态计算及Ⅳ区的画面信号巡视，随着数字化新型电力系统的建设，后续可结合Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区同步及数据发布进行功能完善，并及时推送到手机APP，为新型电力监控系统和变电站数字化智能化技术升级提供基础数据。

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An implementation method of patrol calculation for the substation main and auxiliary equipment

WANG Weijie LI Yingqi JI Ling TAN Tingfang

(Nanjing SAC Software Engineering Co., Ltd, Nanjing 211100)

Aiming at the complex problem of multi-dimensional state calculation of substation main and auxiliary equipment, a multi-dimensional calculation model is constructed based on the comprehensⅣe consideration of multiple dimensions such as equipment body, equipment type, power grid membership, region, time and calculation type. Facing the dⅣersity of engineering applications, a general equipment status calculation framework based on plug-in is designed to meet the needs of engineering incremental calculation and upgrade deployment through dynamic expansion and loading mechanism. The process fault-tolerant mechanism is further improved, and the parallel distribution mechanism is adopted to realize the load balancing and flexible deployment of business plug-ins. Finally, based on the semantic publish and subscribe mechanism, it can meet the data interaction requirements of various applications. The actual engineering application shows that it can meet most of the requirements of equipment computing in the project and effectⅣely improve the equipment operation monitoring efficiency of maintenance personnel.

main and auxiliary equipment; multi-dimension; plug-in; dynamic expansion; parallel distribution

2023-09-19

2023-11-25

王位杰（1984—），男，河南太康人，硕士，主要从事变电集中监控系统研发工作。