目前最新的“四合一”智能錄波器集成了保信、網(wǎng)分、二次系統(tǒng)可視化和智能運(yùn)維四大功能，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的全景化監(jiān)控和透明化運(yùn)作，而現(xiàn)有的繼電保護(hù)調(diào)度管理技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于智能變電站運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，存在信息、數(shù)據(jù)、計(jì)算和運(yùn)行不透明的問題，難以應(yīng)對(duì)“四合一”智能錄波器數(shù)據(jù)激增和類型繁多的情況，難以滿足調(diào)度對(duì)數(shù)據(jù)分析過程細(xì)節(jié)掌控和整體狀態(tài)直觀感受的實(shí)際需求，在“四合一”智能錄波器廣泛推廣前，展開與之相適應(yīng)的智能錄波主站系統(tǒng)的研究，推進(jìn)反映電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)的主站系統(tǒng)全景信息的透明化，是電力系統(tǒng)領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問題。

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、可視化等技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)開展了基于智能錄波器的主站系統(tǒng)方面的研究。

在主站智能化研究方面，有學(xué)者指出基于人工的電網(wǎng)監(jiān)控運(yùn)行分析方法已不能滿足電網(wǎng)智能化發(fā)展的要求，提出構(gòu)建電網(wǎng)故障智能診斷系統(tǒng)的重要性，但未深入研究常規(guī)變電站向智能變電站過渡階段對(duì)異型錄波器的兼容問題。

在異構(gòu)數(shù)據(jù)分析方面，有學(xué)者通過對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)屏蔽語義差異進(jìn)行聚合分析和信息挖掘，但對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的細(xì)節(jié)描述不詳。

在運(yùn)行狀態(tài)可視化方面，有學(xué)者主要研究智能變電站報(bào)文的可視化方法及二次電纜回路的圖形呈現(xiàn)，偏向于變電站側(cè)局部數(shù)據(jù)的展示，且未建立可視化內(nèi)容向主站側(cè)傳遞的有效途徑，信息利用方面存在一定的局限性?；凇八暮弦弧敝悄茕洸ㄆ髑夷苤鲃?dòng)反映電網(wǎng)整體狀態(tài)的主站系統(tǒng)可視化方面的研究較為鮮見。

基于此，廣西電網(wǎng)梧州供電局、武漢華電順承科技公司的研究人員結(jié)合李立浧院士提出的透明電網(wǎng)先進(jìn)理念，將小微智能傳感器、智能設(shè)備和軟件平臺(tái)等元素搭建的電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)融入錄波主站系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用“四合一”智能錄波器監(jiān)測(cè)到的故障數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)鏈路和可視化數(shù)據(jù)等，在調(diào)度側(cè)進(jìn)行高層次抽象，設(shè)計(jì)一套基于透明體系架構(gòu)的新一代智能錄波主站系統(tǒng)，集中監(jiān)測(cè)和展示數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)和全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)度支持從數(shù)據(jù)判斷型向透明感知型轉(zhuǎn)變，提高調(diào)度對(duì)故障的敏感度和決策效率。

1 新一代透明體系錄波主站整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

新一代錄波主站系統(tǒng)透明體系架構(gòu)如圖1所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)信息的細(xì)粒度透明展示，滿足用戶動(dòng)態(tài)化的信息查詢和定制化的服務(wù)請(qǐng)求。透明體系架構(gòu)包含數(shù)據(jù)集中層、業(yè)務(wù)邏輯層和透明展示層三個(gè)部分。

圖1 新一代錄波主站系統(tǒng)透明體系架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)集中層：將所屬轄區(qū)內(nèi)的變電站進(jìn)行一站式數(shù)據(jù)接入，開發(fā)規(guī)約轉(zhuǎn)換算法庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)的即時(shí)通信和快速集成，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、容錯(cuò)和轉(zhuǎn)碼等工作，將格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于分布式數(shù)據(jù)庫，為業(yè)務(wù)邏輯層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)透明服務(wù)。

2）業(yè)務(wù)邏輯層：對(duì)不同門戶的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段，進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘和關(guān)聯(lián)分析，提供綜合評(píng)估結(jié)果，根據(jù)主站系統(tǒng)故障分析、智能巡檢和運(yùn)行狀態(tài)等信息，主動(dòng)分析電力系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，將故障或潛在問題進(jìn)行等級(jí)劃分和智能告警。

3）透明展示層：面向不同對(duì)象的需求，將業(yè)務(wù)邏輯層不同門戶處理后的信息，進(jìn)行封裝并整合到服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)集中調(diào)度、動(dòng)態(tài)管理的目標(biāo)。將系統(tǒng)管理的故障信息和發(fā)布渠道、動(dòng)態(tài)圖元等元素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)可視化界面細(xì)粒度按需定制，通過電力系統(tǒng)整體狀態(tài)的透明展示，提高主站對(duì)調(diào)度的決策支持力度。

2 新一代錄波主站系統(tǒng)透明運(yùn)作流程

新一代錄波主站系統(tǒng)透明運(yùn)作流程如圖2所示，由信息透明、數(shù)據(jù)透明、計(jì)算透明、運(yùn)行透明四個(gè)步驟組成。

圖2 新一代錄波主站系統(tǒng)透明運(yùn)作流程

1）信息透明：建立不同型號(hào)對(duì)應(yīng)的通信服務(wù)模型和統(tǒng)一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出接口，實(shí)現(xiàn)非同型設(shè)備之間的數(shù)據(jù)特征識(shí)別和通信服務(wù)自適應(yīng)，確保一站式無差別接入。多來源數(shù)據(jù)異步處理，提高通信服務(wù)器資源在透明體系下的目標(biāo)轉(zhuǎn)換效率，確保錄波器連接和數(shù)據(jù)接收的可靠性。

2）數(shù)據(jù)透明：適應(yīng)全網(wǎng)智能與常規(guī)型號(hào)的故障錄波器及主站智能化報(bào)文格式的無損轉(zhuǎn)換，采用了友好容錯(cuò)和安全轉(zhuǎn)碼技術(shù)，對(duì)不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)直接在主站端調(diào)取一次定值模型，重新生成標(biāo)準(zhǔn)配置參數(shù)，擺脫格式不規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析的影響。

3）計(jì)算透明：通過對(duì)數(shù)據(jù)的分揀和任務(wù)的分類，優(yōu)先處理有明顯故障特征或有開關(guān)變位標(biāo)識(shí)的錄波文件，利用虛擬化的任務(wù)透明計(jì)算技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前資源消耗情況為不同類型和大小的任務(wù)合理匹配虛擬機(jī)資源，同時(shí)監(jiān)視和管控任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度，及時(shí)釋放空閑資源。

4）運(yùn)行透明：系統(tǒng)的故障信息發(fā)布、可視化展示和智能巡檢等功能，面向用戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的細(xì)粒度定制和可視化展示，以及自身及所連接錄波器的運(yùn)行、通信、定值配置等情況的自動(dòng)巡視，支持巡視結(jié)果編輯和輸出等。

面向服務(wù)對(duì)象進(jìn)行細(xì)粒度需求內(nèi)容的定制，實(shí)現(xiàn)事件定義、信息共享和人機(jī)交互的透明運(yùn)作模式，提高新一代智能錄波主站的綜合服務(wù)能力。

3 常規(guī)變電站向智能變電站過渡階段基本問題的解決

當(dāng)前智能變電站和常規(guī)變電站處于共存的狀態(tài)，智能錄波器和常規(guī)錄波器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的量級(jí)都有較大的區(qū)別，新一代智能錄波主站系統(tǒng)在適應(yīng)常規(guī)變電站向智能變電站過渡過程中，首先需要解決現(xiàn)有信息和數(shù)據(jù)不透明兩大基本問題，完成異型錄波器無差別接入和異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，便于后續(xù)程序裝載運(yùn)用。

3.1 常規(guī)和智能錄波器無差別接入的可靠性處理

新一代透明體系錄波主站通信規(guī)約自適應(yīng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，由于常規(guī)錄波器廠商自有規(guī)約基本是IEC 60870—5—103規(guī)約的變種，智能變電站錄波器遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，因此新一代智能錄波主站系統(tǒng)應(yīng)至少能同時(shí)適配以上兩種規(guī)約的通信框架，在與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約保持同步的同時(shí)，還具備向下兼容的能力，以適應(yīng)現(xiàn)有大部分常規(guī)變電站錄波器規(guī)約向完全遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的平滑過渡。

圖3 通信規(guī)約自適應(yīng)邏輯結(jié)構(gòu)

非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約上傳的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約定義的信息模型進(jìn)行重組，具體的規(guī)約轉(zhuǎn)換步驟如下：

1）規(guī)約解析。將非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約錄波器監(jiān)測(cè)的模擬量和狀態(tài)量信息，解析成遙測(cè)和遙信等變電站規(guī)約信息，將解析后的信息存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。

2）自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的定義，建立非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約向標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約轉(zhuǎn)換的信息模型；根據(jù)錄波器屬性信息和非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約通信結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在算法庫中進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換映射關(guān)系的自動(dòng)匹配加載，將其他非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進(jìn)行自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。

3）信息透明。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中解析完成的變電站信息，向?qū)?yīng)的IEC 61850轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)信息模型的對(duì)象屬性進(jìn)行映射，完成不同規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)常規(guī)和智能錄波器無差別接入的通信需求。

3.2 異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的質(zhì)量提升

智能、常規(guī)錄波器記錄的數(shù)據(jù)類型不同，“四合一”智能錄波器的數(shù)據(jù)更為豐富，不僅有錄波數(shù)據(jù)，還包含網(wǎng)絡(luò)報(bào)文、二次系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)等，透明體系錄波主站統(tǒng)一進(jìn)行異構(gòu)數(shù)據(jù)的友好容錯(cuò)、安全轉(zhuǎn)碼和透明訪問等標(biāo)準(zhǔn)化處理，流程如圖4所示。

1）友好容錯(cuò)：對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)識(shí)別為非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用通用補(bǔ)償列表或調(diào)取一次定值模型等方式生成標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)配置信息，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)調(diào)取適配的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全或重復(fù)數(shù)據(jù)的剔除等操作。

圖4 數(shù)據(jù)透明標(biāo)準(zhǔn)化處理流程

2）安全轉(zhuǎn)碼：利用參數(shù)差異度指標(biāo)衡量異型錄波器模型參數(shù)之間差異的大小，不同來源、不同類型數(shù)據(jù)做細(xì)粒度處理，匹配到IEC 61850信息模型統(tǒng)一參數(shù)描述的數(shù)據(jù)通道，波形數(shù)據(jù)使用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang transform, HHT）算法平滑濾波降低噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的平滑性，其他類型數(shù)據(jù)聚合后進(jìn)行一致化處理，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無損和安全轉(zhuǎn)碼。

3）數(shù)據(jù)透明：將異構(gòu)數(shù)據(jù)采用模板中間件映射為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)文件，主站進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問接口的集中管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集控式透明訪問。

4 新一代透明體系錄波主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

在解決常規(guī)變電站向智能變電站過渡階段信息和數(shù)據(jù)不透明兩大基本問題的基礎(chǔ)上，新一代透明體系錄波主站系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用基于虛擬化的任務(wù)計(jì)算透明和基于可視化的運(yùn)行狀態(tài)透明兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 基于虛擬化的任務(wù)計(jì)算透明技術(shù)

面對(duì)海量錄波數(shù)據(jù)，利用虛擬化技術(shù)，抽象錄波主站系統(tǒng)底層硬件資源，使硬件資源底層之間的差異做到透明，便于資源控制器對(duì)不同的虛擬計(jì)算資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。

虛擬機(jī)是物理機(jī)CPU、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)絡(luò)帶寬分割后的一個(gè)個(gè)容器，具備物理機(jī)處理問題的能力和屬性?；谔摂M化技術(shù)的任務(wù)透明計(jì)算模型如圖5所示，不同類型任務(wù)運(yùn)行于由通信、存儲(chǔ)、分析和發(fā)布服務(wù)器資源分割后的虛擬機(jī)中，多窗口任務(wù)的透明計(jì)算實(shí)際上可以轉(zhuǎn)化為任務(wù)處理效率或資源優(yōu)化利用的問題。利用剩余資源反饋機(jī)制的資源優(yōu)化算法，將任務(wù)分配到動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡篩選出來的處理節(jié)點(diǎn)上，縮短計(jì)算時(shí)間，降低CPU和內(nèi)存等資源的占用。

圖5基于虛擬化技術(shù)的任務(wù)透明計(jì)算模型

4.2 基于可視化的運(yùn)行狀態(tài)透明技術(shù)

智能變電站采用的IEC 61850報(bào)文艱深難懂，專業(yè)性門檻較高。系統(tǒng)采用可視化的圖形界面對(duì)繁瑣報(bào)文進(jìn)行“翻譯”，可提高數(shù)據(jù)的直觀性和利用率，幫助調(diào)控人員快速掌握電網(wǎng)運(yùn)行情況。

基于可視化的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)透明展示如圖6所示，主站配置可視化環(huán)境和工具，采用多通道輸入實(shí)現(xiàn)不同展示內(nèi)容的快速互換，以細(xì)粒度定制和可視化的方式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的透明，既可展示整體，又可近觀局部。

圖6 電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)透明展示

主站系統(tǒng)利用“四合一”智能錄波器的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文、二次系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)集中展示通信鏈路通斷和電網(wǎng)全景狀態(tài)，利用運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行全網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)感知和評(píng)分，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的整體透明。

運(yùn)行透明主要包含：

1）事件的請(qǐng)求和響應(yīng)。調(diào)度人員通過瀏覽器提交需求后，系統(tǒng)通過建立client和server之間的連接，解析需求內(nèi)容，查詢數(shù)據(jù)庫中與之匹配的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)源，查找結(jié)束后返回?cái)?shù)據(jù)。

2）多視圖界面的編輯。將事件數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和提煉，封裝為圖形展示組件，提供圖形化編輯的支持；將可視化表現(xiàn)形式如餅圖、曲線、表格、樹圖、魚骨圖和柱狀圖等用戶界面（user interface, UI）控件封裝為自定義組件；通過腳本語言進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定、畫面布局及可視效果轉(zhuǎn)換等操作。

3）運(yùn)行的可視化展示。系統(tǒng)提供圖形化的界面，可局部展示所關(guān)聯(lián)智能設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，亦可統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)分和可視化呈現(xiàn)電網(wǎng)整體狀態(tài)，透明掌握電網(wǎng)運(yùn)行全景信息。

運(yùn)行透明實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的快速感知，調(diào)度站在全局視角進(jìn)行狀態(tài)等級(jí)評(píng)定和資源統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維的目標(biāo)。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)的提取

提取海量故障錄波數(shù)據(jù)分析過程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)見表1，基于監(jiān)測(cè)指標(biāo)所反映的計(jì)算過程中系統(tǒng)性能的考量點(diǎn)，啟動(dòng)自適應(yīng)分析功能，分析系統(tǒng)性能瓶頸，通過對(duì)資源耗費(fèi)情況的主動(dòng)檢測(cè)，對(duì)資源運(yùn)行過程中的系統(tǒng)性能進(jìn)行主動(dòng)評(píng)價(jià)，定期釋放閑置資源，保障系統(tǒng)的持續(xù)高性能。

表1

5.2 實(shí)例分析

傳統(tǒng)多機(jī)協(xié)同主站架構(gòu)主要適用于處理常規(guī)錄波器故障數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不能支持“四合一”智能錄波器規(guī)約轉(zhuǎn)換、二次設(shè)備可視化、運(yùn)維數(shù)據(jù)的有效利用和展示，對(duì)智能站無數(shù)據(jù)處理能力，而新一代透明體系主站架構(gòu)在適應(yīng)“四合一”智能錄波器的同時(shí)，也極大程度地兼容現(xiàn)有的常規(guī)錄波器，面對(duì) “四合一”智能錄波器數(shù)據(jù)成倍增加的情況，主站具備較好的資源動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)快速處理能力，且對(duì)故障分析過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和可視化展示，對(duì)故障情況的直觀表達(dá)有助于調(diào)度人員及早發(fā)現(xiàn)和處理問題，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全景信息的整體透明。

為了驗(yàn)證新一代錄波主站透明體系架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，選取廣西某供電局2座常規(guī)變電站和2座南方電網(wǎng)的3C綠色示范智能變電站作為試點(diǎn)，覆蓋目前國內(nèi)9大主流廠商錄波器，采用透明體系架構(gòu)進(jìn)行主站系統(tǒng)的搭建，從信息、數(shù)據(jù)、計(jì)算和運(yùn)行透明四個(gè)角度，建立異型錄波器兼容、數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、標(biāo)準(zhǔn)化處理、虛擬機(jī)計(jì)算和可視化展示等指標(biāo)予以考核，針對(duì)性地統(tǒng)計(jì)傳統(tǒng)多機(jī)協(xié)同架構(gòu)主站對(duì)應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行兩種主站架構(gòu)的異構(gòu)數(shù)據(jù)處理效率指標(biāo)比對(duì)，其結(jié)果見表2。

表2

從表2可以看出：

1）透明體系架構(gòu)具有較好的兼容性和傳輸穩(wěn)定性，更適合對(duì)數(shù)量多、類型廣、維度高的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行一站式接收和處理。

2）采用透明計(jì)算模式，對(duì)分類后的任務(wù)和資源分配尋求動(dòng)態(tài)平衡，主站的計(jì)算效率提升80%，有效緩解了計(jì)算耗時(shí)對(duì)調(diào)度決策延時(shí)所帶來的影響。

3）可視化展示細(xì)粒度定制化內(nèi)容的效率控制在1min以內(nèi)，加強(qiáng)了調(diào)度對(duì)故障和告警信息的直觀感受，提高調(diào)控機(jī)構(gòu)的認(rèn)知能力和決策水平。

6 結(jié)論?

本研究提出的基于透明體系的新一代智能錄波主站系統(tǒng)，與新一代“四合一”智能錄波器全景可視化發(fā)展相匹配，改變了過往調(diào)度管理技術(shù)滯后于智能變電站運(yùn)行技術(shù)發(fā)展的局面，解決了電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)感知和智能運(yùn)維“最后一公里”透明的盲區(qū)，是一整套全網(wǎng)信息透明化的調(diào)度決策支持解決方案。

實(shí)踐結(jié)果表明，基于透明體系架構(gòu)的新一代智能錄波主站系統(tǒng)在設(shè)備兼容、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼、透明計(jì)算和可視化展示方面較傳統(tǒng)主站有飛躍性的提升，可以有效解決故障分析過程和系統(tǒng)運(yùn)作不透明的問題，可形成對(duì)全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的快速感知和可視化監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)透明體系往調(diào)度側(cè)的延伸和邁進(jìn)。

本文編自2021年第9期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于透明體系架構(gòu)的新一代智能錄波主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，作者為李波、溫文劍 等。