變電站在線監測及輔助設備監控系統研究與應用

任 萱，湯 欣，孫維偉，包 磊

(鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212001)

“三集五大”工作的全面推進，對變電站各類設備監測系統的集成化和系統化建設提出了更高要求。 構建大檢修、大運行體系的重點之一，是在保證安全的基礎上，對現有設備運行集控功能實施集約融合、統一管理，并按照專業化方向，推進設備巡檢、維護、操作的一體化管理，這就要求對變電站設備實現各類特征數據的全面監測和信息的集中綜合應用。設備狀態檢修工作的持續開展，對在線監測裝置和輔助設備的管理提出了精益化要求。在線監測和輔助設備監控系統充分利用狀態監測和診斷技術獲取設備信息、判斷設備狀態、預測故障發展趨勢、評估設備健康狀況，為推進和深化設備狀態檢修工作提供技術保障。

1 系統研究背景及方向

1.1 研究背景

2009年，對江蘇省2233座變電站22類5839套在線監測和輔助設備進行了調查，目前江蘇電網變電站內在線監測裝置和輔助設備的運行模式主要有2種。一是建立了各自獨立的遠程監測系統，可對變電設備實施遠程監視和巡檢；二是在變電站內進行就地在線監測，通過人工定期巡檢方式進行信息查看和收集。 這2種模式的不足之處：一是不能滿足設備集約融合、統一管理的要求。現有變電設備監測系統均采用縱向模式，信息分散、難以融合共享，不能滿足各類人員的差異化應用需求。 二是部分在線監測裝置和輔助設備運行數據未實現遠傳和集中監控，不能滿足設備缺陷及時發現、快速處理的要求。

1.2 研究方向

（1）制定在線監測裝置、輔助設備的統一規約、數據傳輸格式，建立健全相關的技術標準和管理規定。

（2）構建具有數據可靠、高效傳輸、系統堅強的全省統一的實時監控集成平臺，實現所有設備信息的統一采集和網絡化管理。在站端統一完成數據采集、存儲、預處理、后臺同步、遠程服務等各項功能。

（3）實現變電站設備遠程分析、遠程診斷、綜合評估的應用服務。 通過系統提供的全景監測、橫向比對、趨勢告警等技術手段，實現在線、多維的設備健康狀況評價和故障分析。結合PMS管理系統中設備臺賬等各類數據，實現對設備的綜合評價和專業分析。

2 系統集成方法

系統集成涉及多種數據資源：各種輔助監測設備的數據接入、視頻監控系統、各種設備的臺帳對接、用戶統一認證系統、專家分析系統等。如何整合諸多資源形成統一整體并提供統一的服務是研究的主要難點之一。系統集成整合后，針對如此多的信息，如何提取和進行數據分析挖掘，為用戶提供有效信息和方便應用是平臺建設的關鍵。在線監測和輔助設備分類如表1所示。

表1 在線監測和輔助設備分類表

統一集成的總體思想是采用OGSA網格技術對各種資源進行有效整合，形成統一整體，采用分層存儲、分級應用策略對諸多數據進行分類和匯總，針對各種人員和角色提供差異化服務，方便應用[1]。統一集成總體結構如圖1所示。

2.1 多點同構的分布式服務架構

系統集成采用OGSA網格體系理念，利用SOA將涉及諸多的資源都抽象為服務，利用Web Service統一接口和數據交換格式,通過服務間的組合和交互形成全面完整的系統應用。各服務間各自獨立、分層部署、完全松耦合，可獨立升級和維護，不影響其他功能的應用。通過服務管理對服務進行注冊，通過服務調用流程CallFlow動態配置業務邏輯，形成各種應用。多點同構的分布式服務架構保障了不間斷的應用服務，保障了實時監測的連續性和穩定性：在監測系統或者網絡故障時，智能終端間相互協調，自動選擇某一智能終端承擔主站功能，接收各站的告警信息，主站系統自動切換到某一智能終端，為用戶提供正常的運行監測應用。分布式服務架構如圖2所示。

2.2 變電站智能終端

變電站輔助設備和在線監測設備種類及型號各異，各設備的通信接口和協議也都有差別，即便是同種設備在不同變電站的數據采集也有可能不一樣。但對每個設備進行單獨開發接口已不合適。為解決這個問題，變電站智能終端采用設備適配器（ADP）模式實現智能信號采集。設備ADP分為物理層、協議層、數據層和控制層。物理層與設備對接，支持不同的接口類型（RS232，RS485，網絡接口等），并在物理層實現消息路由功能，提供數據透傳。協議層對物理層上送的數據進行規約匹配和解析，解析的數據上發給數據層處理。同時對數據層下發的消息進行規約組裝，通過物理層下發給設備。數據層分析采集數據，進行分類和分級存儲，對變化率不大的數據進行過濾，對異常情況（數據變化率大，有告警，數值超過閥值等）發送消息通知控制層。控制層對采集任務進行控制，實現數據的自動或人工采集，動態變化采集頻率，實現數據的補采和重采。如圖3所示。

圖3 采用設備ADP和規約庫自適應接入設備

智能信號采集技術對采集的數據進行實時判斷和分析，對設備正常、數據穩定的數據進行低頻采樣和存儲；在發生告警或故障時，對數據進行高頻采樣和存儲，既保證了數據的完整性和可還原性，又節約了存儲和網絡流量，為故障分析提供詳實準確的數據[2]。變電站智能終端保存了對設備采集的原始數據，并提供單獨的Web應用，可在站內或遠程進行網頁瀏覽查看監測信息，保障網絡或監測系統主站出現故障時，監測信息不丟失。變電站智能終端采用嵌入式操作系統，提高系統安全性；采用軟件和硬件看門狗，保障系統連續穩定運行；操作系統層硬件保護，系統崩潰時采用備份自行恢復；智能終端實時監視系統運行指標（cpu、內存、溫度、存儲空間等），匯總評估系統狀態，自動調優系統運行參數；系統狀態信息匯總到監測系統（主站），由監測系統統一監視各個變電站的智能終端運行狀態，統一管理；智能終端軟件自動檢測升級，減少維護工作。如圖4所示。

圖4 智能服務終端自維護結構圖

2.3 數據分級冗余存儲

為保證數據安全，所有數據都冗余存儲在智能終端和主站系統。同時考慮到系統資源的有效利用，所有的數據都分類采集、分類壓縮、分類同步。數據存儲按實時表、24 h表、歷史表存儲，針對不同的信息（告警、狀態、監測數據）分類采集，采用不同的采集策略。告警信息、狀態信息、監測數據、統計信息分類存儲，分類匯總。各站點獨自保存采集數據，狀態信息和告警數據實時匯總到輔助監測系統，歷史數據和統計信息定期與省輔助監測系統進行同步。輔助監測系統可追溯查看變電站的采集數據。各變電站智能終端和輔助監測系統均可獨立運行，任何一端的故障不影響其他節點使用。如圖5所示。

圖5 數據分類采集及存儲示意圖

2.4 基于角色的差異化應用

針對用戶的工作職責和特點分別提供不同的用戶界面和應用服務，系統自動實現數據的篩選及匯總，并且支持不同級別用戶操作不同的數據，獲取需要的信息。

（1）為運行人員提供實時的、直觀的、全面的告警和故障信息；

（2）為檢修人員提供及時的設備缺陷和故障詳細信息，定位和判斷設備缺陷和故障的技術手段；

（3）為管理人員提供遠程診斷、統計分析、專業評估、變化趨勢、對比分析等工具。為專職提供主設備健康狀況、公用系統和輔助系統的詳實數據；

（4）為行業專家提供遠程診斷手段和專業分析工具。

不同角色可以設定特定的瀏覽權限，根據登錄情況只顯示該人員所管轄或關注的區域信息。也能根據用戶的專項需求（視頻監控、門禁管理等）提供專項應用服務。

2.5 開放式嵌入多種專業分析工具

原有的監測系統已累積了一批專業分析工具，有些工具是針對廠家特定型號的設備，與設備直接交互進行數據分析和參數配置，有些工具是利用設備的原始數據進行分析和評估。這些工具均采用特定的算法和計算模型對設備進行診斷和預判，具有較強的針對性和專業性。系統作為開放式平臺，可以便捷地嵌入第三方專業分析工具，保證了現有專業分析工具的完全整合，又為新工具的嵌入提供了方便，具備良好的兼容性和擴展性。系統嵌入各種專業分析工具，極大地豐富了系統分析工具的范圍和數量，增強了系統專業分析能力，為遠程故障分析診斷、專業評估和預測提供了技術手段。專業分析工具的嵌入方式和工作流程如圖6所示。

圖6 專業分析工具的嵌入方式和工作流程示意圖

2.6 變電站輪詢運行監測

變電站輪詢采用圖形方式全面顯示某一變電站內所有設備的主要運行指標、告警情況、設備運行狀況等，以自動輪換的方式顯示各站的運行信息。輪詢的規則（變電站列表，按告警等級輪詢，按告警數量輪詢，間隔時間等）可配置。運行人員可通過變電站輪詢完成變電站設備巡檢，通過圖形化的變電站設備圖及時發現異常和告警。

2.7 以用戶為中心的信息推送與溯源

RIA技術突出客戶端的功能和用戶體驗，隨著計算機軟硬件的快速發展，個人計算機的運算能力已變得非常強大。系統采用Flex，Ext等RIA技術打造了類C/S應用的用戶界面，為系統的使用者提供極大的方便，采用地理圖、設備分布圖等方式直觀展現，功能層級關聯，減少用戶操作次數。告警信息可通過彈出告警框、圖標閃爍、短信通知、郵件通知等方式及時通知相關人員。通過系統自動分析和設備主動上送的告警發現設備運行異常，并通過與監測數據自動關聯，追溯分析設備故障原因，降低故障處理周期，減少檢修成本。

3 系統集成方法的實現

系統由變電站智能終端，輔助監測系統組成。平臺之間信息共享，采用向上信息匯集，向下追溯查詢的機制；每個平臺都可以獨立運行，平臺之間的數據通過消息總線達到共享同步。每個平臺分為3層，表示層用于畫面顯示，服務層用于業務邏輯處理、數據分析，數據層用于數據庫數據的保存。系統總體架構如圖7所示。

圖7 系統總體架構

（1）客戶端：使用 Windows操作環境，IE瀏覽器6.0及以上。

（2）畫面層：UI MVC 模型 （Struts2.0）[Web Site]+EXT+Flex插件+Spring。

（3）服務層：使用Apache CXF開源SOA框架實現Web Service遠程調用，服務的加載。

（4）設備ADP層：使用Java RXTX開發包，基于Javax comm包，支持RS232及RS485等多種通信接口。

（5）數據庫層：數據庫采用DB2和MySQL（變電站端采用輕量級數據庫），和服務層之間的交互采用ibatis+jdbc o-r映射框架。

系統采用SOA框架構建，所有的功能應用均由服務組成。如表2所示。

表2 系統服務一覽簡表

4 結束語

變電站在線監測及輔助設備監控系統的統一集成方法適應了“智能電網”構建智能變電站的發展要求，解決了監測系統分散、接入困難等問題，提高了對運行設備的實時監測水平，為主設備健康狀況、公用系統和輔助系統的分析提供了詳實的數據，有利于變電站狀態檢修工作的全面深入開展。系統的建設符合了國家電網公司“三集五大”構建大運行、大生產體系的發展要求。繼續對現有設備運行集中控制功能實施集約融合、統一管理；加強業務整合，按照專業化方向，推進設備巡檢、維護、操作等一體化管理，提高檢修維護效率。

[1]吉亞民，謝林楓.江蘇電網電氣設備在線監測平臺建設的研究[J].江蘇電機工程，2009，28（5）：36-38.

[2]鄭海雁，王紅星，孫世穩.關于變電站設備信息智能采集的研究[J].信息系統工程，2010（8）：143-144，132.