電網調度域設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)融合及應用的實現(xiàn)方法

阮詩迪，張雄寶，唐羿軒，何伊妮，曹 偉

（廣西電網有限責任公司調度中心，廣西 南寧 530000）

0 引 言

電力調度業(yè)務是電網運行中的核心指揮業(yè)務，包含獲取并監(jiān)視電網實時信息、分析并判斷電網運行情況以及協(xié)調并指揮電網運行工作。在持續(xù)開展的信息化建設中，調度相關監(jiān)視業(yè)務和管理業(yè)務分別得到了良好的信息化支撐。電力調度信息系統(tǒng)主要由電網運行監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱OCS系統(tǒng)）和電網運行管理系統(tǒng)（以下簡稱OMS系統(tǒng)）組成。其中，OCS系統(tǒng)主要用于控制和監(jiān)控電網實時運行狀態(tài)，屬于OT系統(tǒng)[1]，主要實現(xiàn)了電網模型建模、電網實時運行信息監(jiān)視、電網一次設備狀態(tài)監(jiān)視和控制、電網潮流監(jiān)視、電網運行狀態(tài)監(jiān)視和告警監(jiān)視等功能，是保障電網運行可靠性、提高電網安全性與經濟效益、提高電網設備實時監(jiān)控力度、實現(xiàn)電力調度自動化與現(xiàn)代化的重要支撐系統(tǒng)[2]。OMS系統(tǒng)主要用于收集和管理業(yè)務流轉信息，屬于IT系統(tǒng)。系統(tǒng)支撐了電網綜合停電、運行風險管控、調度值班以及并網管理等調度系統(tǒng)實際生產業(yè)務的流轉，實現(xiàn)了并網管理類、運行風險管理類、運行計劃管理類、運行控制管理類、運行評價與改進管理類、二次系統(tǒng)管理類以及運行支持管理類等專業(yè)管理功能，有效提升了調度工作質量和管理水平。

隨著智能電網建設的逐步深入，供電質量要求不斷提高，電網管理單位需要對電網運行狀況進行實時判斷和決策分析，并制定相應的管理措施進一步保障電網的安全穩(wěn)定運行。在調度領域，主要將OMS系統(tǒng)的業(yè)務管理數(shù)據(jù)與OCS系統(tǒng)的設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，提供業(yè)務管理與設備監(jiān)測相互關聯(lián)的高級應用，以滿足針對電網管理的更高要求。但是，因OMS和OCS兩個系統(tǒng)的技術架構、數(shù)據(jù)結構存在較大差異，傳統(tǒng)的技術手段和方法無法使兩個系統(tǒng)進行有效聯(lián)通，需要通過對現(xiàn)有技術手段進行整合和創(chuàng)新，實現(xiàn)電力調度領域IT與OT信息的融合。

為了解決上述問題，本文提供了一種電網調度域設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)融合應用的實現(xiàn)方法。通過調度域設備模型的融合，建立設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)關聯(lián)的關系，并采用Flink框架和Redis內存數(shù)據(jù)庫技術，在現(xiàn)有已實現(xiàn)的電力調度信息化系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)IT與OT的融合，實現(xiàn)電網調度域設備監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理，與業(yè)務管理信息的關聯(lián)和融合應用[3]。

1 整體實現(xiàn)方法

如圖1所示，電網調度域設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)融合與應用方案實現(xiàn)的整體流程及步驟分為以下幾個部分。

1.1 實時數(shù)據(jù)采集

OCS系統(tǒng)采集遠動終端的信息數(shù)據(jù)后，由集中器進行匯總，并將數(shù)據(jù)存儲至內存數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)不間斷訪問內存數(shù)據(jù)庫，將設備實時采集數(shù)據(jù)推送至Kafka實時管道，將數(shù)據(jù)源源不斷地對外提供。

1.2 數(shù)據(jù)融合-實時數(shù)據(jù)計算

引入Flink流式計算框架來接收和處理Kafka提供的設備實時采集數(shù)據(jù)。在Flink中，將接收到的設備實時采集數(shù)據(jù)進行信息分組、重組、計算和匯總，轉換生成可識別的、符合業(yè)務應用的實時數(shù)據(jù)存儲至Redis內存數(shù)據(jù)庫，再經過與業(yè)務管理數(shù)據(jù)關聯(lián)后，提供至上層數(shù)據(jù)應用層進行應用。

1.3 數(shù)據(jù)融合-基礎數(shù)據(jù)匹配

IT與OT融合的關鍵在于如何使設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理類數(shù)據(jù)建立關聯(lián)關系。OCS系統(tǒng)提供的設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與OMS系統(tǒng)提供的業(yè)務管理類數(shù)據(jù)，是在設備的基礎上進行不同的操作、觀測和管理得到的數(shù)據(jù)。因此，將OCS系統(tǒng)和OMS系統(tǒng)的設備臺賬進行關聯(lián)匹配后，建立兩者的紐帶關系，即可建立設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理類數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系。因歷史原因，OMS系統(tǒng)的設備臺賬數(shù)據(jù)主要來源于安全生產管理子系統(tǒng)（以下簡稱PMS），因此將PMS設備臺賬數(shù)據(jù)與OCS設備臺賬數(shù)據(jù)進行關聯(lián)匹配，即可完成OMS與OCS設備臺賬數(shù)據(jù)的匹配。匹配過程中，主要依賴調度全景業(yè)務模型作為主要結構框架，分析和執(zhí)行不同設備類型的數(shù)據(jù)轉換規(guī)則來實現(xiàn)臺賬的匹配，并最終生成調度設備臺賬。

1.4 數(shù)據(jù)應用

圖1 整體實現(xiàn)方法

OCS系統(tǒng)設備臺賬與OMS系統(tǒng)設備臺賬建立匹配關系后，設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)彼此相互“認識”，可根據(jù)不同的業(yè)務場景，實現(xiàn)設備實時監(jiān)測與業(yè)務管理聯(lián)動的高級應用。例如，實現(xiàn)設備跳閘反措功能，通過獲取和分析設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來監(jiān)控設備故障跳閘情況。當發(fā)現(xiàn)設備跳閘時，由電網運行管理人員制定反事故措施，下發(fā)至對應的設備維護單位和維護人員。維護人員完成措施執(zhí)行后，填報和反饋執(zhí)行結果，再由電網運行管理人員對反措效果進行評價和歸檔，完成完整的設備跳閘反措流程。設備跳閘反措功能可在OMS原有的調度日志功能上改造和完善，達到在現(xiàn)有已實現(xiàn)的電力調度信息化系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)IT與OT融合的目的。

本文將重點對數(shù)據(jù)融合的實時數(shù)據(jù)計算和基礎數(shù)據(jù)匹配的詳細方法進行描述。

2 數(shù)據(jù)融合-實時數(shù)據(jù)計算方法

調度大規(guī)模的遙測、遙信數(shù)據(jù)源源不斷通過Kafka接口對外推送。因該類數(shù)據(jù)存在實時性高、數(shù)據(jù)量大以及無序、無狀態(tài)、無分組對象等特性，現(xiàn)有的信息系統(tǒng)技術架構無法有效對該類數(shù)據(jù)進行快速、高效的分析和應用。因此，需要引入流式計算框架Flink解決此技術問題。Flink核心是一個流式的數(shù)據(jù)流執(zhí)行引擎，且能夠實現(xiàn)基于同一個Flink運行時提供支持流處理和批處理兩種類型的應用。針對數(shù)據(jù)流的分布式計算提供了數(shù)據(jù)分布存儲、數(shù)據(jù)通信及容錯機制等功能[4]。

2.1 整體計算架構

整體的計算架構如圖2所示，可分為調度數(shù)據(jù)生產、消息隊列、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)區(qū)、業(yè)務區(qū)和前端6層。

2.1.1 調度數(shù)據(jù)生產、消息隊列

設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過kafka接口的Producer和Broker組件，將數(shù)據(jù)對外進行推送。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析層，F(xiàn)link框架的Consumer組件接收Kafka接口推送來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析層進行排序和結構化后，方可進行相應的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)計算。經過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，可實時通過Jedis組件推送至數(shù)據(jù)區(qū)，由數(shù)據(jù)區(qū)的Redis內存數(shù)據(jù)庫進行接收和存儲。通過數(shù)據(jù)計算后的結果認為是歷史數(shù)據(jù)時，可通過TCP/JDBC Client組件推送至數(shù)據(jù)區(qū)，由數(shù)據(jù)區(qū)的ClickHouse數(shù)據(jù)庫進行接收和存儲。

2.1.3 數(shù)據(jù)區(qū)

數(shù)據(jù)區(qū)由存儲了歷史狀態(tài)的設備監(jiān)測數(shù)據(jù)的ClickHouse數(shù)據(jù)庫、存儲了實時狀態(tài)的設備監(jiān)測數(shù)據(jù)的Redis數(shù)據(jù)庫及存儲了檔案數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)的Oracle數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)應用前端可根據(jù)業(yè)務場景的不同，通過相應的技術組件，從相應的數(shù)據(jù)庫中獲取所需的數(shù)據(jù)。

2.1.4 業(yè)務區(qū)

業(yè)務區(qū)提供了3種技術組件來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)區(qū)不同數(shù)據(jù)的獲取，分別是Jfinal、JDBC Client和Jedis。其中，Jfinal和JDBC Client組件用于實現(xiàn)對ClickHouse數(shù)據(jù)庫和Oracle數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)獲取。Jedis組件用于實現(xiàn)對redis數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)獲取。

2.1.5 前 端

前端由Vue、iView和axios組件組成。Vue和iView組件主要實現(xiàn)頁面的渲染和頁面的展示。axios組件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

前端主要實現(xiàn)3種業(yè)務場景的數(shù)據(jù)處理和展示。第一種是對歷史數(shù)據(jù)進行處理和展示，第二種是對實時數(shù)據(jù)進行處理和展示，第三種是結合檔案數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)對實時數(shù)據(jù)進行展示。其中，第一種業(yè)務場景采用常用的技術手段，從ClickHouse數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)進行處理和展示即可。第二、第三種業(yè)務場景則需要在前端采用定時輪詢Redis數(shù)據(jù)庫或接收Redis數(shù)據(jù)庫廣播信息的方式，以確保能夠及時有效獲取實時更新的數(shù)據(jù)。第三種業(yè)務場景屬于典型的IT和OT融合的場景。在該場景中，需要搭配調用業(yè)務區(qū)的Jfinal、JDBC Client和Jedis組件來獲取檔案數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)和實時設備檢測數(shù)據(jù)。獲取到這幾類數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)具體的業(yè)務需求實現(xiàn)設備實時監(jiān)測與業(yè)務管理聯(lián)動的高級應用。

2.2 實時數(shù)據(jù)處理方法

獲取到設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)后，需對數(shù)據(jù)進行處理和轉換，方可識別出設備的運行情況和異常狀態(tài)。下面以如何監(jiān)測和傳輸設備故障跳閘數(shù)據(jù)作為例子來描述具體的轉換和處理方法，如圖3所示。

Kafka接口中推送的設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)處于亂序的流式狀態(tài)，需經由Flink技術框架采取并行消費模式，將亂序數(shù)據(jù)通過Map算子生成信息系統(tǒng)常用的DataStream格式數(shù)據(jù)。

將數(shù)據(jù)中的設備ID作為關鍵值重新排序數(shù)據(jù)，并經由分組和聚合后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的結構化，排列出所有設備的運行狀態(tài)，形成以時間斷面為分組依據(jù)的一組一組的設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。Flink技術框架源源不斷獲取和轉換設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將設備運行狀態(tài)數(shù)值實時更新至Redis數(shù)據(jù)庫。

圖2 整體技術架構

前端應用定時讀取Redis數(shù)據(jù)庫中所有設備的實時運行狀態(tài)，當偵測到某設備當前運行狀態(tài)為異常數(shù)值時（如運行狀態(tài)數(shù)值由1變?yōu)?），則視為該設備出現(xiàn)跳閘情況，然后在頁面上通過彈窗展示或觸發(fā)反措管理功能的方式，實現(xiàn)設備跳閘信息的提醒和管理。

3 數(shù)據(jù)融合-基礎數(shù)據(jù)匹配方法

本節(jié)主要闡述如何通過OCS系統(tǒng)的設備臺賬，結合PMS系統(tǒng)的設備臺賬，依據(jù)調度全景業(yè)務模型，整合生成調度設備臺賬的方法。IT與OT的數(shù)據(jù)融合以整合后的調度設備臺賬作為主要關聯(lián)媒介，搭建設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務管理數(shù)據(jù)關聯(lián)的橋梁[5-6]。

3.1 總體匹配過程描述

OCS系統(tǒng)和PMS系統(tǒng)因面向的業(yè)務和用戶不同，設備臺賬存在一定的數(shù)據(jù)完整性問題，無法完全滿足調度業(yè)務使用，主要表現(xiàn)如下。

（1）OCS設備臺賬。設備參數(shù)不全，缺乏生產廠家、投運日期、運維單位等信息；未包括自動化、通信、保護等二次設備臺賬數(shù)據(jù)信息。

（2）PMS設備臺賬。500 kV及220 kV電壓等級的設備數(shù)據(jù)不完整，且未包含或部分包含電廠、大用戶、牽引站的設備數(shù)據(jù)；設備調度命名不規(guī)范，無法滿足調度業(yè)務管理需要。

3.1.1 整體匹配的思路

根據(jù)現(xiàn)狀和存在的問題，整體匹配的思路：不依賴于現(xiàn)有的某個業(yè)務系統(tǒng)的設備臺賬數(shù)據(jù)結構，以調度全景業(yè)務模型為基礎，構建全新的設備臺賬數(shù)據(jù)結構；根據(jù)現(xiàn)有的業(yè)務系統(tǒng)的設備臺賬數(shù)據(jù)的完備情況，從現(xiàn)有的系統(tǒng)中獲取已有的設備臺賬數(shù)據(jù)；因設備在多個系統(tǒng)中具有相應的數(shù)據(jù)，將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)重疊的情況，屆時需對重疊部分進行標示和關聯(lián)，而關聯(lián)過程主要采用人工比對的方式進行。

圖3 實時數(shù)據(jù)處理方法

3.1.2 總體匹配過程描述

（1）因OCS系統(tǒng)包含調度管理所需的所有設備數(shù)據(jù)，因此原則上以OCS的設備臺賬數(shù)據(jù)為主、PMS設備臺賬數(shù)據(jù)為輔。

（2）因PMS系統(tǒng)的設備臺賬中大用戶、電廠、牽引站的數(shù)據(jù)不完整，將從OCS系統(tǒng)獲取大用戶、電廠、牽引站的全部設備信息，再從PMS獲取大用戶、電廠、牽引站的全部參數(shù)信息來補充整合形成完整臺賬。

（3）匹配過程中先完成變電站的匹配，通過變電站匹配縮小數(shù)據(jù)范圍后，再針對不同的設備類型進行匹配。

（4）從PMS獲取的設備信息保留設備命名字段，新增調度命名字段，并按調度命名規(guī)則進行統(tǒng)一刷新。

（5）匹配過程中，先依據(jù)PMS和OCS系統(tǒng)設備名稱的差異情況編寫自動匹配規(guī)則，并執(zhí)行自動匹配。自動匹配無法匹配上的設備，再通過手動匹配方式補充完整。

3.2 變電站匹配規(guī)則描述

PMS設備臺賬和OCS設備臺賬中，所有變電站的名稱基本一致。但是，因兩個系統(tǒng)的臺賬建檔人員的錄入習慣不同，仍存在部分差異。因此，需要結合常見的差異情況形成變電站自動匹配規(guī)則：

（1）變電站在相同電壓等級情況下，取變電站名稱進行匹配；

（2）名稱內容去空，符號大寫數(shù)字、阿拉伯數(shù)字、羅馬數(shù)字轉阿拉伯數(shù)字；

（3）去除電壓等級之前和“變、站、變電站”字之后的名稱內容；

（4）“_”之前字符內容截掉。

通過以上規(guī)則可實現(xiàn)大部分變電站的自動匹配，對未能自動匹配的變電站輔以手動匹配的方式完成。

3.3 設備匹配過程描述

變電站匹配完成后進行具體設備的匹配。與變電站的情況相同，同一設備在PMS和OCS系統(tǒng)兩者的名稱基本一致，但需要根據(jù)差異情況優(yōu)化匹配規(guī)則：

（1）根據(jù)已經匹配成功的變電站下相同電壓等級相同的規(guī)則找到相同名稱的設備進行匹配；

（2）名稱內容去空，符號大寫數(shù)字、阿拉伯數(shù)字、羅馬數(shù)字轉阿拉伯數(shù)字；

（3）經轉化后的名稱字符取阿拉伯數(shù)字進行雙方匹配。

經過自動匹配后，大部分設備可以實現(xiàn)匹配。對無法自動匹配的設備，需要通過手動匹配方式完成匹配。

4 數(shù)據(jù)應用

根據(jù)電網調度域的常見業(yè)務需求，描述設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)融合與應用的典型應用。

4.1 設備跳閘反措功能

通過獲取和分析設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來監(jiān)控設備故障跳閘情況，當發(fā)現(xiàn)設備跳閘時，由電網運行管理人員制定反事故措施，下發(fā)至對應的設備維護單位和維護人員。維護人員完成措施執(zhí)行后，填報和反饋執(zhí)行結果，再由電網運行管理人員對反措效果進行評價和歸檔，完成完整的設備跳閘反措流程。具體地，獲取OCS推送的設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，偵測和識別設備跳閘情況，將識別結果進行展示；對設備跳閘進行反措管理，在功能頁面上錄入事故處理措施，完成設備跳閘識別到事故處理的完整流程。

4.2 綜合停電執(zhí)行監(jiān)控

在設備檢修管理流程的執(zhí)行環(huán)節(jié)，調度員完成對設備的所有操作后，需要綜合停電管理頁面錄入相應的操作執(zhí)行信息，包括操作時間、操作步驟、操作的對象等信息。通過獲取設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可在該頁面中將設備實際的運行情況信息一并顯示。通過對比錄入的操作信息和設備實際運行狀態(tài)的變化情況，可有效判斷錄入信息的準確性，以此確保設備檢修操作的規(guī)范性，監(jiān)督操作步驟是否符合要求，以進一步保障電網運行的安全穩(wěn)定。

5 結 論

本文提供了一種基于電網調度域設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)融合應用的實現(xiàn)方法。通過調度域設備模型的融合，建立設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)關聯(lián)的關系，并采用Flink框架和redis內存數(shù)據(jù)庫技術，在已實現(xiàn)的電力調度信息化系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)IT與OT的融合，實現(xiàn)電網調度域設備監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理以及與業(yè)務管理信息的關聯(lián)和融合應用。電網領域可在本方法的基礎上，結合實際的業(yè)務應用場景和管理要求，挖掘設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)融合與應用的需求，不斷創(chuàng)新和完善實現(xiàn)方法來輔助提高電網管理水平和供電服務質量。