基于雙平面前置采集的電力監控系統設計

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著我國電力自動化水平的不斷提高，對電力監控系統的依賴越發嚴重。電力監控系統是保證每個生產環節正常運行的基礎，供電設備一旦出現故障將會給生產安全帶來直接影響，因此電力監控系統的可靠性和穩定性極其重要。電力監控系統可以真實準確快速地反映當前企業電力系統的實際運行情況，提供安全可靠的手段和方法供維護人員處理解決問題，是對企業電力系統維護的基礎［1］。

前置采集是電力監控系統與其他電力系統的直接接口，通過與各遠方廠站終端裝置的通信實現對電網實時運行信息采集，將實時數據提供給應用服務的實時數據庫，并按照應用所下達的指令實現對遠方站的調控功能。隨著無人值守變電站的普遍應用，前置采集作為系統數據源的關鍵環節，應具有高度的可靠性和強大的信息處理能力［2-4］。

基于數據網雙平面的前置采集實現方法進行電力監控系統設計，解決了單個數據網核心通信設備故障導致的企業全部或大面積通信故障會引發系統癱瘓的問題。前置采集具備在不同數據網采集和動態切換功能，為提高電力數據采集的可靠性提供了技術方面的保障。

1 數據網雙平面

雙平面網絡技術是在企業廣域專網中通過增加節點和通道的冗余性，提高網絡的可用性，增加網絡承載通道和網絡容量，以滿足精細化區分業務類型、保障關鍵業務運行的根本要求［5-7］。

目前電力監控系統中的前置采集與下屬變電站進行數據通信時常采用單平面的鏈路模式，當數據網中任一網絡設備故障或進行檢修時，監控主站與變電站遠動裝置通信網絡中斷，數據源被完全切斷，數據無法采集，嚴重影響正常工作。

雙平面數據網由于平面間的相對獨立性，通過與業務層面的配合，業務可通過正常網絡平面實現轉發，可有效規避上述問題對業務的影響。建設數據網第二平面，可滿足業務系統較高的可靠性要求，具有較高的保障能力。考慮到前置采集運行的穩定性和可靠性，應開展適用于雙平面的前置采集方法研究，以提升前置采集運行的穩定性及電力數據的準確性。

數據網絡雙平面在原有網絡架構的基礎上，通過增加對應網絡設備節點，構成業務分流的第二個承載平面。原有節點和新增節點可視為節點級的冗余關系，通常采用“背靠背”連接。這種組網方式的優點是可利用原有節點和備份節點的網元級連接關系，實現平面間的快速切換。當一個平面發生故障時，業務層可以自動切換至另一個平面承載，由此提高業務的可靠性。數據網絡雙平面的路由拓撲結構如圖1 所示。

圖1 雙平面路由拓撲

2 系統架構

雙平面系統架構如圖2 所示，監控中心的服務器和變電站的遠動裝置分別和數據網絡一、二平面進行連接，在雙平面數據網絡上完成數據采集與通信。

圖2 雙平面系統架構

企業電力監控系統監控中心的前置服務器A 通過數據網一平面與遠方變電站的遠動裝置A 進行通信連接；前置服務器B 通過數據網二平面與變電站的遠動裝置B 進行通信連接；數據網兩個平面獨立存在，互不影響。

3 實現方案

3.1 模塊劃分

為了實現雙平面前置采集功能，需要將企業電力監控系統的前置采集劃分為3 個模塊，分別為前置采集鏈路處理模塊、規約解析模塊、多機并行處理模塊部分［8-9］。三者之間的部署及關系如圖3 所示。

鏈路處理模塊負責完成在數據網平面鏈路上與變電站遠動裝置進行通信交互。如：TCP 模式下鏈路的建立、數據的讀寫、錯誤的處理，UDP 模式下廣播數據的發送和接收。

規約解析模塊依賴于鏈路處理模塊，其將鏈路處理模塊接收到的通信報文按照配置好的規約格式進行解析，并根據任務需求生成新的規約報文交給鏈路處理模塊，供鏈路處理模塊發送到遠動裝置。

多機并行處理模塊根據鏈路處理模塊提供的通道狀態，將規約解析模塊產生的解析數據并行進行處理，向監控系統的其他節點提供實時數據。

圖3 前置采集模塊部署關系

3.2 系統建模

利用傳統處理方式建模，通常監控系統將每個變電站建立1 個采集對象，在此變電站對象下再創建1 個或多個通道對象。在只有1 臺前置負責采集（主備機）的模式下，這種建模方式參數配置清晰，前置采集功能實現也很便捷。但在多機并行模式下，由于1 個變電站可能有多個通道對象，1 臺采集機器又采集多個變電站，存在多種通道組合模式，參數配置工作及采集功能實現都非常復雜。如圖4 所示。

圖4 常規系統模型參數配置

利用多機并行處理方式建模，區別于常規的樹形模式，改為以通道為核心單元的表格模式。每個通道必須包括2 個屬性，本通道所屬的變電站和本通道所在的前置服務器 （前置服務器A、前置服務器B）。因此在建模配置時，系統中的所有通道組合都已獨立存在，且具有唯一標識，處理模塊不需要再處理組合模式，只須對每個唯一標識的通道進行管理，大大降低了功能實現的復雜度，保證功能實現的可靠性。詳細模型配置見表1。

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表1 系統模型配置

3.3 實現過程

企業電力監控系統中前置采集主機的多機并列處理技術是在自動化系統平臺的服務管理功能基礎上實現的。在系統管理的服務管理中對前置采集節點進行并行運行模式部署，兩個前置采集節點上的鏈路處理模塊、規約解析模塊、多機并行處理模塊全部“熱備冗余”狀態運行。“熱備冗余”即前置節點均按照原系統所建模型進行配置，對其所轄的通道進行維護和采集，完成鏈路的處理及規約報文的轉換。

部署在2 個前置節點的多機并行處理模塊通過特定的選舉策略，動態選舉其中1 臺前置節點為管理節點，則該節點上的多機并行處理模塊具備多機協調管理功能，可匯集全部前置節點的通道實際運行狀態，并對其進行計算及管理。具體為：

1）通過內部接口，獲得本前置服務器的所有通道當前運行狀態。

2）通過網絡通信，獲得另外一臺前置服務器的所有通道當前運行狀態。

3）以變電站為核心，對在線運行的所有屬于該變電站的通道進行排序判優（排序為網絡規約通道優先級最高、串口規約優先級其次、轉發規約優先級最低），分析出變電站下屬通道的實時優先級排序表，如表2 所示。

4）根據實時優先級排序表，將優先級最高的通道賦予值班通道，其余通道賦予非值班通道，并通過網絡通信將此信息發送到另一前置服務器。

表2 通道的實時優先級排序

將值班通道鏈路采集到的數據與非值班通道鏈路采集的數據進行比對，將可疑數據發送給系統后臺告警模塊，最終將值班通道鏈路采集的結果數據發送給自動化系統其他應用模塊，并將該數據設置為“可疑數據”，提醒監控自動化人員。即完成了采集數據的多源比較。

當變電站遠動裝置接收到信息的錯誤率超過某個預定義的閾值，或變電站遠動裝置的響應為否定的確認信息，或無法接收變電站遠動裝置的響應時，則該通道被稱為“故障”通道。系統進行對應的切換操作并發出故障告警。系統在切換時，正在傳送的信息不丟失，同時發出告警，并記錄告警信息。

3.4 仿真驗證

搭建對應的系統測試硬件環境，并在電力監控系統中錄入雙平面的通道采集模型，對電力監控系統中的前置采集值班通道切換進行測試驗證。

結合電力監控系統的日常運行情況，對其前置采集中可能出現的通信故障進行分類總結，大致分為4 種類型的前置故障，具體故障詳情見表3。

在測試環境對表3 中的每個故障皆進行多次模擬驗證，記錄每次模擬驗證的開始時間，切換恢復成功時間。具體故障驗證記錄見表4。

經試驗驗證，在基于雙平面前置采集的基礎上，電力監控系統前置采集采用多機并列運行方式，可以對多種前置通信采集的故障進行快速準確地切換處理。系統根據故障情況通過通道實時優先級進行值班切換，從故障發生到完成切換在3 s 內完成，且在切換期間采集數據未丟失。該電力監控系統的穩定性和可靠性，為長期高效穩定運行提供保障。

表3 故障詳情

表4 故障驗證記錄

4 結語

基于數據網雙平面的設計，采用多機并行處理技術、熱備冗余技術、多源比較技術，實現電力監控系統中的前置采集，極大地提高了企業電力監控系統的穩定性和可靠性，保障了企業電力系統的正常運行，為生產和建設提供了堅實的基礎。