云計(jì)算環(huán)境下電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民群眾的生活水平越來(lái)越高，越來(lái)越重視電路系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。人們對(duì)電能需求也日益加大，導(dǎo)致電力系統(tǒng)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，增加了電力系統(tǒng)的信息量，需要采用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行解決，根據(jù)較抽象的整合能力，完善電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，避免各地系統(tǒng)異構(gòu)的阻礙。基于此，本文主要分析和研究云計(jì)算環(huán)境下電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；電力自動(dòng)化；架構(gòu)

DOI：10.12433/zgkjtz.20233140

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力系統(tǒng)不斷進(jìn)步，在電力行業(yè)中，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的作用至關(guān)重要。電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)控管理電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全以及高效運(yùn)行的系統(tǒng)，目的是有效提高電力系統(tǒng)的速度和控制精度，減少人工干預(yù)，確保電網(wǎng)更好、更安全的運(yùn)行。

一、概述云計(jì)算技術(shù)和特征

（一）云計(jì)算概述

云計(jì)算屬于一種開(kāi)放式計(jì)算模式，以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，有效運(yùn)用虛擬化技術(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)可以配置的計(jì)算資源，包括網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、儲(chǔ)存以及服務(wù)等內(nèi)容。

（二）云計(jì)算技術(shù)的特征

其一，具有快速且有彈性的架構(gòu)。云計(jì)算架構(gòu)較靈活，根據(jù)用戶(hù)在空間和時(shí)間上的需求，快速實(shí)現(xiàn)資源規(guī)模變化，例如，縮小和擴(kuò)大以及關(guān)閉和開(kāi)啟等功能。

其二，廣泛地訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。云計(jì)算的計(jì)算資源不只局限于本地區(qū)域，還能借助網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)其他地區(qū)。這些云計(jì)算用戶(hù)可以直接訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，獲得高性能的云計(jì)算能力。

其三，云計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益較高。云計(jì)算能降低本地物理建設(shè)，一些人員配置問(wèn)題不斷減少，實(shí)現(xiàn)了本地基礎(chǔ)架構(gòu)的零維護(hù)。另外，云計(jì)算架構(gòu)能不斷降低業(yè)務(wù)中的損失，這也是其可靠性之一，充分體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

二、傳統(tǒng)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的問(wèn)題

（一）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

傳統(tǒng)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)主要應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，較固定，即各個(gè)臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行過(guò)程中，只有用相對(duì)模塊才能實(shí)現(xiàn)特定功能，如果多臺(tái)服務(wù)器與多個(gè)模塊組合到一起，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，只能應(yīng)用備用節(jié)點(diǎn)換取原來(lái)的工作，確保整個(gè)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)繼續(xù)工作。因此，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)影響電力自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（二）傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通用性較差

傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)自不同的廠(chǎng)商，功能系統(tǒng)不同，應(yīng)用零件和硬件結(jié)構(gòu)也有所不同，需要不同的專(zhuān)業(yè)維修人員和技術(shù)人員保障和維護(hù)系統(tǒng)，不僅耗費(fèi)資金，也很難滿(mǎn)足自動(dòng)化系統(tǒng)的需求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)范和統(tǒng)一。

（三）修復(fù)和保障具有很大難度

傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)雖然具有雙重保障，但許多地方一旦發(fā)生故障仍很難修復(fù)和預(yù)防，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，智能電網(wǎng)也不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)信息資源和電力系統(tǒng)管理工作會(huì)不斷增加，導(dǎo)致消耗人力和物力。

（四）傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)性差

在整個(gè)智能電網(wǎng)中，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是中心，如果發(fā)生故障，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的電網(wǎng)事故，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。如果傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)容災(zāi)能力差，便無(wú)法預(yù)估事故。傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求也不同，因此，容災(zāi)能力會(huì)降低，難以制定有效的防災(zāi)方案。

三、云計(jì)算環(huán)境下，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

在云計(jì)算環(huán)境下，電力設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是保證電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的安全性和可靠性，提高電力設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，減少信息孤島問(wèn)題，對(duì)設(shè)備監(jiān)控和運(yùn)行進(jìn)行處理，使其更加可靠和實(shí)時(shí)。根據(jù)不同的功能性，可以分為基礎(chǔ)層和服務(wù)層以及平臺(tái)層。基礎(chǔ)層是有效運(yùn)用服務(wù)器集群，去除差異性，將資源虛擬化，屏蔽基礎(chǔ)硬件信息，虛擬化資源既要按需分配和及時(shí)回收，又要靈活擴(kuò)展，提高資源利用率，虛擬化管理、虛擬化抽象、虛擬機(jī)以及基礎(chǔ)設(shè)施等都包括在內(nèi)。服務(wù)層與業(yè)務(wù)密切相關(guān)，該層應(yīng)用可謂最前沿，無(wú)論是狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，還是負(fù)荷預(yù)測(cè)和電力營(yíng)銷(xiāo)以及分析潮流等都包括在內(nèi)。

電網(wǎng)擴(kuò)大以及出現(xiàn)的采集裝置的采集速率更加迅速，導(dǎo)致未來(lái)系統(tǒng)控制和分析線(xiàn)動(dòng)態(tài)要求的計(jì)算能力超過(guò)了現(xiàn)階段的實(shí)際配置。如果僅考慮提升的處理費(fèi)用，會(huì)增加投入，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

要想解決上述問(wèn)題，基于電網(wǎng)內(nèi)廣域的整體特性，利用已有的廣域網(wǎng)絡(luò)，建立電網(wǎng)的專(zhuān)用云，并通過(guò)優(yōu)化的控制算法，有效融合已有的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)供電；同時(shí)，電網(wǎng)可以對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行全面的隱私控制，更好地解決電網(wǎng)的物理隔離問(wèn)題，確保數(shù)據(jù)安全。

在逐漸分散二次系統(tǒng)和資源以及數(shù)據(jù)方面，本文提出了一種基于云計(jì)算的電網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制平臺(tái)，在云計(jì)算環(huán)境下，如果要實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，既要高效科學(xué)，又要結(jié)構(gòu)清晰，并具備可擴(kuò)展性、維護(hù)性、兼容性以及開(kāi)放性，將良好的合作平臺(tái)提供給不同的硬件和軟件廠(chǎng)商。

該系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)包括：第一，分類(lèi)管理采集的大量數(shù)據(jù)。將不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)分類(lèi)歸檔，構(gòu)建專(zhuān)題應(yīng)用庫(kù)，例如，針對(duì)分散二次系統(tǒng)的報(bào)警日志，構(gòu)建報(bào)警日志應(yīng)用庫(kù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)主題數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和發(fā)掘，提高數(shù)據(jù)利用率。

第二，為分布式電能大數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)平臺(tái)。利用分布式文件系統(tǒng)對(duì)省級(jí)以下二次系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理，包括系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)資源、執(zhí)行任務(wù)情況、進(jìn)程狀態(tài)以及系統(tǒng)警報(bào)等。

第三，建立分析資料的工具庫(kù)。二次電網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，生成的電量也以幾何級(jí)數(shù)的速度增加，為了在大量數(shù)據(jù)中挖掘有用的信息，可以根據(jù)構(gòu)建電力系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)分析工具庫(kù)，運(yùn)用先進(jìn)的挖掘數(shù)據(jù)工具、機(jī)器學(xué)習(xí)工具以及人工智能工具，挖掘不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為決策層提供支撐。

第四，電力系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)，無(wú)論是日志格式，還是多種數(shù)據(jù)格式都要給予支持，使多種協(xié)議接口集成，在訪(fǎng)問(wèn)其他系統(tǒng)時(shí)，降低工作負(fù)荷。

第五，具有彈性、開(kāi)放性的架構(gòu)，便于訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)子系統(tǒng)及第三方數(shù)據(jù)。

第六，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制采用先進(jìn)的可視化方法。

本系統(tǒng)主要針對(duì)運(yùn)營(yíng)和維修人員，因此，為更好地發(fā)揮實(shí)用性，將現(xiàn)代化的可視化技術(shù)有效地應(yīng)用于電網(wǎng)中，將全方位技術(shù)支撐提供給運(yùn)行維護(hù)人員，從而更好地在云計(jì)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

四、云計(jì)算環(huán)境下，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

云計(jì)算環(huán)境下，采用分布式多層次架構(gòu)的配電自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將同類(lèi)業(yè)務(wù)模塊化，提高并行處理能力。電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集層、核心層和展示層三層架構(gòu)組成。

第一，采集層，主要作用是接收網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、安全管理平臺(tái)、自動(dòng)控制等方面的有關(guān)信息，并傳遞到核心服務(wù)器進(jìn)行處理。采集層由網(wǎng)管采集器、安管采集器以及自動(dòng)化系統(tǒng)采集器構(gòu)成。網(wǎng)管采集器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)管平臺(tái)的性能告警以及資源信息等數(shù)據(jù)的接收；安管收集模塊的功能是對(duì)安管平臺(tái)性能、報(bào)警漏洞、風(fēng)險(xiǎn)和資源等進(jìn)行接收；一個(gè)用于接收自動(dòng)控制自動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，例如，DF8003的量測(cè)、警告以及資源信息等數(shù)據(jù)。

第二，核心層。主要負(fù)責(zé)采集層數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求的分析和接收，主要職能包括：一是用于對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行分析和接收的核心庫(kù)，例如，告警的處理和分析以及性能、處理和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的核心服務(wù)；二是數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用HBase和HDFS儲(chǔ)存系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)；三是企業(yè)服務(wù)，處理用戶(hù)接口中的各類(lèi)要求，例如，報(bào)警的顯示、篩選、報(bào)警處理、報(bào)警通告等。

第三，展示層。提供了對(duì)用戶(hù)的作業(yè)查詢(xún)，監(jiān)控商業(yè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、性能、報(bào)警，查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。云計(jì)算環(huán)境下，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用和安全分區(qū)，還是縱向認(rèn)證和橫向隔離等安全防護(hù)需求都能被滿(mǎn)足。

根據(jù)SOA框架，供電自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能提供各種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)，應(yīng)具有較高的可擴(kuò)充性，對(duì)于WebService、HTTP/SOAP、JMS/CMS以及Socket等相關(guān)協(xié)議予以支持；按照面向的對(duì)象，系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，遵循程序模塊與層次組件的設(shè)計(jì)原理。在此基礎(chǔ)上，利用該技術(shù)，可以在多個(gè)操作系統(tǒng)、多個(gè)異質(zhì)的硬件環(huán)境下，進(jìn)行分布式的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

五、基于云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

（一）實(shí)現(xiàn)監(jiān)控之間的通信

監(jiān)控中心與各子廠(chǎng)站運(yùn)用通信運(yùn)營(yíng)，將數(shù)據(jù)專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)利用租用光纖通道將通信傳輸網(wǎng)接入，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建VPN和電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)，無(wú)論是中心的SCADA服務(wù)器，還是各個(gè)變電站通信集成服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)中都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，需要按照點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接，應(yīng)用VPN實(shí)現(xiàn)監(jiān)控通信。根據(jù)資源池，控制電力系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)間各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)通信，形成本地云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。

（二）出現(xiàn)資源池

云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)的電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)可以充分利用原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器，再有效運(yùn)用云計(jì)算虛擬化技術(shù)構(gòu)建資源池。

六、云計(jì)算環(huán)境下，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云計(jì)算環(huán)境下，電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)獲取、特征值抽取、電力系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的實(shí)施三大模塊。

第一，采集數(shù)據(jù)模塊。運(yùn)用Direct方法在電氣設(shè)備上安裝傳感器，讀取和保存數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)將模擬量轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，并進(jìn)行光電隔離，以增強(qiáng)抗干擾性。對(duì)電網(wǎng)中的電器實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅可以測(cè)量各線(xiàn)路的信號(hào)強(qiáng)度，還可以得到各信號(hào)之間的相位關(guān)系，基本方式是采用多變換開(kāi)關(guān)和多組取樣維持裝置、帶有輸出鎖存的ADC組成一個(gè)同步取樣裝置。

第二，抽取數(shù)據(jù)特征量的模塊。將收集的裝備資料轉(zhuǎn)化為規(guī)范的形式，便于抽取，然后高效利用傅里葉變換抽取出資料的特征，得到與資料相同的MFCC參數(shù)。其中，數(shù)據(jù)特征量的參量為 MFCC；電器裝置資料組，運(yùn)算參數(shù)為X。利用這一關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力裝備的特征參量的求解，為實(shí)現(xiàn)電力裝備的智能化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第三，電力裝置的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)以電氣裝置的數(shù)據(jù)為核心的各參量與MFCC參量進(jìn)行比較、分析，由控制器將判定的結(jié)論傳送到監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，利用任務(wù)的價(jià)值特性模型實(shí)施智能監(jiān)測(cè)。其中，Wi=agi+bki，Wi表示任務(wù)的有效值，ki表示數(shù)據(jù)類(lèi)型的值，a和b的系數(shù)以及用gi的數(shù)據(jù)源鍵值。在有效值中，資料來(lái)源包括資料的種類(lèi)k與重要度g，資料種類(lèi)包括警報(bào)以及例外與慣例。g是決定優(yōu)先順序的因素，當(dāng)電網(wǎng)重要設(shè)施的g值較大時(shí)，為了避免發(fā)生嚴(yán)重后果，必須在短時(shí)間內(nèi)完成。k可以體出工作的迫切性，所以它的資料是實(shí)時(shí)的，優(yōu)先級(jí)較高。可以根據(jù)k值和g值，判斷任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和花費(fèi)時(shí)間。

在云計(jì)算環(huán)境下，根據(jù)云計(jì)算技術(shù)的電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用科學(xué)且先進(jìn)的資源池，突破傳統(tǒng)電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的束縛，既能使電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行，又能使經(jīng)濟(jì)效益更好的實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：趙品彰（1987），男，遼寧省本溪市人，大學(xué)本科，電力工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。