云計算環境下電力自動化監控系統設計研究

摘要：隨著社會和經濟的發展，人民群眾的生活水平越來越高，越來越重視電路系統的安全性和穩定性。人們對電能需求也日益加大，導致電力系統規模也逐漸擴大，增加了電力系統的信息量，需要采用云計算技術進行解決，根據較抽象的整合能力，完善電力自動化監控系統，避免各地系統異構的阻礙。基于此，本文主要分析和研究云計算環境下電力自動化監控系統的設計，以供參考。

關鍵詞：云計算；電力自動化；架構

DOI：10.12433/zgkjtz.20233140

隨著經濟發展，電力系統不斷進步，在電力行業中，電力自動化監控系統的作用至關重要。電力自動化監控系統是實時監控管理電力系統穩定和安全以及高效運行的系統，目的是有效提高電力系統的速度和控制精度，減少人工干預，確保電網更好、更安全的運行。

一、概述云計算技術和特征

（一）云計算概述

云計算屬于一種開放式計算模式，以現有技術為基礎，有效運用虛擬化技術，借助網絡訪問可以配置的計算資源，包括網絡、應用、儲存以及服務等內容。

（二）云計算技術的特征

其一，具有快速且有彈性的架構。云計算架構較靈活，根據用戶在空間和時間上的需求，快速實現資源規模變化，例如，縮小和擴大以及關閉和開啟等功能。

其二，廣泛地訪問網絡。云計算的計算資源不只局限于本地區域，還能借助網絡訪問其他地區。這些云計算用戶可以直接訪問互聯網，獲得高性能的云計算能力。

其三，云計算經濟效益較高。云計算能降低本地物理建設，一些人員配置問題不斷減少，實現了本地基礎架構的零維護。另外，云計算架構能不斷降低業務中的損失，這也是其可靠性之一，充分體現經濟效益。

二、傳統電力自動化監控系統中的問題

（一）結構較復雜

傳統電力自動化監控系統架構主要應用拓撲結構，較固定，即各個臺服務器運行過程中，只有用相對模塊才能實現特定功能，如果多臺服務器與多個模塊組合到一起，可以實現整個電力自動化監控系統的綜合運用，當一個節點出現故障時，只能應用備用節點換取原來的工作，確保整個電力自動化監控系統繼續工作。因此，整個系統構架龐大，結構復雜，會影響電力自動監控系統的正常運行。

（二）傳統自動化監控系統通用性較差

傳統自動化監控系統來自不同的廠商，功能系統不同，應用零件和硬件結構也有所不同，需要不同的專業維修人員和技術人員保障和維護系統，不僅耗費資金，也很難滿足自動化系統的需求，無法實現規范和統一。

（三）修復和保障具有很大難度

傳統自動化監控系統雖然具有雙重保障，但許多地方一旦發生故障仍很難修復和預防，會影響整個系統的穩定運行。科學技術快速發展，智能電網也不斷進步，電力系統信息資源和電力系統管理工作會不斷增加，導致消耗人力和物力。

（四）傳統自動化監控系統容災性差

在整個智能電網中，電力自動化監控系統是中心，如果發生故障，會出現嚴重的電網事故，導致電網崩潰。如果傳統自動化監控系統容災能力差，便無法預估事故。傳統自動化監控系統構架標準不同，對運行環境的要求也不同，因此，容災能力會降低，難以制定有效的防災方案。

三、云計算環境下，電力自動化監控系統設計的目標

在云計算環境下，電力設備自動化系統設計的主要目標是保證電力自動化監控系統設備的安全性和可靠性，提高電力設備的經濟效益，減少信息孤島問題，對設備監控和運行進行處理，使其更加可靠和實時。根據不同的功能性，可以分為基礎層和服務層以及平臺層。基礎層是有效運用服務器集群，去除差異性，將資源虛擬化，屏蔽基礎硬件信息，虛擬化資源既要按需分配和及時回收，又要靈活擴展，提高資源利用率，虛擬化管理、虛擬化抽象、虛擬機以及基礎設施等都包括在內。服務層與業務密切相關，該層應用可謂最前沿，無論是狀態評估和狀態監測，還是負荷預測和電力營銷以及分析潮流等都包括在內。

電網擴大以及出現的采集裝置的采集速率更加迅速，導致未來系統控制和分析線動態要求的計算能力超過了現階段的實際配置。如果僅考慮提升的處理費用，會增加投入，降低系統的實時性。

要想解決上述問題，基于電網內廣域的整體特性，利用已有的廣域網絡，建立電網的專用云，并通過優化的控制算法，有效融合已有的計算機和數據，為電網供電；同時，電網可以對計算資源進行全面的隱私控制，更好地解決電網的物理隔離問題，確保數據安全。

在逐漸分散二次系統和資源以及數據方面，本文提出了一種基于云計算的電網自動監測與控制平臺，在云計算環境下，如果要實現電力自動化監控系統設計的目標，既要高效科學，又要結構清晰，并具備可擴展性、維護性、兼容性以及開放性，將良好的合作平臺提供給不同的硬件和軟件廠商。

該系統監控平臺包括：第一，分類管理采集的大量數據。將不同類型的數據分類歸檔，構建專題應用庫，例如，針對分散二次系統的報警日志，構建報警日志應用庫，利用機器學習的方法對主題數據進行分析和發掘，提高數據利用率。

第二，為分布式電能大數據構建一個統一的存儲平臺。利用分布式文件系統對省級以下二次系統進行了統一的存儲和管理，包括系統服務狀態、系統日志、系統資源、執行任務情況、進程狀態以及系統警報等。

第三，建立分析資料的工具庫。二次電網的規模越來越大，生成的電量也以幾何級數的速度增加，為了在大量數據中挖掘有用的信息，可以根據構建電力系統自動化監控平臺數據分析工具庫，運用先進的挖掘數據工具、機器學習工具以及人工智能工具，挖掘不同的業務數據，為決策層提供支撐。

第四，電力系統自動化監控平臺，無論是日志格式，還是多種數據格式都要給予支持，使多種協議接口集成，在訪問其他系統時，降低工作負荷。

第五，具有彈性、開放性的架構，便于訪問各個子系統及第三方數據。

第六，對電網運行的實時監測與控制采用先進的可視化方法。

本系統主要針對運營和維修人員，因此，為更好地發揮實用性，將現代化的可視化技術有效地應用于電網中，將全方位技術支撐提供給運行維護人員，從而更好地在云計算環境下實現電力自動化監控系統設計的目標。

四、云計算環境下，電力自動化監控系統的結構

云計算環境下，采用分布式多層次架構的配電自動化監測系統，將同類業務模塊化，提高并行處理能力。電力自動化監控系統主要由采集層、核心層和展示層三層架構組成。

第一，采集層，主要作用是接收網絡管理平臺、安全管理平臺、自動控制等方面的有關信息，并傳遞到核心服務器進行處理。采集層由網管采集器、安管采集器以及自動化系統采集器構成。網管采集器主要負責網管平臺的性能告警以及資源信息等數據的接收；安管收集模塊的功能是對安管平臺性能、報警漏洞、風險和資源等進行接收；一個用于接收自動控制自動系統的數據采集器，例如，DF8003的量測、警告以及資源信息等數據。

第二，核心層。主要負責采集層數據處理請求的分析和接收，主要職能包括：一是用于對不同類型的數據請求進行分析和接收的核心庫，例如，告警的處理和分析以及性能、處理和分析監測數據以及電力自動化監控系統的核心服務；二是數據庫，應用HBase和HDFS儲存系統的所有數據；三是企業服務，處理用戶接口中的各類要求，例如，報警的顯示、篩選、報警處理、報警通告等。

第三，展示層。提供了對用戶的作業查詢，監控商業系統的工作狀態、性能、報警，查詢歷史數據和實時數據。云計算環境下，電力自動化監控系統設計無論是網絡專用和安全分區，還是縱向認證和橫向隔離等安全防護需求都能被滿足。

根據SOA框架，供電自動化監測系統能提供各種不同的操作系統平臺，應具有較高的可擴充性，對于WebService、HTTP/SOAP、JMS/CMS以及Socket等相關協議予以支持；按照面向的對象，系統軟件進行設計和開發，遵循程序模塊與層次組件的設計原理。在此基礎上，利用該技術，可以在多個操作系統、多個異質的硬件環境下，進行分布式的應用開發。

五、基于云計算技術，設計電力自動化監控系統的架構

（一）實現監控之間的通信

監控中心與各子廠站運用通信運營，將數據專線業務利用租用光纖通道將通信傳輸網接入，以此為基礎構建VPN和電力監控數據網，無論是中心的SCADA服務器，還是各個變電站通信集成服務器，在網絡中都是一個節點，需要按照點對多點連接，應用VPN實現監控通信。根據資源池，控制電力系統資源，使系統間各個模塊實現通信，形成本地云計算數據中心。

（二）出現資源池

云計算技術設計的電力自動化監控系統架構可以充分利用原來的網絡設備和服務器，再有效運用云計算虛擬化技術構建資源池。

六、云計算環境下，電力自動化監控系統設計

云計算環境下，電力自動化監控系統主要包括數據獲取、特征值抽取、電力系統自動化監測的實施三大模塊。

第一，采集數據模塊。運用Direct方法在電氣設備上安裝傳感器，讀取和保存數據，該系統將模擬量轉換成二進制，并進行光電隔離，以增強抗干擾性。對電網中的電器實時監控，不僅可以測量各線路的信號強度，還可以得到各信號之間的相位關系，基本方式是采用多變換開關和多組取樣維持裝置、帶有輸出鎖存的ADC組成一個同步取樣裝置。

第二，抽取數據特征量的模塊。將收集的裝備資料轉化為規范的形式，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。其中，數據特征量的參量為 MFCC；電器裝置資料組，運算參數為X。利用這一關系式，實現對電力裝備的特征參量的求解，為實現電力裝備的智能化奠定堅實的基礎。

第三，電力裝置的自動監測和控制系統設計。通過對以電氣裝置的數據為核心的各參量與MFCC參量進行比較、分析，由控制器將判定的結論傳送到監測計算機，利用任務的價值特性模型實施智能監測。其中，Wi=agi+bki，Wi表示任務的有效值，ki表示數據類型的值，a和b的系數以及用gi的數據源鍵值。在有效值中，資料來源包括資料的種類k與重要度g，資料種類包括警報以及例外與慣例。g是決定優先順序的因素，當電網重要設施的g值較大時，為了避免發生嚴重后果，必須在短時間內完成。k可以體出工作的迫切性，所以它的資料是實時的，優先級較高。可以根據k值和g值，判斷任務的優先級和花費時間。

在云計算環境下，根據云計算技術的電力自動化監控系統架構，設計自動化監控系統，運用科學且先進的資源池，突破傳統電力自動化監控系統的束縛，既能使電力自動化監控系統高效穩定的運行，又能使經濟效益更好的實現。

參考文獻：

[1]王曉翼.基于自動化滲透測試的電力監控系統網絡安全脆弱性檢測[J].電子設計工程，2023，31（05）：75-79.

[2]王寶娟，宋方斌.基于云計算電力自動化監控系統設計與實現[J].電氣技術與經濟，2023（01）：53-55.

[3]魏新玲.基于大型電力提灌工程的泵站綜合自動化監控系統設計[J].現代工業經濟和信息化，2022，12（11）：38-39.

[4]孟韓琳.電力監控自動化系統中信息安全防護的應用[J].信息記錄材料，2022，23（10）：120-122.

[5]王鵬凱.基于云計算的風電場電力自動化監控系統設計[J].自動化技術與應用，2020，39（07）：181-184.

[6]牛小俊.電力信息機房環境監控管理系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2019.

[7]徐曉峰.電力系統自動化監控系統的設計應用[J].電子世界，2018（24）：174-175.

[8]李維偉.電氣自動化控制系統及其設計研究[J].居舍，2018（29）：171.

[9]趙欣.南水北調中線一期工程邢石段電力監控自動化系統設計[J].河北建筑工程學院學報，2016，34（04）：102-105.

[10]金顯華，陳衛軍，萬真禮，等.基于圖像處理的電力現場自動化監控系統設計[J].華東電力，2014，42（12）：2585-2588.

[11]何炳.電力系統自動化監控系統的設計應用實踐分析[J].通訊世界，2014（11）：50+51.

作者簡介：趙品彰（1987），男，遼寧省本溪市人，大學本科，電力工程師，主要研究方向為電氣工程及其自動化。