龍秋鳳, 林呈輝, 徐玉韜, 范 強(qiáng), 張 歷, 陳敦輝, 代奇跡

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 貴州 貴陽 550001)

0 引 言

電力電子技術(shù)在快速發(fā)展的同時(shí),也為電網(wǎng)的安全性帶來諸多的隱患,導(dǎo)致電能質(zhì)量不斷惡化,因而電能質(zhì)量成為電網(wǎng)公司關(guān)注的一個(gè)課題。電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)是解決電能質(zhì)量問題的先決條件。一個(gè)功能完善的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電網(wǎng)中電能質(zhì)量情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題,監(jiān)控污染電能質(zhì)量的因素,對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行和電力設(shè)備的安全性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性均有積極作用[1-2]。

某電網(wǎng)公司早于2009年已開始關(guān)注電能質(zhì)量問題,并安裝有大量電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置。由于部分電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的通信規(guī)約不一致,在裝置的接入及統(tǒng)一管理上存在較大困難。因此,需要通過先進(jìn)的技術(shù)手段,建設(shè)完善該電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)不同通信規(guī)約的監(jiān)測(cè)裝置的快速接入,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題[3-5]。

該電網(wǎng)設(shè)計(jì)并建設(shè)一套信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化管理的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于統(tǒng)一通信平臺(tái)的接入方案,實(shí)現(xiàn)不同通信規(guī)約的監(jiān)測(cè)裝置接入,滿足不同人員的使用需求。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu),將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為變電站終端層和電科院主站層。變電站終端層包括采用私有通信規(guī)約的存量電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置,以及未來新增的采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。電科院主站層包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等,提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、Web信息發(fā)布等功能,電科院主站層通信防火墻實(shí)現(xiàn)信息在本省用戶內(nèi)的共享發(fā)布。某電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 某電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)接入方案

電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置廠家、型號(hào)不同,所采用的通信規(guī)約也不統(tǒng)一。為盡可能減少系統(tǒng)中間環(huán)節(jié),提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少維護(hù)工作量,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)所有電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)先采用直采方式接入主站軟件。具體原則如下:

(1) 對(duì)于存量的非IEC 61850裝置,主站軟件開發(fā)私有規(guī)約驅(qū)動(dòng)程序直接接入。

(2) 對(duì)于存量的IEC 61850裝置,主站軟件采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序接入。

(3) 對(duì)于增量裝置,要求支持IEC 61850規(guī)約,主站軟件通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序直接接入。

在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)上,系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于統(tǒng)一應(yīng)用程序接口(Uniform Application Program Interface,UAPI)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái),由數(shù)據(jù)采集主程序、UAPI和多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成,可同時(shí)提供對(duì)IEC 61850及私有通信規(guī)約的支持。UAPI接口方案工作原理如圖2所示。

圖2 UAPI接口方案工作原理

上述UAPI接口方案中,各組成部分的功能如下:

(1) 驅(qū)動(dòng)程序。針對(duì)每種通信協(xié)議開發(fā)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)程序,驅(qū)動(dòng)程序通過物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)終端的實(shí)際通信連接,用于實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議解析,并對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析和處理。

(2) UAPI接口。UAPI接口的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)不同驅(qū)動(dòng)程序的管理和監(jiān)視,并作為中間件起到隔離驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集程序作用。

(3) 數(shù)據(jù)采集程序。數(shù)據(jù)采集程序通過UAPI接口調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)不同電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的接入,以及對(duì)通信過程進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)度管理等。

基于UAPI的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)主要有以下優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定,主程序與驅(qū)動(dòng)程序之間、驅(qū)動(dòng)程序與驅(qū)動(dòng)程序之間相互隔離,任一驅(qū)動(dòng)程序故障不會(huì)影響到其他驅(qū)動(dòng)程序和主程序的正常運(yùn)行;統(tǒng)一,驅(qū)動(dòng)程序與主程序之間采用統(tǒng)一的接口;驅(qū)動(dòng)程序采用面向?qū)ο蟮难邪l(fā),不同數(shù)據(jù)源均由同一父類派生,驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)快捷;擴(kuò)展方便,如果有新數(shù)據(jù)源需要接入,只需開發(fā)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)源接入。

1.3 系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)

為滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析、管理等需求,該電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從功能上分為基礎(chǔ)支撐平臺(tái)、中間服務(wù)平臺(tái)、高端應(yīng)用平臺(tái)?；A(chǔ)支撐平臺(tái)包括各種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并向數(shù)據(jù)應(yīng)用開放通用和專用的數(shù)據(jù)接口。中間服務(wù)平臺(tái)提供電能質(zhì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用的常規(guī)功能模塊,滿足一般技術(shù)人員的日常技術(shù)工作和管理工作需要。高端應(yīng)用平臺(tái)提供針對(duì)性的、定制開發(fā)的高級(jí)應(yīng)用功能,滿足高級(jí)技術(shù)人員的技術(shù)分析需要。電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

1.3.1 基礎(chǔ)支撐平臺(tái)

基礎(chǔ)支撐平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等功能模塊。各功能模塊的說明如下。

圖3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)的采集,并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集模塊采用多線程并行通信的機(jī)制,容錯(cuò)能力強(qiáng),確保軟件能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 數(shù)據(jù)處理模塊用于接收原始數(shù)據(jù),并將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,將處理后的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)。

(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),為數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析功能提供數(shù)據(jù)查詢、檢索等服務(wù),是系統(tǒng)的核心模塊。

(4) 數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、還原、遷移、刪除、同步等操作。

1.3.2 中間服務(wù)平臺(tái)

中間服務(wù)平臺(tái)包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)配置、事件查詢、信息發(fā)布等功能模塊。各功能模塊的說明如下:

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊用于對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。

(2) 系統(tǒng)配置模塊用于對(duì)系統(tǒng)信息的配置及管理,可以方便地對(duì)新增設(shè)備進(jìn)行接入,并對(duì)不同用戶權(quán)限進(jìn)行管理。

(3) 事件查詢模塊用于對(duì)各類告警事件進(jìn)行查詢,包括系統(tǒng)運(yùn)行、暫態(tài)變化、穩(wěn)態(tài)越限等事件。

(4) 信息發(fā)布模塊用于集中展示數(shù)據(jù)分析和運(yùn)行管理功能,并支持將數(shù)據(jù)查詢及分析結(jié)果導(dǎo)出為Excel或圖片格式的文件,方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次利用。

1.3.3 高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)

高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)通過Web進(jìn)行使用,通過各類主流瀏覽器便可完成數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等功能。同時(shí),通過對(duì)電能質(zhì)量各類業(yè)務(wù)的梳理和分析,將高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)的功能分為綜合評(píng)估、詳細(xì)分析、高級(jí)應(yīng)用、運(yùn)行管理、平臺(tái)資源5個(gè)功能模塊。各模塊說明如下:

(1) 綜合評(píng)估模塊針對(duì)區(qū)域的電能質(zhì)量整體狀況的監(jiān)視,并可向電網(wǎng)其他業(yè)務(wù)部門、同行或外部單位進(jìn)行電能質(zhì)量信息展示。

(2) 詳細(xì)分析模塊針對(duì)特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量詳細(xì)分析,滿足日常技術(shù)工作的需要。

(3) 高級(jí)應(yīng)用模塊提供可擴(kuò)展性,根據(jù)需求的變化提供定制型開發(fā)的高級(jí)應(yīng)用功能。

(4) 運(yùn)行管理模塊提供各種管理功能入口,滿足日常管理工作的需要。

(5) 平臺(tái)資源模塊提供輔助性的資料管理,包括資料上傳、下載、信息發(fā)布等。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 基于數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)的數(shù)據(jù)查詢性能提升

采用數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù),利用晚上空閑時(shí)間在服務(wù)器上進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理,并將預(yù)處理后的結(jié)果存儲(chǔ)擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫中,從而可以避免在報(bào)表查詢時(shí)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算操作。數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)適用于所有時(shí)段固定的數(shù)據(jù)查詢操作。

數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)需要良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)配合。考慮到數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)設(shè)計(jì)采用基礎(chǔ)系統(tǒng)上擴(kuò)展其他類型系統(tǒng)的方案,在基礎(chǔ)系統(tǒng)中存儲(chǔ)通用數(shù)據(jù)(主要指基礎(chǔ)平臺(tái),如信息查詢和管理系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù),可從就地裝置中直接讀取或經(jīng)簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到),在擴(kuò)展系統(tǒng)中存儲(chǔ)專用數(shù)據(jù)(主要指高級(jí)平臺(tái)所需要的數(shù)據(jù),須經(jīng)專用程序?qū)A(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、統(tǒng)計(jì)方可得到)?；A(chǔ)系統(tǒng)和擴(kuò)展系統(tǒng)均分為實(shí)時(shí)庫和歷史庫。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2 基于正態(tài)分布理論的95%概率大值計(jì)算

大量結(jié)果表明,95%概率大值的統(tǒng)計(jì)計(jì)算是耗時(shí)最多的計(jì)算過程。如果能優(yōu)化提升95%概率大值的算法,也可以大幅度提升數(shù)據(jù)查詢性能。針對(duì)不規(guī)則時(shí)段的數(shù)據(jù)查詢操作,擬采用基于正態(tài)分布理論的95%概率大值方法?；谡龖B(tài)分布理論的95%概率大值計(jì)算流程如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 基于正態(tài)分布理論的95%概率大值計(jì)算流程

3 結(jié) 語

電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用直采方式實(shí)現(xiàn)不同通信規(guī)約的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的接入,并通過模塊化的功能設(shè)計(jì)思路,根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析的業(yè)務(wù)流程,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)支撐平臺(tái)、中間服務(wù)平臺(tái)、高端應(yīng)用平臺(tái)的三層式系統(tǒng),同時(shí)滿足一般技術(shù)人員及高級(jí)技術(shù)人員對(duì)電能質(zhì)量的分析與應(yīng)用需求。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)可全面掌握電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀況,為電能質(zhì)量綜合治理提供數(shù)據(jù)支撐,可以有效推動(dòng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平,為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。