一種變電主輔設備巡視計算的實現方法

王位杰 李應棋 紀 陵 檀庭方

一種變電主輔設備巡視計算的實現方法

王位杰 李應棋 紀 陵 檀庭方

（南京國電南自軟件工程有限公司，南京 211100）

針對變電主輔設備多維度狀態巡視計算復雜的問題，從設備本體、設備類型、電網隸屬、區域、時間及計算類型等多個維度綜合考慮，構建變電主輔設備多維度計算模型。面對工程應用的多樣性，設計一種基于插件的通用計算框架，通過動態擴展及加載機制滿足工程增量計算及升級部署需求；對進程容錯機制進行改進，構建插件的并行分布機制，實現業務插件的負載均衡和靈活部署；最后基于語義發布訂閱機制，可滿足應用的數據交互需求。實際工程應用表明，本文所提方法可滿足工程中設備計算的大部分需求，可有效提高檢修人員的設備運行巡視效率。

主輔設備；多維度；插件；動態擴展；并行分布

0 引言

隨著變電站數量增加，對大量變電設備運行和精益精準管理的要求越來越高。若運維檢修工作中出現漏檢或錯檢，會增加電網運行潛在風險，因此需要提高對變電主輔設備的狀態監視能力和專業巡視水平[1-4]。當前，變電主輔設備運行監視手段主要有光字牌監視及光字牌匯總計算，其中光字牌匯總計算包括責任區、變電站、間隔、間隔內四個層次光字牌級別及按告警等級對設備進行告警提示[5]，已經無法滿足主輔設備全面運行巡視需要。運行人員通過報表可定制化實現對設備運行狀態的統計分析，但通常是從歷史數據統計獲取，且報表的計算能力有限[6]，無法滿足運檢人員對設備進行實時巡檢和綜合分析的需求。變電主輔設備的數據上送到變電主輔設備監控系統已具備實際可操作性，但若不對數據進行加工處理，則設備的狀態感知能力仍然無法提高。根據電力公司對變電設備精益管理的要求，運行檢修人員需要從變電運行、設備運行、輔控系統、小室、屏柜等多維度巡視設備的運行狀態，因此需要一種主輔設備多維度狀態巡視計算 方法。

本文結合主輔設備多維度狀態運行巡視場景，構建變電主輔設備狀態通用計算模型，并設計一種基于插件機制的通用算法管理容器，通過動態擴展和加載機制滿足工程對狀態計算多樣性和增量計算的需求；通過設備狀態計算的并行分布機制，實現計算的負載均衡和靈活部署；最后采用消息總線的發布訂閱方式實現與人機交互界面的數據交互，從而滿足工程應用需求。

1 設備多維度計算模型

1.1 變電主輔設備模型

運行人員對變電主輔設備的全面監控及巡視涉及一次設備、二次設備和輔控設備，系統建模兼容考慮IEC 61970模型和DL/T 860模型[7]，同時增加了輔助設備模型。變電站主輔設備模型如圖1所示。

圖1 變電主輔設備模型

變電站一次設備主要包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、母線、站用變（接地變）、高抗、電容器、中性點設備。在線監測的主要對象包括變壓器、氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）和斷路器、容性設備、避雷器等。

二次設備主要包括保護裝置、測控裝置、合并單元、智能終端、安穩控制裝置、監控主機、綜合應用主機、網關機、故障錄波器、網絡交換機、站用交直流設備、時鐘同步裝置等[8]。

輔控設備劃分為多個子系統，其中安全防衛監視設備包括電子圍欄、紅外對射、紅外雙鑒、門禁、智能鎖控通信控制器、電子鑰匙等；動環系統監視的主要對象包括室內外溫濕度傳感器、水浸、風機、空調、除濕機、排水泵、開關室SF6傳感器、照明控制器等；火災消防監視主要對象包括火災報警控制器、固定式滅火系統、氣體滅火系統、消防給水消火栓系統、干粉滅火系統、防煙排煙系統、供暖通風和空氣調節系統、防火門及卷簾系統、消防應急照明和疏散指示系統、消防電源、消防信息傳輸控制單元、主變固定滅火系統等。

變電站典型區域劃分通常以相對獨立的物理區域分布原則進行[9]，典型區域劃分示意圖如圖2所示。圖2中，四周圍墻劃分為五個區域，其中有大門的圍墻按大門左右側圍墻劃分為2個區域。一次設備室外場區按電壓等級和設備類型可分為變壓器室外場區、500kV室外場區、220kV室外場區或110kV室外場區。室內一次開關設備、二次設備、站用設備、主控設備、通信設備、蓄電池等應按室內相對獨立的物理區域分為500kV保護小室、220kV保護小室、35kV高壓小室、站用電配電房、生產綜合樓或主控室等。

圖2 變電站典型區域劃分示意圖

1.2 變電主輔設備多維度巡視分析

檢修人員可通過責任區總光字牌、變電站總光字牌、電壓等級、間隔總光字牌、間隔內光字牌等層次級別監視一次設備，在此基礎上，仍需要實時掌握變電主輔設備的全面運行信息，包括單設備狀態及同類型設備狀態、間隔狀態、各區域層次內的設備狀態，以及從時間維度上查看相同歷史運行環境下的設備狀態，此外，還包括從上述多個維度對設備狀態進行統計分析。設備狀態計算包括單設備、間隔、電壓等級、變電站、責任區、設備區域及同類等多個維度，設備狀態包括設備運行、異常、故障、檢修等；間隔狀態計算包括設備的運行、檢修等，主要用于五防操作；區域主要包括開關場、主控樓、小室、屏柜及設備內部機構等。設備統計是基于上述設備狀態從電網隸屬關系、區域、設備類型、時間等多個維度進行統計；時間維度計算主要包括同類型同一運行條件下設備特征的統計分析和同一時間維度同一類型設備的運行特征分析，計算的觸發方式包括周期計算和變化計算。

1.3 變電主輔設備巡視計算模型

基于上述特征，共抽取指定設備5個維度的巡視信息，包括設備、電網隸屬、區域、時間、計算值。

1）設備維度：涉及單個設備、設備類型。

2）電網隸屬：即設備傳統意義上的維度，責任區、變電站、電壓等級、間隔。

3）設備區域：圍墻、室外專區、生產綜合樓、保護小室、屏柜等。

4）設備時間維度：主要是指計算值的取值時間點，包括同一時間斷面、觸發計算、周期計算等。

5）計算值：總光字牌、設備狀態、間隔狀態、設備統計等。

對上述5個維度作降維歸納，設備計算降維處理模型如圖3所示，降為設備計算處理三元組（計算設備、計算范圍、計算值）模型，其中計算范圍包括電網隸屬、設備區域、設備時間等維度，進而形成如圖4所示的變電設備計算通用模型框架?；谶@一多維度模型，每個狀態計算需求可統一描述為設備在指定計算范圍（指定隸屬區域、指定區域、指定時間范圍）的計算值。

圖3 設備計算降維處理模型

2 可動態擴展和動態加載計算實現

2.1 巡視計算業務的動態擴展實現方法

工程應用中，系統升級工作比較復雜，并且在運行階段不可避免地會增加新功能，新功能不能影響既有功能的運行，因此在設計實現方式時應盡量考慮業務單一職責和獨立性?；凇案邇染?、低耦合”原則，為所有業務計算提供統一的插件接口[10]，各個業務插件繼承接口實現各自的業務邏輯，形成相對獨立的業務算法庫，通過插件集成管理容器（后文簡稱插件容器）[11-12]管理所有的業務插件，將每個業務的顆粒度降到具體的單個業務算法庫實現。

圖4 變電設備計算通用模型框架

在代碼實現層面，每個插件分別開辟自己的線程資源，避免與主進程及其他插件搶占系統資源，實現資源的相對獨立。

基于這種插件容器機制，分別將間隔狀態計算、設備統計、設備光字牌計算等封裝成業務插件算法庫，通過插件動態加載，可完成新業務與現有業務的靈活解耦和動態部署，同時也可應用于其他業務計算需求。

2.2 業務插件的動態加載實現方法

為實現業務插件的動態加載，建立業務插件的動態加載模型，屬性包括默認加載機器節點、允許加載的機器節點、每個機器節點的優先級等。

業務插件的動態加載主要有兩個方面：第一，插件的動態加載，即插件容器可實時加載插件庫，插件容器實時監視加載模型的變化，實時動態加載或更新業務插件[13]；第二，考慮并行分布計算，每個機器節點上的插件容器啟動時加載所有插件，但實際運行時默認只運行本機允許業務插件，其他插件溫備運行[14]，當主機器節點上的插件異常退出時，可實時切換業務插件到其他次優先級機器節點?；跇I務插件的動態擴展及加載機制如圖5所示。

3 并行分布計算及實現

3.1 并行分布節點遷移實現

變電主輔設備監控系統由多臺服務器和工作站組成，系統主要通過進程容錯機制提高系統可靠性。同一進程在不同節點上的容錯切換示意圖如圖6所示，即在多個機器節點上同時部署同一個進程，但同一時刻只有一個節點上的處于主運行，當此機器節點上的進程異常時，通過容錯機制將其他節點上的備運行進程升級為主運行。這種方式對單機的硬件配置要求較高，當單進程占用較大計算資源（包括CPU和內存）而超過單個節點上限時，會遇到瓶頸。

圖5 基于業務插件的動態擴展及加載機制

圖6 同一進程在不同節點上的容錯切換示意圖

為此考慮整體計算資源的負載均衡，按照上文提到的加載模型，業務插件在不同節點上的切換示意圖如圖7所示，每個節點上插件容器分別獨立運行，只允許插件在優先級最高的節點上運行[15-16]。在插件容器內部維護每個業務插件的容錯及機器節點遷移，各個機器節點上的業務插件通過插件容器維持心跳狀態，包括主動通知和主動探測兩種方法。插件容器監視業務插件的狀態，當出現業務插件資源占用高、程序升級等異常時，按優先級通知其他機器節點。主動探測，每個機器節點上的插件容器主動從網絡獲取其他節點的業務插件狀態。若某個機器節點上的業務插件獲取到其他業務插件的狀態異常，則根據自己節點的優先級，將自己節點上的業務插件升級到運行態；當發現有比自己更高優先級的節點上的業務插件正常時，經協商后主動退出。

圖7 業務插件在不同節點上的切換示意圖

3.2 基于語義發布訂閱的數據交互

基于業務分離原則，設備狀態插件容器與應用進程分離，通過語義標簽為每個計算數據提供語義發布服務能力，基于消息總線的發布訂閱機制[17-18]，插件容器代理業務插件的數據發布，應用進程根據語義按需獲取相應的數據，實現計算結果數據的最大程度共享?；谡Z義的數據發布代理示意圖如 圖8所示。

圖8 基于語義的數據發布代理示意圖

4 工程應用

變電主輔設備監控系統在工程應用中按安全分區在安全Ⅰ區、安全Ⅱ區、安全Ⅳ區等分別部署。安全Ⅰ區主要負責主設備監視運行控制功能，安全Ⅱ區主要是二次設備、輔控設備監視運行控制，安全Ⅳ區主要是監控業務管理等；主輔監視人機操作工作站部署在Ⅰ區，監控業務管理人機界面工作站部署在Ⅳ區。以下面幾個巡視計算需求為例，主輔設備巡視需要在安全Ⅰ區實現主設備光字牌計算、主設備狀態計算及統計，在安全Ⅱ區實現二次設備及輔控設備狀態計算及統計，在安全Ⅲ區實現在線實時畫面的自動巡視。按照本文實現方法，在不同安全分區分別加載不同的算法庫，如在Ⅰ區應用服務器或其他專用計算節點加載一次設備計算庫和Ⅰ區光字匯總計算庫；在Ⅱ區應用服務器節點或其他專用機器節點加載二次及輔控設備狀態計算及統計庫、Ⅱ區輔控信息光字匯總庫；在線實時畫面自動巡視計算庫部署在Ⅳ區應用服務器上。通過上述方法，減少了對單節點計算資源的限制和單節點依賴，節約了系統資源。結合圖6和圖7可知，對單節點服務器CPU和內存配置要求可降低50%。在工作站上的應用進程通過語義標簽訂閱計算類型，從不同維度向工程人員提供設備狀態計算及統計數據 結果。

5 結論

本文針對變電主輔設備全面多維度的運維巡視需求，設計了一種通用的設備計算模型，此模型可滿足工程中不同的設備巡視計算要求。根據實際工程和系統運行特點，設計了一種基于插件機制的可動態擴展及加載的業務計算實現方式，并考慮整體系統的負載均衡，業務插件可靈活部署到不同的機器節點，達到了為人機交互應用進程提供多維度設備運行狀態的預期效果。本文中的插件容器機制也可對其他類型的計算或處理進行動態擴充，后續需加強插件容器的管理和優化提升，避免因單個插件異常退出導致整個進程退出的情況出現。

目前，本文方法主要是在變電主輔設備監控系統中實現Ⅰ區和Ⅱ區的設備狀態計算及Ⅳ區的畫面信號巡視，隨著數字化新型電力系統的建設，后續可結合Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅳ區同步及數據發布進行功能完善，并及時推送到手機APP，為新型電力監控系統和變電站數字化智能化技術升級提供基礎數據。

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An implementation method of patrol calculation for the substation main and auxiliary equipment

WANG Weijie LI Yingqi JI Ling TAN Tingfang

(Nanjing SAC Software Engineering Co., Ltd, Nanjing 211100)

Aiming at the complex problem of multi-dimensional state calculation of substation main and auxiliary equipment, a multi-dimensional calculation model is constructed based on the comprehensⅣe consideration of multiple dimensions such as equipment body, equipment type, power grid membership, region, time and calculation type. Facing the dⅣersity of engineering applications, a general equipment status calculation framework based on plug-in is designed to meet the needs of engineering incremental calculation and upgrade deployment through dynamic expansion and loading mechanism. The process fault-tolerant mechanism is further improved, and the parallel distribution mechanism is adopted to realize the load balancing and flexible deployment of business plug-ins. Finally, based on the semantic publish and subscribe mechanism, it can meet the data interaction requirements of various applications. The actual engineering application shows that it can meet most of the requirements of equipment computing in the project and effectⅣely improve the equipment operation monitoring efficiency of maintenance personnel.

main and auxiliary equipment; multi-dimension; plug-in; dynamic expansion; parallel distribution

2023-09-19

2023-11-25

王位杰（1984—），男，河南太康人，碩士，主要從事變電集中監控系統研發工作。