基于SOASOAOA的输变电设备状态监测系统建设与应用

刘明军，万军彪，李阳林

（江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

随着传感器、信息、网络、故障诊断等技术的不断完善和发展，输变电设备状态监测已逐步成为实时获取设备状态信息的重要手段[1]。近年来，各电网公司针对重要输变电设备安装了各种类型的在线监测装置[2-3]，如主变油中溶解气体、微水、铁心接地电流；线路覆冰、微气象、图像、舞动等，取得了一些应用效果[4]。

然而，输变电一次设备种类多，针对这些一次设备监测的传感器类型也具有多样性特点，导致目前安装的监测装置及前置子系统异构且分散，不利于输变电设备状态监测系统统一部署和推广应用，因此，建设具有符合标准接口规范的统一输变电设备状态监测系统势在必行。

根据国家电网公司坚强智能电网建设要求，在面向服务的体系结构[5]（SOA，Service OrientedArchitecture）框架下，开展了江西电网输变电设备状态监测系统建设工作，给出了系统框架和系统软硬件平台实现方法，规范了各类输变电设备状态监测装置的数据处理、接入和控制，实现了重要输变电设备状态和关键运行环境的实时监测、预警、分析、诊断、评估和预测等功能。

图1 输变电设备状态监测系统整体架构

1 系统框架

输变电设备状态监测系统整体架构如图1所示。系统建设基于面向服务的体系结构（SOA），是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来[5]。接口采用中立方式定义，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，具备跨平台特性，易于扩展。

输变电设备状态监测系统的总体架构自下而上可分为三个层级：装置层、接入层和主站层，如图2所示。

图2 输变电设备状态监测系统分层式结构

1）装置层重点发展各类先进适用的传感原理、传感器技术和标准化数据生成技术。

2）接入层重点发展各种集约、高效、智能的信息汇总、信息标准化和信息安全接入技术。

3）主站层重点发展各种监测信息的存储、加工、展现、分析、诊断和预测等数据应用技术。

系统分层体系的建立有利于推动输变电设备状态监测系统的持续改进和发展，使得各层技术更新的相互影响最小化。

随着需求和技术的持续发展，在接入数据标准化的基础上，装置层、接入层和主站层均可以逐步开发和应用智能化技术。装置层在单个装置内部发展智能化技术，接入层基于局部的多装置协同发展智能化技术，主站层则基于电网全局发展智能化技术。

图2所示的分层系统结构中各层之间存在两个接口级别，分别是：第1级接口I1和第2级接口I2。I1接口是监测层与接入层之间的接口，面向监测装置，采用较为底层的接口协议实现。I2接口是接入层到主站层之间的接口，面向主站，采用具有良好扩展性的Web服务方式实现，使系统符合开放灵活的SOA设计理念。

2 系统功能

2.1 系统装置层功能

1）数据采集。状态监测装置通过自动采集方式，采用专用的采集模块采集输变电设备本体、变电站气象、环境信息，装置自身的电源电压等信息，数据采集周期的默认值（或者初始值）由监测数据的类型决定，可以通过命令报文更改此周期。

2）数据处理与判别。状态监测装置具备对数据进行预处理的功能，以防止数据干扰；具备对原始采集量的计算功能，得出能直观反映采集量特性的数据。

3）数据上传。状态监测装置与CMA（状态监测代理）、CAC（状态接入控制器）之间的应用层数据传输规约符合国网技术导则中规定的通信协议[6-8]。此外，监测装置还需具备命令接收、配置更改、时钟同步、自我诊断等功能。

2.2 系统接入层功能

1）接入监测数据。CMA、CAC能接收多个状态监测装置发送的数据报文，汇集监测数据并转发主站系统。数据格式标准中各专项技术导则中的监测数据输出接口中规定[6-8]。CMA接入的监测数据包括杆塔倾斜、导线弧垂、导线温度、微风振动、风偏、覆冰、绝缘子污秽度、微气象、静态图片等；CAC接入的监测数据包括主变油中溶解气体、微水、铁心接地电流、顶层油温等。

2）接入状态监测装置运行状态。CMA、CAC接收状态监测装置发送来的工作状态报文，以获取状态监测装置运行状态并转发主站系统。

3）数据格式转换。CMA、CAC将状态监测装置的标识、监测数据、运行状态转换成符合国网技术导则的报文格式[6-8]。

4）数据存储。CMA、CAC在远程通道通信中断时缓存监测数据，在远处通信通道恢复时将缓存的历史监测数据上送主站。上传历史监测数据的方式与上传当前监测数据的方式相同。

接入层还应该具备状态监测装置管理、注册监测装置、控制状态监测装置、调节监测装置等功能，实现与监测装置的通信交互，对监测装置进行相应的时钟同步、心跳信息检测等。

2.3 系统主站层功能

主站系统与生产管理系统（PMS）采取一体化设计，依托生产管理系统在国网公司总部和省公司两级集中部署。继承PMS输变配一体化设计思想，主站系统中输电和变电部分统一设计，实现输电和变电设备状态监测数据处理和信息展现的有机融合，提供用户一致的系统应用体验。

主站系统的组成包括：变电CAG（状态接入网关机）、输电CAG、状态监测数据库、数据加工、数据服务以及各种输电和变电状态监测应用功能。各类输变电设备状态监测数据在省公司和总部主站系统集中存储，地市（包括班组）和省公司用户均通过登录PMS使用所需的各种状态监测应用功能。

CAG是主站系统的集中关口，分为输电CAG和变电CAG，主要功能包括：接收各变电站CAC和各线路CMA发送的状态监测数据和运行工况信息并解析入库、完成数据校验、转发主站系统发出的配置和控制命令以及对进出主站系统的信息进行日志纪录。

状态监测数据采用省级集中存储方式，各类输电和变电设备状态监测数据的存储结构一体化设计，接入数据统一存储，物理数据库独立于PMS数据库。状态监测数据库基于企业级关系型数据库构建，按照分钟级准实时数据的采集速度考虑海量存储的要求。

数据加工模块提供状态监测接入数据的二次加工功能，实现汇总统计、异常信息提取、数据清理以及干扰过滤、趋势拟合等。

3 系统实现

3.1 系统硬件实现

充分考虑系统投运后的负载程度、数据存储量及存储方式、系统扩容等特征，系统主要硬件设备包括：数据库服务器集群、应用服务器集群、Web服务器、图形服务器、视频服务器、网络交换机、负载均衡器、RAID磁盘阵列等。

采用数据库集群模式，即使只有一台数据库服务器工作系统也能正常访问运行，并且小型机在性能上位于大型机与普通服务器之间，具有运行速度快、造价相对较低等特点。同时，采用RAID技术的磁盘阵列可有效保证数据存储的安全性。通过光纤交换机，可以实现应用服务器对数据库服务器及磁盘阵列数据的快速访问。

同样，采用应用服务器集群模式，在只有一台应用服务器工作时系统也能正常运行工作。同时，负载均衡器应用于应用服务器时，系统可根据用户的访问量，自动调整用户访问相应的应用服务器，达到多个应用服务器负载均衡的目的。

3.2 系统软件实现

系统服务器采用RedHat Linux和Windows Server操作系统，数据库采用Oracle 10g RAC。系统主站层采用Java技术实现，中间件采用WebLogic。

与生产管理系统一致，采用PI3000平台[6]作为主站系统的统一基础平台，基于PI3000平台二次开发，通过PI3000平台实现主站系统的整体化构造、动态化模型驱动及灵活的功能扩展。系统采用面向服务的技术架构，降低系统部署、调试和维护成本，主站系统I2接口、状态监测数据服务以及与其它系统的集成多采用Web服务的接口形式实现。

4 系统应用

2012年9月，依托国网公司统一推广生产管理系统，完成了江西电网输变电设备状态监测系统建设工作。截至10月，主站系统已接入15回输电线路共计75套线路监测装置、14座变电站共计115套变电监测装置。提供了各类输变电设备状态信息的展示、预警、和分析诊断功能。

4.1 变电监测应用

图3为变电监测装置可视化分布展示界面，已接入的变电设备监测类型包含变压器油中溶解气体、微水、铁心接地电流、顶层油温，断路器SF6气体压力、水分、分合闸线圈电流、储能电机工作状态，避雷器全电流、阻性电流等。图4显示了澄江220 kV变电站1号主变顶层油温监测表及油温变化趋势曲线，C相当前油温为39.9℃，属于正常状态。同时，1号主变还安装了油中溶解气体和微水监测，监测数据均处于正常状态。

图3 变电监测装置可视化分布展示界面

图4 雷电定位信息查询和动态播放界面

4.2 输电监测应用

输电线路可视化展示实现了基于GIS的输电线路、监测装置、告警信息分布展示功能。图5显示了输电线路监测可视化展示及雷电定位信息查询和动态播放界面。鼠标悬停于雷电符号动态显示雷电发生时间、经度、纬度、电流强度和回击次数。

图6显示了输电线路组合监视功能界面，已接入的输电线路监测类型包含覆冰、微气象、图像、视频、污秽、导线舞动、导线温度。

2012年9月初通过系统跟踪监视，发现两条重要500 kV输电线路杆塔上存在鸟巢，图7显示了其中某一输电线路存在鸟巢隐患图像监视画面。及时通知省检修分公司对鸟巢进行清除，消除了重要线路安全隐患，系统建设初显成效。

图8为某500 kV输电线路绝缘子2011年1月覆雪情况监视图像，清晰的展示了每片绝缘子冰雪的覆盖情况，为除雪除冰提供依据，有效减少了现场线路巡视工作量。

图5 雷电定位信息查询和动态播放界面

图6 输电监测信息组合监视功能界面

图7 某500 kV输电线路杆塔上存在鸟巢隐患

图8 某500 kV输电线路绝缘子覆雪图像

5 结束语

在面向服务的体系结构框架下，完成了江西电网输变电设备状态监测系统建设，给出了系统框架和系统软硬件平台实现方法，规范了各类输变电设备状态监测装置的数据处理、接入和控制，实现了重要输变电设备状态和关键运行环境的实时监测、预警、分析、诊断、评估和预测等功能。目前系统已上线运行，成功预警两条重要线路鸟巢隐患，系统建设初显成效。下一步将深化系统高级应用功能研究，充分利用该平台提升电网智能化水平。

[1]孙才新.输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力，2005，38（2）：1-7.

[2]刘黎，何文林，刘岩，等.输变电设备状态在线监测与故障诊断系统分析软件设计[J].计算机系统应用，2011，20（8）：27-32.

[3]王永强，律方成，李和明.总线式绝缘在线监测系统的同步采样控制[J].高电压技术，2005，31（6）：22-26.

[4]陈卓，刘念，薄丽雅.电力设备状态监测与故障诊断[J].高电压技术，2005，31(4)：46-50.

[5]国家电网公司输变电设备状态监测系统标准化设计方案[R]，2011.

[6]Q／GDW 561-2010，输变电设备状态监测系统技术导则[S].

[7]Q／GDW 242-2010输电线路状态监测装置通用技术规范[S].

[8]Q／GDW 535-2010变电设备在线监测装置通用技术规范[S].