面向运维的电网运行数据分析系统开发

姚珺玉，谢国财

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州510600；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



面向运维的电网运行数据分析系统开发

姚珺玉1，谢国财2

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州510600；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

为提高电力系统状态估计的合格率和关键数据的准确性，应用多源异构电网参数比对和多维度的数据质量评价方法，采用基于Windows呈现基础 (Windows presentation foundation，WPF)用户界面框架、新型结构框架“模型-视图-视图模型(Model-View-ViewModel，MVVM)”技术、数据库技术和多线程并行处理技术的方法，开发出一套涵盖可疑数据定位、数据评价指标和多样化数据展示方式的电网运行数据分析系统。实践结果验证了本系统可以在免维护的条件下长期运行，且能向运维人员提供参考值，有效辅助运维人员定位问题。

参数比对；可疑数据分析；状态估计；Windows呈现基础

随着电力工业建设的快速发展，电网正向网络化、实时化、数字化和信息化方向迈进，智能电网的发展已成为一种必然趋势。现代能量管理系统(energy management system，EMS)是一款利用电网参数和采集到的电网实时信息进行分析、评估以及决策的高级应用计算机软件系统。20世纪80年代末，我国各大电网先后在EMS中引入状态估计[1-3]。如今，状态估计已成为EMS的重要组成部分，但还存在两方面的问题：一方面目前状态估计结果数据的精度以及错误信息程度仍然无法满足大电网电力系统暂态、动态稳定分析计算的需求；另一方面状态估计结果作为电力调度控制中心闭环控制的核心基础，其准确性将直接影响到电力系统的安全运行[4-5]。而电力调度部门各专业系统(继电保护、自动化和运行方式)均有各自获取实测参数的方式和方法[6-8]，需从横向和纵向参数分析，实现横向协同运行方式和继电保护专业，纵向贯通多级调度，建立一个跨专业统一参数管理平台，以提高电力系统状态估计的准确性。

针对以上情况，本文提出一种基于客户端-服务器(client/server,C/S)的电网运行数据在线综合分析与评价系统。该系统基于面向对象编程语言C#和.NET Framework 4.5平台实现，采用基于Windows呈现基础 (Windows presentation foundation，WPF)用户界面框架和基于新型结构框架的模型-视图-视图模型(Model-View-ViewModel，MVVM) 技术，使系统具有良好的可扩展性和可维护性，并且从一定程度上利用多线程并行技术和图形化界面提升了整体处理性能和用户体验度。

1 系统开发技术

1.1 WPF技术

WPF是微软推出的基于Windows的用户界面框架，它提供了统一的编程模型、语言和框架，做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体用户交互图形界面。相较于传统的WinForm程序来说，WPF具有如下优势：

a) WPF融入了大量的动画和特效，使其界面色彩丰富，多样化的界面具有更强的用户体验感；同时采用矢量图取代位图，兼容2D绘图，文字显示效果增强，增加XPS和消锯齿功能。

b) WPF采用自身渲染所有用户界面元素方式，根据系统DPI设置进行缩放，使得程序在任意分辨率下均可适当得体的显示，克服了传统的Windows应用程序会受到特定屏幕分辨率限制的弊端。

c) XAML的引入，将美工和程序实现分离，使得定制化主题、外观、行为更加方便，易于维护。

d) WPF具有强大的可扩展性，可以使用任何一种.NET编程语言(C#，VB NET等开发语言)进行开发。

1.2 MVVM框架技术

1.2.1 MVVM框架结构

为了使程序具有较好的移植性和扩展性，采用MVVM框架进行系统总体架构设计。MVVM是模型-视图-表示器(Model-View-Presenter，MVP)模式与WPF结合应用，发展演变而来的一种新型程序框架。它立足于原有MVP框架，并且把WPF的新特性揉合进去，以应对客户日益复杂的需求变化，其结构示意图如图1所示。

图1 MVVM框架结构

a) 视图(View)。视图负责界面和显示，通过数据上下文和视图模型进行数据绑定，不直接与模型交互。

b) 视图模型(ViewModel)。视图模型是视图和模型进行关联的桥梁，是对模型的抽象，主要包括界面逻辑和模型数据封装，Behavior/Command事件响应处理，绑定属性定义和集合等。

c) 模型(Model)。模型用于封装与应用程序的业务逻辑相关的数据以及对数据的处理方法，具有对数据进行直接访问的权利。

1.2.2 MVVM框架优点

相较于其它传统的程序框架，MVVM具有如下优点：

a) 低耦合。视图可以独立于模型变化和修改，一个视图模型可以绑定到不同的视图上，当视图变化的时候模型可以不变，当模型变化的时候视图也可以不变。

b) 可重用性。可以把一些视图的逻辑放在视图模型中，让视图重用这段视图逻辑。

c) 独立开发。开发人员可以专注于业务逻辑和数据的开发。设计人员可以专注于界面的设计。

d) 可测试性。视图模型可以对界面进行测试。

2 数据库结构

2.1 数据库设计方法

数据库是电网运行数据在线综合分析与评价系统的重要组成部分，模块化的设计方式直接决定了数据库的设计，对系统的性能具有决定性的作用。数据库设计分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、数据库物理设计、数据库实施和数据库运行维护等6个阶段。

通过本系统的需求分析可知，系统中存在大量与数据库数据交互的需求，因此引入SQL Server存储过程设计。以系统存储过程为例，它由系统提供，可以作为命令执行各种操作。系统存储过程定义在系统数据库master中，其前缀是sp_，为检索系统表的信息提供了方便快捷的方法。

2.2 数据访问实体框架

实体框架利用了抽象化数据结构的方式，将每个数据库对象转换成应用程序对象，而数据字段转换为属性，关系则转换为结合属性，数据库的E/R模型完全的转成对象模型，以便于程序员采用最熟悉的编程语言来调用访问。

以厂站管理为例，与厂站管理相关的表有4个，分别是厂站交流线路数据表(CompareACLine)、厂站变压器绕组数据表(CompareWinding)、厂站所属控制区域数据表(ControlArea)、厂站可疑数据数据表(CaseStation)。表1为厂站数据库模型。

表1 厂站数据库模型

列名数据类型允许null值StationNamevarchar(50)0HistoryKYfloat0DayKYfloat0CurrentKYfloat0IsActivebit0CaseNumsint0AreaIDint1ParameterKYfloat1VoltageLevelvarchar(20)1Layersmallint1

3 系统模块设计

面向运维的电网运行数据分析系统需要实现的功能主要包括：

a) 将电网基础数据问题按照参数、运行数据、网络拓扑及重点量测等进行分类，形成基础数据问题一览表，并能通过不同颜色指示各类存在的问题。

b) 对于每一类存在的具体问题，能够通过便捷的方式(如树形展示)进行定位，而不需用户层层递进方式完成定位。

c) 针对某单项基础数据列表，能够以直观的方式(如曲线、列表、柱状图等)将该类别包含的评价指标及其动态变化展示出来，以便于问题原因查找。

d) 能够定制若干具有强关联性的数据、评价指标展示模式，如关联性强的若干个数据，关联性强的参数、数据组合，评价指标与数据、参数的组合等。

e) 以分析对象为中心，将相关的数据、参数、指标进行组合，形成针对性强的对象分析应用展示模式。

3.1 电网运行数据分析与维护总体思路

电网运行基础数据主要包含模型、参数、量测数据等部分，其中每部分均会对其质量产生直接影响。因此，从电网参数、量测数据、调试手段等方面着手，综合考虑不同因素之间的关联和影响，制定电网运行数据分析和维护的总体思路：

a) 针对自动化、方式、保护等不同专业电网参数准确性与一致性差的现状，提出了电网元件参数统一校核与集中管理的技术方案；应用多源异构电网参数比对与融合技术，实现不同专业参数的比对分析与互相校核；构建横向协同多个专业、纵向贯通多级调度的统一参数闭环管理机制，打破各专业孤立维护、管理电网参数的局面。

b) 以状态估计计算结果为基础，通过多时域、多层次的信息挖掘，形成量测级、厂站级和区域级的数据质量评价。

c) 区分短时可疑与长期可疑的厂站，解耦实时数据和元件参数错误导致的估计不准问题，并以可疑厂站为事件触发相关维护工作。

3.2 系统功能实现

系统由横向参数分析、纵向参数分析、可疑数据分析、重点量测分析及用户管理5个模块构成，其示意图如图2所示。

图2 系统功能模块

a) 横向参数分析为程序运行的核心关键，分为以下5个子模块：版本管理、参数比对、比对结果、趋势分析和管理流程。通过在版本管理子模块中选择对应EMS、PSD-BPA和继电保护整定计算管理系统文档形成维护版本，在参数比对子模块中先进行维护不同类型数据的交流线路、发电机和变压器映射关系，然后比对生成结果，实现不同数据之间跨专业元件参数的自动对比，最后在比对结果子模块中形成交流线路、发电机和变压器的各项参数比对结果。在对不同时间段的元件参数整体差异度进行分析计算的基础上，借助趋势分析法辅助运维人员掌握元件参数整体质量的动态变化趋势，以此验证过去一段时间运维的实际效果，元件参数整体质量的变化趋势界面如图3所示。

图3 趋势分析界面

b) 纵向参数分析功能与横向参数分析功能类似，分为版本管理、参数比对和比对结果3个子模块。通过在版本管理子模块中选择对应的总调版本和中调版本文档形成维护版本，在参数比对子模块中先对不同地区的交流线路、发电机和变压器维护映射关系，然后比对生成结果，实现不同数据之间跨专业元件参数的自动对比，最后在比对结果子模块中形成不同地区的交流线路、发电机和变压器的各项参数比对结果。

c) 可疑数据分析功能显示不同厂站分区下各个厂站的长期、近期质量上升下降及各项可疑参数数据。其具体内容分为主监控界面、区域可疑情况和网络拓扑情况3个子模块。主监控界面显示长期可疑厂站、当前可疑厂站、质量上升厂站和质量下降厂站4项指标的前100名数据，并用柱状图分别按升序和降序排序显示，如图4所示。区域可疑情况显示各个厂站分区下厂站的量测、参数、拓扑和可疑排名数据，在量测模块柱状图中使用不同颜色表示量测类型，界面简洁明朗，如图5所示。

图4 长期可疑厂站

图5 量测厂站

d) 重点量测分析功能具有母线电压差异度、交流线路本对端无功差异度、交流线路本对端有功差异度和阈值管理4个子模块。实现该功能的主要原因在于运维人员对相关量测数据关注程度与运维频率的差别，分别选取母线电压、线路有功、线路无功进行针对性分析，通过对重点量测进行重点运维来提高状态估计结果的准确度。通过阈值分析法掌握相关指标的越限程度，当相关指标超过对应阈值即会显示红色报警。

e) 用户管理模块是仅限管理员使用的模块，分为用户、组、更改密码、添加用户和权限管理5个模块。用户和组模块分别从不同角度查询用户的权限。更改密码、添加用户和权限管理为方便管理员管理系统方便使用的功能。

3.3 系统运行优化

由于系统运算数据量大且程序功能模块需要与数据库交互大量数据，系统采用单线程方式将导致运行周期较长，进而不能满足数据分析的实时性需求，同时效率也不高。因此，运用多线程优化调度技术对系统功能模块进行优化。在多模块一键整定中，按照一个功能模块对应一个线程的原则，采用多线程技术对本系统的功能模块进行重新优化与整合；当功能模块需要处理与交互的数据量过大时，不是按过去与数据库逐条交互模式，而是将数据进行批量处理，多线程并行处理，大大提升了现阶段程序运行速度。

优化处理的措施包括：

a) 参数分析与数据处理线程并行处理。参数分析过程的并行处理：如线路有几千条参数，采用一次分析多条参数的方式，显著提高程序的效率。

b) 实时性强的任务与非实时性强的任务并行处理，减少相互的影响。

3.4 分区参数辨识技术方案

传统的电网参数辨识是基于电网整体进行的，数据质量较好的子区域与数据质量相对较差的子区域之间存在着相互影响，全网大误差点产生的残差会分布叠加使参数辨识的结果准确度大大下降。因此，为了消除电网不同子区域数据质量的相互影响并达到提高参数辨识准确度的目的，提出了基于局部分区的参数辨识方案，其基本思路是：以待辨识参数对应的设备为中心划分局部子区域，分区时需兼顾子区域内部量测数据的整体质量；在完成局部子区域划分后，基于该子区域整体质量较佳的数据并采用加权最小二乘状态估计法完成相应参数的准确辨识。

4 结束语

电网运行数据在线综合分析与评价系统是以电网基础数据和运维人员、专家的经验与使用习惯为基础，开发出的涵盖数据、评价指标等多元素并具有多样化数据展示方式的人性化人机交互系统。本系统在一定程度上实现了跨专业参数统一化处理，解决了当前状态估计辅助工具紧缺、问题厂站线路定位难的尴尬现状，进一步提高了电力系统基础数据的质量，为之后开发电力高级应用分析软件打下了坚实的基础。

[1] 李碧君，薛禹胜，顾锦汶，等．电力系统状态估计问题的研究现状和展望[J].电力系统自动化，1998，22(11)：53-56.

LI Bijun，XUE Yusheng，GU Jinwen，et al. Status Quo and Prospect of Power System State Estimation[J]. Automation of Electric Power Systems，1998，22(11)：53-56.

[2] 胡亚平，周华锋．基于统一元件参数管理的电力系统状态估计维护研究与应用[J]. 广东电力，2012，25(10)：108-112.

HU Yaping，ZHOU Huafeng.Research and Application of State Estimation and Maintenance of Power System Based on Unified Component Parameter Management [J].Guangdong Electric Power，2012，25(10)：108-112.

[3] 邓丰强，吕飞鹏，张向亮，等．面向对象的电网继电保护整定计算管理系统[J]. 华北电力大学学报，2012，39(4)：36-41.

DENG Fengqiang，LÜ Feipeng，ZHANG Xiangliang，et al. Object-oriented Management System for Protective Relay Setting Calculation[J].Journal of North China Electric Power University，2012，39(4)：36-41.

[4] 李钦，钱峰，顾全．电网模型综合服务系统的开发与应用[J]. 电网技术，2010，34(8)：194-198.

LI Qin，QIAN Feng，GU Quan. Development and Application of Power Grid Model Integrated Server System [J].Power System Technology，2010，34(8)：194-198.

[5] 何光宇，董树峰．基于测量不确定度的电力系统状态估计(一)[J]. 电力系统自动化，2009，33(19)：21-24.

HE Guangyu，DONG Shufeng. Power System Static-state Estimation Based on Uncertainty of Measurement：Part One Result Evaluation[J].Automation of Electric Systems，2009，33(19)：21-24.

[6] 李大志，孙宏斌，张伯明，等．南方电网交直流混合实时状态估计的应用[J]. 电力系统自动化，2009，33(19)：106-115.

LI Dazhi，SUN Hongbin，ZHANG Boming，et al. Application of an AC/DC Hybrid Real-time State Estimator in China Southern Grid[J].Automation of Electric Systems，2009，33(19)：106-115.

[7] 杨滢，孙宏斌，张伯明，等．集成于EMS中的参数估计软件的开发与应用[J]. 电网技术，2006，30(4)：43-49.

YANG Ying，SUN Hongbin，ZHANG Boming，et al. Development and Application of Parameter Estimation Software Integrated into EMS[J].Power System Technology，2006，30(4)：43-49.

[8] 林舜江，刘明波，徐达，等．广东电网电压调控安全评估系统的开发和在线应用[J]. 电网技术，2013，37(11)：3152-3158.

LIN Shunjiang，LIU Mingbo，XU Da，et al. Development and On-Line Application of Voltage Control and Security Assessment System for Guangdong Power Grid[J].Power System Technology，2013，37(11)：3152-3158.

(编辑 王朋)

Development of Operational Data Analysis System for Operation and Maintenance of Power Grid

YAO Junyu1, XIE Guocai2

(1.Power Dispatching Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510600, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In order to improve veracity of percent of pass and key data of state estimation for power system, this paper uses an evaluation method for data quality of parameter comparison for multi-source heterogeneous power grid and multi-dimension as well as applies a combined method based on Windows presentation foundation (WPF) user interface framework, the latest structural framework technology of model-view-viewmodel (MVVM), database technology and multi-threaded parallel processing technology to develop a set of operational data analysis system for the power grid which contains suspicious data positioning, data estimation index and diversified data display. Practice results verify that this system can run for a long period under the condition of maintenance free and provide reference values for operation and maintenance personnel as well as effectively assist positioning.

parameter comparison; suspicious data analysis; state estimation; Windows presentation foundation (WPF)

2016-04-01

2016-07-05

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.016

TM77

A

1007-290X(2016)10-0092-05

姚珺玉(1987)，女，广东广州人。助理工程师，工学学士，主要研究方向为电力系统调度自动化运行维护工作。

谢国财(1985)，男，江西南昌人。高级工程师，工学博士，主要研究方向为电力系统调度自动化技术研究工作。