一种电力二次系统健康模型建模方法的研究

孙超， 苏扬， 温柏坚， 邓大为， 刘德贺

(1．南京南瑞继保电气有限公司， 江苏 南京 211102；2．南方电网公司， 广东 广州 510663；3．广东电网公司， 广东 广州 510699)

0 引 言

近年来，智能电网和信息技术的不断发展，电力二次系统(以下简称二次系统)的监控范围不断扩展,技术水平不断提高。信息与通信技术(以下简称ICT)的进步已经成为现代电网技术发展的重大推动力，以现代信息与通信技术为基础所构建的电力二次系统，相当大程度上改变了电力基础设施的基础结构，成为电力一次系统安全、可靠、稳定和经济运行的重要技术保障。在此情况下，由于二次系统的广泛部署与互连，其所出现诸如物理安全、运行安全、信息安全等方面的问题，都有可能波及电力系统的稳定，影响电网的可靠供电[1-6]。

随着智能运行主站系统及数字化变电站应用的不断增加和扩展，电力二次系统硬件设备日益增多，业务互连形态日趋复杂，迫切需要建设符合电力二次系统特点的监视与管理系统[7-10]。就像公共信息模型(CIM)是SCADA系统的核心[11-14]，二次系统的健康模型就是面向二次系统的监管系统的一项关键技术。通过健康模型实现对二次系统各个组成部分运行状态和关键指标的全面掌控。

1 面临的挑战

1.1 监管范围

监管系统收集各种运行数据，诸如二次系统业务运行状态、二次设备运行状况、网络互连情况、系统信息安全和机房环境参数等。监管系统将运行数据或告警分类展示给运维人员使用。由于电力二次系统技术横跨电力系统、自动化控制、计算机科学和通信技术等诸多专业，监管系统按照专业将数据整合，提供给不同专业的人员使用。

目前的监管系统多数基于通用网络管理系统扩展，继承了通用网络管理系统的配置管理数据库(CMDB)中的配置建模机制，建立面向监管对象的模型[15]。

1.2 配置管理数据库建模技术

配置管理数据库存储与管理企业IT架构中设备的各种配置信息，一个典型的CMDB配置模型如图1所示。

图1 CMDB配置模型示例

其将业务系统层层拆分为相关模块和组件，并将ICT基础设施和业务系统相关联。其中建模过程是在明确管理范围前提下经过配置项分类、属性定义和结构定义，最后是将配置项实例化。

1.3 存在的问题

首先，配置管理数据库建模方式是以业务系统为单位描述各种IT设备的配置信息和关联关系，在电力系统中主站系统和子站系统间有密切的纵向关联关系、且主站系统间也有密切的横向关联关系，此种关联在配置管理数据库建模方式中较难描述。其次，配置管理数据库建模方式注重组件式的分解，是一种静态分类模型，而电力系统分析二次系统故障的过程中关注的是逻辑的或者物理的关联关系，且需要对模型进行裁剪和重构，需要模型具备较好的动态特性。

2 健康模型建模方案

电力二次系统健康模型的核心思想在于：提出一种通过归纳总结IT设备、电网二次设备、通用软件和业务软件的特征，抽象公共特征形成层次结构，建立包括二次系统主站端和子站端业务系统、ICT基础设施和电网二次设备在内的有明确语法和语义定义的模型，此模型用来描述二次系统各组成部分的运行状态和健康指标。模型分为三个部分：数据模型、资源模型和依赖关系模型。其中数据模型解决二次系统中所有管理对象分类的描述，资源模型解决二次系统的模型如何与现有电网一次模型对接的问题，依赖关系模型解决复杂的关联描述，有利于故障分析。

2.1 数据模型

数据模型是通过对二次系统中的主站端和子站端监视对象，包括IT设备、电网二次设备、通用软件和专业软件的特征分析，形成一种描述二次系统的分类模型，它是构建资源模型和依赖关系模型的基础。二次系统健康模型中的数据模型分为资源、运行信息、功能/业务/服务和规则四个分类。

1)资源

从电力二次系统运维与管理系统的角度，二次系统中每个组成部分都是一种资源，他们为二次系统的运行提供了某种功能，是观测二次系统运行状况的基础单位。按照资源存在的方式将其划分为面向逻辑资源的软件和逻辑组件，面向物理资源的设备和设备组件，如图2所示。

图2 资源分类

2)运行信息

电力二次系统的运行过程中会产生各类运行状态信息和经过计算分析产生结果类信息。两类信息都反映了电力二次系统各类资源的运行情况。健康模型按照运行信息的特性将其划分为原始信息和分析结果，如图3所示。

从表1中可以看出，采用永磁联轴器对2台污水外调泵实施技术改造后，1#泵有功功率下降了14.14 kW，无功功率下降了1.11 kVar，功率因数提高了0.041，机组效率上升了7.32%，日耗电量下降了341 kW时，机组单耗下降了0.02 kWh/m3，按相近工况下单耗变化值计算节电率达到11.76%；2#泵有功功率下降了13.69 kW，无功功率下降了6.6 kVar，功率因数提高了0.009，机组效率上升了3.44%，日耗电量下降了329kW时，机组单耗下降了0.02kWh/m3，按相近工况下单耗变化值计算节电率达到11.76%。

图3 运行信息分类

3)功能/业务/服务

图4 功能/业务/服务分类

功能/业务/服务是从业务运行的角度对各类支撑业务的资源按照其属性特征分为公共基础服务，包括计算服务、数据库服务和网络服务，以及应用服务。其中计算服务是指提供计算资源的服务,数据库服务是指为业务运行提供数据存取类资源；网络服务是指为业务运行提供网络环境的资源,应用服务是支撑业务运行的业务功能。服务分类如图4所示。

4)规则

图5 规则分类

规则定义了分析电力二次系统各组成部分的动态运行数据的判据，其分为业务行为规则、安全关联规则、性能分析规则和故障分析规则。其中业务行为规则是从业务角度分析电力二次系统运行的各种行为特征，并依据此特征评价业务运行的状态。安全关联规则是从信息安全角度分析电力二次系统运行状态，计算安全运行的各类指标。性能分析规则是从系统性能角度分析电力二次系统整体运行状态，计算系统各类资源的运行性能指标。故障分析规则是从系统的业务运行角度分析电力二次系统各个业务的运行状态，并结合故障告警和各类资源的运行信息分析并定位故障根源。规则分类如图5所示。

2.2 资源模型

资源模型是在IEC61970 CIM模型的基础上描述数据模型中的各类监视对象，从而形成了电网一二次结合的完整对象模型，用于对二次系统的监视和统计分析。它解决了现有方案无法融入电力系统特有电网架构的问题。比如在变电站内各个电网一次设备下扩展二次设备模型，在厂站和控制中心下扩展二次系统分支，包含了子系统、设备和公共基础设施，主要用于描述主站或子站的软件系统资源及其支撑其运行的ICT基础设施资源。结构如图6所示。

图6 资源模型

其中，控制中心和厂站内的二次系统中包含子系统、设备和公共基础设施三个类，厂站内一次设备下的二次设备归为设备类。模型中每一个类都可以包含模拟量、状态量等量测数据类。

2.3 依赖关系模型

依赖关系模型是在资源模型的基础上，将二次系统划分为不同的业务，每项业务中包含业务运行所依赖的各类服务，服务再细化关联到其所依赖的各类监视对象，用于二次系统的故障分析和定位。其架构图如图7所示。

图7 依赖关系模型

其中，控制中心和变电站所包含的业务是从业务角度对应用重新分类，比如前置业务、SCADA业务和AGC业务等，每种业务在二次系统中是靠一系列相关的软件模块和硬件设施等资源支撑的，依赖关系模型将这些支撑的资源抽象成各种服务，每种服务为相关的业务提供一种服务能力，比如网络服务提供网络互联与通信能力、计算服务提供数据处理与运算的能力、数据库服务提供数据存取能力和应用服务提供业务所需的各种应用功能。

一种业务也可以为另外一个业务提供支撑，这种情况下，前一种业务就是后一种业务的应用服务。利用应用服务的概念可以将有依赖关系的各种业务关联起来，比如子站的远动业务就支撑主站前置业务，因此可以认为子站远动业务是主站前置业务的应用服务，建立主子站之间业务的依赖关系。

按照业务与服务之间的关联关系可以建立业务与各类资源间的依赖关系，从而实现当某个资源出现故障时，能够迅速关联分析到依赖此资源的相关业务，为故障定位提供一种聚类分析方法。由于子站与主站间有业务依赖关系和二次设备与相关一次设备有依赖关系，因此运用依赖关系模型可以分析子站故障对主站的影响和一二次设备故障对对方的影响，为电网故障分析和预警提供了灵活的分析模型支持。

3 与现有方案比较

相比配置管理数据库技术，电力二次系统健康模型建模方案有以下优点：

(1)解决了分支较多、数据冗余和维护复杂的问题，采用三个模型解决三方面的问题，建立彼此关联，减少冗余节点，维护也可以根据需要分开单独维护。数据模型定义了各种分类，当分类发生改变时才需要维护。资源模型描述各类监视对象，并不包括复杂的关联关系，当对象发生改变时才需要维护。依赖关系模型面向业务，按照四类基础服务归纳关系，并抽象出公共基础服务，对共用资源的关系集中管理，从而使得关系的维护条理清晰。

(2)解决了跨系统描述能力低的问题，一方面利用IEC61970 CIM模型的电网架构概念将纵向主子站间有机整合起来,另一方面横向上打破系统边界，按照业务管理各资源间的依赖关系，为分析二次系统的运行情况和故障提供了统一的横向、纵向可扩展模型支撑。

(3)解决了无法融入电力系统特有电网架构的问题，利用IEC61970 CIM的一次设备模型，可以将变电站端的二次设备与相关的一次设备相关联，进而将二次设备如何与电网架构结合，为判断二次系统对电网整体运行情况的影响提供了模型支撑。

(4)解决了模型关联分析能力弱的问题，用面向业务的依赖关系模型，通过梳理支撑业务运行的四类基础服务，抽象公共基础服务，将复杂的多对多依赖关系，分解到各类服务中，并以最终反映业务运行情况为导向重新组织，既起到了化繁为简，提高可维护性的目的，又强化了分析业务运行情况的模型支撑能力。

4 结束语

电力二次系统健康模型建模技术已经在广东省电网电力调度控制中心《省地协同二次系统运维与管理平台》项目中得到应用，实现了对广东省调和佛山、东莞、茂名等6个地调的主站系统以及佛山、东莞、茂名三地变电站内二次设备及子站后台的建模，统一描述了包括主站和子站后台的ICT基础设施、业务系统以及子站端保护、测控、远动等二次设备的二次系统各组成部分。构建了主子站一体的依赖关系模型，提高二次系统故障快速定位分析能力。实现在统一模型下的省、地、变电站三级数据联动，能够将变电站内二次系统运行信息实时上送给省地两级主站系统，提高站端运维水平。

经过工程实践，电力二次系统健康模型建模技术在智能电网二次系统中的作用已经得到初步验证，总结出了一套适合智能电网二次系统监管的应用模式，为进一步扩大应用范围，形成网省地县一体化二次系统的监管系统奠定了坚实的基础。