基于双平面前置采集的电力监控系统设计

2020-12-11

山东电力技术 2020年11期

（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

随着我国电力自动化水平的不断提高，对电力监控系统的依赖越发严重。电力监控系统是保证每个生产环节正常运行的基础，供电设备一旦出现故障将会给生产安全带来直接影响，因此电力监控系统的可靠性和稳定性极其重要。电力监控系统可以真实准确快速地反映当前企业电力系统的实际运行情况，提供安全可靠的手段和方法供维护人员处理解决问题，是对企业电力系统维护的基础［1］。

前置采集是电力监控系统与其他电力系统的直接接口，通过与各远方厂站终端装置的通信实现对电网实时运行信息采集，将实时数据提供给应用服务的实时数据库，并按照应用所下达的指令实现对远方站的调控功能。随着无人值守变电站的普遍应用，前置采集作为系统数据源的关键环节，应具有高度的可靠性和强大的信息处理能力［2-4］。

基于数据网双平面的前置采集实现方法进行电力监控系统设计，解决了单个数据网核心通信设备故障导致的企业全部或大面积通信故障会引发系统瘫痪的问题。前置采集具备在不同数据网采集和动态切换功能，为提高电力数据采集的可靠性提供了技术方面的保障。

1 数据网双平面

双平面网络技术是在企业广域专网中通过增加节点和通道的冗余性，提高网络的可用性，增加网络承载通道和网络容量，以满足精细化区分业务类型、保障关键业务运行的根本要求［5-7］。

目前电力监控系统中的前置采集与下属变电站进行数据通信时常采用单平面的链路模式，当数据网中任一网络设备故障或进行检修时，监控主站与变电站远动装置通信网络中断，数据源被完全切断，数据无法采集，严重影响正常工作。

双平面数据网由于平面间的相对独立性，通过与业务层面的配合，业务可通过正常网络平面实现转发，可有效规避上述问题对业务的影响。建设数据网第二平面，可满足业务系统较高的可靠性要求，具有较高的保障能力。考虑到前置采集运行的稳定性和可靠性，应开展适用于双平面的前置采集方法研究，以提升前置采集运行的稳定性及电力数据的准确性。

数据网络双平面在原有网络架构的基础上，通过增加对应网络设备节点，构成业务分流的第二个承载平面。原有节点和新增节点可视为节点级的冗余关系，通常采用“背靠背”连接。这种组网方式的优点是可利用原有节点和备份节点的网元级连接关系，实现平面间的快速切换。当一个平面发生故障时，业务层可以自动切换至另一个平面承载，由此提高业务的可靠性。数据网络双平面的路由拓扑结构如图1 所示。

图1 双平面路由拓扑

2 系统架构

双平面系统架构如图2 所示，监控中心的服务器和变电站的远动装置分别和数据网络一、二平面进行连接，在双平面数据网络上完成数据采集与通信。

图2 双平面系统架构

企业电力监控系统监控中心的前置服务器A 通过数据网一平面与远方变电站的远动装置A 进行通信连接；前置服务器B 通过数据网二平面与变电站的远动装置B 进行通信连接；数据网两个平面独立存在，互不影响。

3 实现方案

3.1 模块划分

为了实现双平面前置采集功能，需要将企业电力监控系统的前置采集划分为3 个模块，分别为前置采集链路处理模块、规约解析模块、多机并行处理模块部分［8-9］。三者之间的部署及关系如图3 所示。

链路处理模块负责完成在数据网平面链路上与变电站远动装置进行通信交互。如：TCP 模式下链路的建立、数据的读写、错误的处理，UDP 模式下广播数据的发送和接收。

规约解析模块依赖于链路处理模块，其将链路处理模块接收到的通信报文按照配置好的规约格式进行解析，并根据任务需求生成新的规约报文交给链路处理模块，供链路处理模块发送到远动装置。

多机并行处理模块根据链路处理模块提供的通道状态，将规约解析模块产生的解析数据并行进行处理，向监控系统的其他节点提供实时数据。

图3 前置采集模块部署关系

3.2 系统建模

利用传统处理方式建模，通常监控系统将每个变电站建立1 个采集对象，在此变电站对象下再创建1 个或多个通道对象。在只有1 台前置负责采集（主备机）的模式下，这种建模方式参数配置清晰，前置采集功能实现也很便捷。但在多机并行模式下，由于1 个变电站可能有多个通道对象，1 台采集机器又采集多个变电站，存在多种通道组合模式，参数配置工作及采集功能实现都非常复杂。如图4 所示。

图4 常规系统模型参数配置

利用多机并行处理方式建模，区别于常规的树形模式，改为以通道为核心单元的表格模式。每个通道必须包括2 个属性，本通道所属的变电站和本通道所在的前置服务器（前置服务器A、前置服务器B）。因此在建模配置时，系统中的所有通道组合都已独立存在，且具有唯一标识，处理模块不需要再处理组合模式，只须对每个唯一标识的通道进行管理，大大降低了功能实现的复杂度，保证功能实现的可靠性。详细模型配置见表1。

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表1 系统模型配置

3.3 实现过程

企业电力监控系统中前置采集主机的多机并列处理技术是在自动化系统平台的服务管理功能基础上实现的。在系统管理的服务管理中对前置采集节点进行并行运行模式部署，两个前置采集节点上的链路处理模块、规约解析模块、多机并行处理模块全部“热备冗余”状态运行。“热备冗余”即前置节点均按照原系统所建模型进行配置，对其所辖的通道进行维护和采集，完成链路的处理及规约报文的转换。

部署在2 个前置节点的多机并行处理模块通过特定的选举策略，动态选举其中1 台前置节点为管理节点，则该节点上的多机并行处理模块具备多机协调管理功能，可汇集全部前置节点的通道实际运行状态，并对其进行计算及管理。具体为：

1）通过内部接口，获得本前置服务器的所有通道当前运行状态。

2）通过网络通信，获得另外一台前置服务器的所有通道当前运行状态。

3）以变电站为核心，对在线运行的所有属于该变电站的通道进行排序判优（排序为网络规约通道优先级最高、串口规约优先级其次、转发规约优先级最低），分析出变电站下属通道的实时优先级排序表，如表2 所示。

4）根据实时优先级排序表，将优先级最高的通道赋予值班通道，其余通道赋予非值班通道，并通过网络通信将此信息发送到另一前置服务器。

表2 通道的实时优先级排序

将值班通道链路采集到的数据与非值班通道链路采集的数据进行比对，将可疑数据发送给系统后台告警模块，最终将值班通道链路采集的结果数据发送给自动化系统其他应用模块，并将该数据设置为“可疑数据”，提醒监控自动化人员。即完成了采集数据的多源比较。

当变电站远动装置接收到信息的错误率超过某个预定义的阈值，或变电站远动装置的响应为否定的确认信息，或无法接收变电站远动装置的响应时，则该通道被称为“故障”通道。系统进行对应的切换操作并发出故障告警。系统在切换时，正在传送的信息不丢失，同时发出告警，并记录告警信息。

3.4 仿真验证

搭建对应的系统测试硬件环境，并在电力监控系统中录入双平面的通道采集模型，对电力监控系统中的前置采集值班通道切换进行测试验证。

结合电力监控系统的日常运行情况，对其前置采集中可能出现的通信故障进行分类总结，大致分为4 种类型的前置故障，具体故障详情见表3。

在测试环境对表3 中的每个故障皆进行多次模拟验证，记录每次模拟验证的开始时间，切换恢复成功时间。具体故障验证记录见表4。

经试验验证，在基于双平面前置采集的基础上，电力监控系统前置采集采用多机并列运行方式，可以对多种前置通信采集的故障进行快速准确地切换处理。系统根据故障情况通过通道实时优先级进行值班切换，从故障发生到完成切换在3 s 内完成，且在切换期间采集数据未丢失。该电力监控系统的稳定性和可靠性，为长期高效稳定运行提供保障。