基于大数据分析的主配网一体化故障检测技术研究

国网宁波市北仑区供电公司 郑隽杰 杨小芳 许晓峰

目前主配网一体化故障检测技术尚未达到实用化水平，在数据质量校验的问题上缺乏规范、可行、高效的数据校验机制，导致在GIS可用的图形在DMS系统屡屡校验失败。目前开展的所有跨系统业务交互流程都存在因数据质量不达标而导致的业务错误。而且目前只有在发生业务错误时才能发现系统间数据缺陷，缺乏对各个系统间全数据的数据质量进行整体可视化的衡量和评估的技术手段[1]。主要体现在：

系统大数据的冗余性、可用性校验：在缺乏面向整个系统全面数据资源规划的情况下，各系统各自独立设计开发而致大量的数据重复设置和维护，一方面造成大量资源浪费，另一方面是造成数据准确性不高、一致性差的主要原因，因此同一数据多个数据来源导致的不一致的情况的衡量标准需要研究；大数据系统匹配的有效性校验：在多个系统交互所需的数据有效性与各系统单独运转所需数据的有效机制存在差异性；大数据系统多样性的有效性校验：配网系统开发智能化应用的发展空间将以指数型发展，众多的智能应用对数据及数据服务的性能要求不一样。

1 研究技术内容分析

1.1 建设规划

通过DMS与EMS系统业务数据交互建立主配网一体化模型，完成变电站和配电线路相关智能设备的自动协调配合策略，以配网中性点接地设备、配网开关设备及故障检测设备的全面智能化及协调控制为基础，建立电网故障全景信息集成。

1.2 平台设计思路

基于电网大数据质量标准化的主配网一体化故障检测系统基于Web的业务平台提供了一整套全面且紧密集成的功能，融合当前主流的企业级应用集成平台理念，是新一代面向服务的开放的企业系统集成和应用综合平台，能针对电力企业复杂多变的需求一致地创建和维护业务模型，并为个性化应用开发提供完备的基础设施，自动或辅助应用系统的生成，最大程度提高应用系统的开发和实施效率。构建其上的电网大数据质量标准化的主配网一体化故障检测系统，将高度统一并具有很好的持续扩展能力，能在符合标准规范的前提下最大限度满足各试点个性化需要[2]。

1.3 主要研究内容

电网大数据质量的质量标准化校验技术研究。通过DMS与EMS系统业务数据交互，完成变电站和配电线路相关智能设备的自动协调配合策略，以配网中性点接地设备、配网开关设备以及故障检测设备的全面智能化及协调控制为基础，建立电网故障全景信息集成；通过在电网单相接地故障期间调整消弧线圈的容量使馈线的零序电流变化，根据故障和非故障馈线零序电流间的比值特征而加以区别。根据理论计算与分析，推导出故障馈线与非故障馈线之间、非故障馈线相互之间的零序电流比值计算公式；通过数据库的全库扫描操作发现潜在的匹配规则，实现主配网信息的集成后的跨部门、跨系统、跨安全区的工作流程及信息共享。

模型分析研究。数据集成主要采用信息集成总线技术，采用国际通用的公共信息模型（CIM）为基础，遵循IEC61970/61968的标准架构和接口方式，结合各系统间信息间的相互差异，实现统一的数据访问标准，基于SOA架构进行系统间的应用和数据整合，以WebServices服务等方式实现数据的接入和访问[3]。

电网主配网故障一体化检测自动分析、可视化、决策技术研究。电网主配网故障一体化平台整合一切可以整合的信息资源，进一步优化故障研判相关分析功能，展现设备台账信息，实现台账与现场的信息共享和流程贯通，实现对设备数据包括电网设备、台区设备、故障信息等业务数据进行双向跨模块查询和流程追溯，通过全方位、多角度的查询统计，完成对生产经营业务及相关经济活动的真实性、合规性、效益性的检查[4]。

2 系统结构和框架

基于电网大数据质量标准化的主配网一体化故障检测系统采用多层架构的设计思路，系统体系构架自上而下分为系统展现层、系统业务逻辑处理层、数据访问层三个主要层次。

图1 总体架构图

系统展现层是整个系统与用户进行交互的界面，主要采用JSP的方式进行展现。电网大数据质量标准化的主配网一体化故障检测系统展现层是基于在Weblogic中间件基础上，Weblogic的稳定和安全确保了整个系统运行高效可靠运行。业务逻辑层是系统构架中最核心的部分，主要关注在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计。数据访问层通过DAL对数据库进行的SQL语句等操作。基于电网大数据质量标准化的主配网一体化故障检测系统数据存储主要通过关系型数据库为存储基础，采用数据仓库的架构技术，具体如下：对象模型-数据访问映射器-通过反射取到对象映射的表与字段的信息-生成持久化操作语句-调用数据访问层。

3 IEC 61968公共信息模型研究

3.1 概述

IEC 61968/61970公共信息模型核心类如下：

PowerSystemResource（电力系统资源）。IEC 61970通过Power System Resource类及其子类定义了电力网络元素的功能。Power System Resource可以是一个设备对象如开关，也可以是一个设备容器如变电站，或是一个组织实体如公司或者子控制区；Asset（资产）。是电力企业设备的有形资源，包括电力系统设备、车辆、工具、机柜、建筑等，对于电气等网络设备，资产角色通过电力系统层次体系，主要在电线模型里定义（参阅对IEC61970-301和IEC61970电线包模型）。资产描述着重强调发挥资产角色的设备的物理特性；Document（文档）。是一种分组收集到的信息，往往作为业务流程的一部分管理。经常包含其他对象，如资产、人员和电力系统资源的引用。

Location（位置）。是某个地方、场景，或某人或某事在已经过去、现在和/或在将来某个给定时间的某事。这可能是一个实际或规划结构物的空间位置，或是结构物的空间定向点集（如变电站、结构物、建筑物、城镇等），或是定义成点或多边形的示意图对象，或是地下或架空导线、或其他形式线性对象的路径；Organisation（机构）。可作为如下角色：电力企业、承包商、供应商、制造商、客户、税务机关等。机构可能和机构内的部门、母公司有父子关联关系。组织可能是电力企业的内部（如部门）或外部；ActivityRecord（活动记录）。记录一个实体在某个时间点的活动，活动可以是一个已发生的事件或是计划好的活动。

3.2 资源、资产和Location以及活动记录的关系研究

Location一般可以用来表达几何坐标信息、位置信息，如安装位置描述使用Location的category字段来区分。在配网全模型里，资源和Location、PositionPoint表达资源的坐标信息、资产和Location的关联、Location的Name属性或mainAddress属性表示位置信息。参照当前的版本CIM模型（61970cim16v01_61968cim12v01）以及历史版本，修改了基准版本里Location、Position-Point、CoordinateSystem的关联关系：Location和PositionPoint的关联1：n，Location和Coordinate-System的关联改为n:1。资源和组织机构的关系表示资源的管理属性，如运行单位、维护班组等。资产和组织机构的关系表示资产的资产单位、生产厂家、施工单位等信息。

3.3 资产属性扩展通用方式研究

资产的运行管理属性，通过与UserAttribute关联，用UserAttribute类的name和value属性来表示，从而以一种通用的方式实现了资产属性的扩展，避免在扩展资产类属性时添加很多私有属性的处理。

拓扑模型。和公共信息模型一致，通过导电设备(Conducting Equipment)和端子(Terminal)的关联表达，Conducting Equipment和Terminal的关系公共信息模型描述为1:n，其实应该是1:1～2，也就是说一个导电设备至少会有一个Terminal，最多也只有两个Terminal；Terminal通过连接节点(Connectivity Node)无阻抗的与其他Terminal相连，但也可能不与任何连接节点相连；连接节点应该属于某个设备容器。

3.4 馈线、分支线模型

对于馈线的定义和边界范围，以及如何正确运用CIM建模和建立馈线信息交换机制等问题始终没有得到解决。尤其是在近期多次全国电力系统管理及其信息交换标委会的配网工作组会议和IEC 61968标准互操作实验小组会议上也未形成信服的共识。配网全模型采用《基于CIM的馈线建模和应用》中的馈线概念，并使用Feeder类表示馈线、SubLine类表示分支线，两者都从设备容器(Equipment Container)类派生。馈线、分支线模型有如下要点：

馈线和厂站的关系。包括馈线和变电站的关系，以及馈线和其他厂站的关系。正常情况下馈线只有一个起点变电站，但特殊情况下也会有终点变电站，用关系Belong to HV Substation表示；馈线与其他厂站如开关站、环网柜、配电室、箱式变的关系是多对多，用关系MVLV Belong to Feeder表示；馈线的出线开关描述。馈线的出线开关一般是指变电站供电母线下的第一个断路器，用于和变电站自动化系统进行拓扑对接，用Control Switch关系表示。

馈线和配网站内设备的关系。根据国网PMS模型的要求，站内变压器、站内开关要有所属主线属性，实际情况下一个开关站或配电室里的设备可能是分别属于两条馈线的，所以在开关(Switch)和电力变压器(Power Transformer)里增加了和馈线的关系，表示馈线和配网站内设备的关系；馈线、分支线和电压等级描述。馈线、分支线和电压等级(VoltageLevel)关联，描述馈线、分支线的电压等级。

分支线的树状结构描述。建立分支线的自关联关系，描述分支线的上级分支线和所有下属分支线的关系；分支线和厂站的关系。分支线和厂站的关系有两种含义，第一种含义是厂站是分支线的起点电站；另外一种含义是分支线可能包含了多个厂站。目前分支线和厂站的关联关系只表达了第二种含义，第一种含义暂时在全模型里不表达。

4 功能介绍

基于电网大数据质量标准化的主配网一体化故障检测系统将根据各个异构系统EMS、DMS、OMS、GIS、PMS等信息数据的特点，结合配网业务的高级综合应用，以IEB总线的方式，采用发布/订阅、请求/应答等多种通信方式进行交互，实现对各项业务的智能查询、智能分析等功能模块。通过系统建设将大幅提高计算机辅助故障检测的全面性，降低工作的技术门槛和操作难度，有效提高工作效率，提高公司信息化水平。

基础数据。数据集成主要采用信息集成总线技术，采用国际通用的公共信息模型（CIM）为基础，结合各系统间信息之间的相互差异实现统一的数据访问标准，基于SOA架构进行系统间的应用和数据整合，以WebServices服务等方式实现数据的接入和访问；故障大数据分析。利用大数据、云计算等技术，综合配电自动化系统、地理信息系统、抢修指挥平台等配网支撑管理系统，解决目前配电网“盲调”、故障处理效率低、运行巡视管理薄弱、抢修工单故障点辅助判断效率低等问题，全面提高配电网调度、运行、故障处理、抢修指挥等工作效率，提升精益化管理水平。

综上，一体化化平台采集电信息采集、智能公变监测、配电自动化和智能总保等系统提供的设备运行状态、异常告警、配网设备档案等信息，实现故障、异常信息推送，结合配电网拓扑结构，辅助分析故障范围和影响的用户清单并以可视化方式展现，建立一套完整的运行监测、分析、决策、控制的指挥机制，节约了管理人员的时间成本、人力成本。借助一体化化平台实现电力设备信息在展示平台中展示，并支持视图的放大、缩小、漫游操作。在展示平台中对设备模型、设备地理沿布图、单线图、系统图、供电范围图、开关站图的展示，节约了管理人员的时间成本、人力成本。