分布式电网二次设备管控平台的研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网芜湖供电公司的研究人员黄学庆、夏友斌、潘文虎、苏志朋、宋铭敏，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文，针对目前电力系统二次设备存在无法管控的问题，提出一套新型分布式电网二次设备管控平台，通过部署在机房和变电站内的监控、代理服务器，实现调度数据网和变电站二次设备运行状况的实时监测和管控。
平台采用分布式架构，关键节点离线后，系统可解列独立运行。软件上平台基于Liunx系统及B/S架构，并通过SNMP技术获取网络拓扑及设备状态，以此提供智能告警功能，支持告警定制，满足各种业务需求，具有可靠、安全、高效的特点。
近年，随着电网规模的不断扩大，电网二次设备的数量成倍增加，其突发故障次数也成规模增加，给自动化人员的消缺工作带来极大的压力[1]。因此，如何及时掌握设备运行状态，加强二次设备运行的可靠性，由被动应急抢修的传统模式向提前发现隐患的主动模式转变，对于提高电网安全运行具有重要的现实意义。
现代自动化技术的发展，尤其是通信技术的成熟和计算机技术的推广应用，给电网自动化运维带来新的机遇。通过采用远程在线检测手段[2]，自动化人员可以提前发现设备局部结构或部件隐患，进而开展检修或管控，从源头上降低设备故障的可能性[3]。
1 二次设备监控业务需求
目前，电力系统中生产控制大区的内的二次设备可分为调度数据网设备和变电站二次设备两部分。芜湖地区调度数据网共109个节点、约500台设备。目前仅由一台网管机管理所有的路由器，可实现远程登录，节点拓扑展示，功能较为单一。需登录后方可查看该路由器运行状态，而其它调度数据网设备目前处于无管理状态。
变电站二次设备管理仅能监控到其自身发出的＂装置异常＂、“装置告警”、“装置闭锁”三种硬接点信号，对装置的运行状况、网络状态等信息完全不知。随着二次设备技术的发展，装置本身已提供了自身设备信息数据接口，如IEC628150标准规定了测控的装置描述信息，目前尚未接入监控范围。
变电站二次设备数据传输、交换主要依赖于网络，智能变电站中的网络系统又分为站控层、间隔层、过程层三层网络，实时、可靠的通信网络已成为智能变电站的重要支撑。但目前变电站内部网络尚无法监控，仅当发现一次设备失去监控时方可发现故障。且部分网络故障隐秘性较高，极端情况下可能造成大规模电力事故。
2 实施方案
2.1 总体方案
图1 二次设备管控平台实施方案
本文设计一套新型生产大区二次设备管控平台，可实现生产控制大区内所有设备的运行状态、网络拓扑、流量分析等状态信息的监控。该平台技术方案包括变电站侧和主站侧两部分，结构如图1所示。各变电站内架设一台代理服务器负责监控站内二次设备，主站机房架设一台监控服务器负责监控调度数据网I区设备，同时接受各变电站代理服务器上传的站内设备信息，并实现数据存储、故障研判、告警通知等高级功能。
平台监控的设备具体信息如表1所示。其中代理服务器监控变电站内站控层交换机、间隔层交换机、过程层交换机、后台机、测控装置、保护装置、总控装置、时间同步装置等二次设备运行状态，以及站内网络信息。监控服务器则监控路由器、纵向加密装置、防火墙、I区实时交换机及各代理服务器的相关设备信息。
代理服务器和监控服务器的监控范围分界点在实时交换机和总控之间，同时监控服务器将代理服务器纳入监控范围，实现站内二次设备全覆盖。表中交换机同时包括调度数据网和变电站中的交换机，主机包括变电站内的计算机，如后台机、数据服务器、五防机等。
表1 二次设备监控信息
主站的监控服务器接入自动化机房的实时交换机即可实现调度数据网I区设备的监控，而变电站的代理服务器接入则分为常规站和智能站两种情况，这是由于两种变电站的网络结构不同造成的。
常规变电站站的网络结构分为站控层和间隔层，站内二次设备首先接入间隔层交换机，所有的间隔层交换机再接入站控层交换机。因此常规站代理服务器仅接入站控层交换机即可实现全站设备的监控。而智能站分为站控层、间隔层、过程层。
二次设备位于间隔层和过程层之间。因此代理服务器需要同时接入站控层网络和过程层网络，方可实现站内二次设备的监控。
2.2 分布式架构
图2 二次设备管控平台分布式架构
二次设备管控平台的运行采用分布式架构，如图2所示。主站和厂站的管控平台统一为一套系统，仅运行功能不同，分为主站、厂站两种运行模式。当代理服务器侦测到监控服务器从调度数据网解列时，会自动触发监控服务功能，转为主站模式，从而保证系统继续运行。因平台采用B/S架构和短信告警技术，运行在主站模式下的代理服务器可继续发送告警信息，同时在调度数据网任一节点接入工作站通过浏览器即可访问该平台。
由于管控平台运行在主站模式下需要处理的数据较多，对硬件要求较高，同时考虑到投资成本，因此建议调度数据网汇聚节点的代理服务器采用监控服务器配置，接入节点仅按厂站模式下硬件配置即可。
以芜湖调度数据网为例，共有220kV通江变、220kV无为变、220kV繁南变、220kV火龙岗变四个汇聚点，此四个变电站应配置监控服务器。在地县一体化调控模式下，县公司机房也相当于汇聚点，其代理服务器模式也应配置监控服务器。
3 关键技术
3.1 功能架构
图3 二次设备管控平台功能架构
平台采用成熟的MVC三层模式，包括数据层、应用层、展示层，如图3所示。数据的采集存储和业务程序完全分离，便于系统调试和维护。
数据层通过SNMP、SSH、TELNET等技术获取被监控设备的状态信息，并存储至数据库中。同时按业务需求将相关数据封装成标准化服务，提供各类数据与应用接口，为数据传输与应用扩展奠定基础。
业务层以对象的方式处理数据，形成设备的网络结构，并对设备数据进行研判分析，实现对设备的拓扑、状态、性能、资源的监测分析。
表现层负责系统的人机交互，将设备的监测情况以图形、列表的方式展现。并利用业务层的分析结果实现对设备故障的智能告警。
3.2 Linux操作系统
平台服务器系统均采用CentOS 7.3，该系统为Linux操作系统，具有较高的安全性，可连续不间断运行，稳定性能高。其次，CentOS系统支持多用户、多任务、多线程，允许多个用户、多个程序同时运行，系统响应速度快[4]。最后，CentOS系统对硬件要求较低，支持多种平台。
3.3 B/S结构
B/S结构，即Browser/Server(浏览器/服务器)结构，是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构[5]。在这种结构下，用户界面完全通过浏览器实现。具有分布性强、维护方便、开发简单且共享性强、总体拥有成本低的特点。平台采用B/S架构，在调度数据网通过浏览器即可访问该平台，拓展了系统适用范围，使用也比较方便简单。
3.4 SNMP技术
图4 SNMP查询设备信息流程
SNMP技术，即简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol) [6-8]，是基于TCP/IP协议簇的网络管理标准，一种在IP网络中管理网络节点的标准协议，具备远程采集、管理、接受被管理设备的功能。
在本平台中，代理、监控服务器通过SNMP技术采集表1中所列交换机、测控装置等二次设备的状态信息，并将采集的信息写入数据库，其流程如图4所示。由于交换机、路由器对标准MIB 库支持较好，通过SNMP技术还可以实现远程关闭端口、设备软重启等功能。
3.5 智能告警
图5 二次设备管控平台智能告警模块
在实现二次设备监测的基础上，平台提供智能告警模块，支持灵活的报警定义，以满足各种业务需求。运维人员可以根据监控需要，定义故障事件的告警是否触发报警、发送给哪个角色或人员以及发送的时间段等。
（1）告警处理：支持灵活的告警条件组合，对相互之间有关联的事件进行分析、过滤、合并，给出重要告警，抑制“告警风暴”的发生。精确的判定故障，减少告警的次数，提高告警的有效性。
（2）告警处理：设置多种报警方式，当事故发生时，不仅以传统方式画面推图通知用户，还可通过短信、语音、邮件等多种报警方式全面及时的通知用户。
（3）报警应急响应：可以预先定义好报警联动策略，当某种类型的故障产生时，自动的触发策略以实现相应动作。这个动作可以是启动或停止进程、服务或业务程序，还可以是一个用户指定的脚本程序，可提供对计算机操作系统的关闭、重启等操作。
4 结论
本文提出一套新型分布式电网二次设备管控平台，该平台在机房和变电站部署的监控、代理服务器，采用分布式架构、SNMP协议轮询采集信息，实现生产控制大区内二次设备运行状况的实时监测和管控功能。并提供设备告警的智能化管控功能，通过告警等级、告警合并、告警过滤以及告警关联等多种技术手段，让系统的管理从被动变为主动，有效预防故障的发生。
该平台的现场应用可以实现二次设备的全方位、智能化、大数据管控，从而及时解决事故隐患，加强变电站监控，提高故障抢修的效率。