3、配电自动化系统的海量数据应对策略研究-岳振东

1、配电自动化系统的海量数据应对策略研究岳振东1刘开华2（1东方电子股份有限公司烟台市264000；2深圳新能电力开发设计院有限公司深圳市518029）摘要：配电自动化系统监控的对象具有点多面广的特点，特大城市的配电网的监控点超过1万个，需要处理的信息量达到百万级别，使用传统的数据处理模式来传输、处理这么巨大的信息量将导致主站、通信等方面的投资急剧上升，如何处理海量数据已经成为建设一个经济、实用、可靠的配电自动化系统面临的紧迫问题。关键词：配电自动化；海量数据；主站功能下放；可视化0引言目前投运的配电自动化系统大多采用类似于传统的调度自动化中数据采集、传输和处理模式。按照这种模式，配电终端将大量的

2、现场数据传送到配电主站加工处理。由于目前投运的配电自动化系统监控点的规模大多只有数十或数百个，因此基本上没有遇到海量数据的问题，但在考虑建设一个万级监控点规模的大型配电自动化系统时，人们就会发现如果继续延续以前的做法，就需要应对百万级别信息量的传输、处理需求，为此需要建设一个昂贵、庞大的主站和通信系统，设备投资将急剧上升，与此同时大量的参数录入和现场数据校对也需要投入巨大的人力资源。本文针对大型配电自动化系统面临的海量数据处理难题，提出了主站功能下放和终端设备即插即用的方法，使用该方法将会减少95%的信息传输量，减少通信系统和主站系统的投资，大大降低主站维护工作量，有利于建设一个经济、合理、实

3、用、技术先进的配电自动化系统。1配电自动化系统采集的数据及应用1.1配电自动化系统信息量评估配电自动化系统监控的对象包括开关站、配电室、箱变、台变、电房、环网柜、柱上开关等等，对不同的监控对象，需要采集的信息有较大差异，以环网柜的一个进（出）线开关为例，采集的信息包括遥测、遥信、控制等，其遥测、遥信信息量分别为23个和14个。表1一条10kV 馈线的遥测量信息表编号简称说明备注1.UaA相电压测量量2.UbB相电压测量量3.UcC相电压测量量4.IaA相电流测量量5.IbB相电流测量量6.IcC相电流测量量7.U0开口三角电压计算量8.I0零序电流测量量或计算量9.UabAB线电压测量量或计算

4、量10.UcbCB线电压测量量或计算量11.PaA相有功功率计算量12.PbB相有功功率计算量13.PcC相有功功率计算量14.P0零序有功功率计算量15.QaA相无功功率计算量16.QbB相无功功率计算量17.QcC相无功功率计算量18.Q0零序无功功率计算量19.P总有功功率计算量20.Q总无功功率计算量21.Pf功率因数计算量22.ØUa1与Ua2角差测量量，用于合环操作23.Freq频率测量量表2一条10kV馈线的遥信量信息表编号简称说明备注1.YX1开关合位辅助节点2.YX2开关分位辅助节点3.YX3开关储能辅助节点4.YX4压力异常辅助节点5.XN1永久故障虚拟遥信6.X

5、N2瞬时故障虚拟遥信7.XN3A相短路虚拟遥信8.XN4B相短路虚拟遥信9.XN5C相短路虚拟遥信10.XN6A相过流虚拟遥信11.XN7B相过流虚拟遥信12.XN8C相过流虚拟遥信13.XN9零序短路虚拟遥信14.XN10零序过流虚拟遥信上表中还没有包含监控对象的电能数据以及公共系统的信号，但可以简单看出，一个典型的2进4出开关站，需要采集的信息量约为遥测：120个，遥信约为80个，由此推算出10000个这样的监控站点总的信息量约为遥测：120万，遥信80万。如果简单把信息量达百万级别的配电数据传输到主站处理加工，将需要通信系统和主站系统具有极高的处理能力，系统将极其庞大并比较脆弱。2配电自

6、动化系统的数据应用要解决配电自动化系统的海量数据问题，我们首先要分析配电自动化系统的功能需求。2.1调度和运行的需求调度和运行最关心的是当前运行方式。包括开关位置、事故、异常以及设备是否满负荷或过负荷，这些数据要尽快从现场设备传送到控制中心，配电系统的实时数据主要有：1) 中压进出线开关、低压主开关、低压出线开关、开关储能位置2) 中低压开关跳闸、保护动作信号、变压器中/低压保险丝熔断、开关故障指示装置动作、直流系统故障、电源系统主电源失电等3) 变压器满载或过载、变压器过温、交/直流电压异常、自动化设备自检异常、通信异常等现场设备操控命令也需要实时传送，操控命令主要有：1) 对中/低压开关进

7、行远方遥控，包括正常状态下运行人员的远方控制以及是故障状态下故障隔离、恢复时的自动/手动控制。2) 校时命令3) 远方维护命令4) 远方查询命令，包括点召实时数据或历史数据上述数据及命令要实时传输，按照实用化的需求，10秒钟是可以接受的实时性指标。配电自动化系统中的绝大多数模拟量数据不需要实时监视，调度运行人员只关心其中少量的电流、电压或相角数据，日常运行中这些数据的实时性指标可以定为分钟级，比如10分钟。在操作或处理局部故障时可能需要暂时提高其实时性指标达到10秒级，这可以通过点召局部数据的办法来实现。多种方法结合完全能够满足调度运行的需要。2.2配电网管理的需求配电自动化系统的另一个重要功

8、能是为规划、生产管理、节能降损、提高供电质量等电网管理提供决策依据和手段。配电网管理需要的是非实时的电气模拟量和对其加工处理的结果，即筛选后的有用数据，主要包括：1) 遥测量l 10KV母线电压、进出/线电流l 变压器低压侧母线电压、进/出线电流2) 计算量l 三相有功电力、无功电力、功率因数l 三相有功电量、无功电量l 变压器低压侧零序电流和三相电流不平衡度l 电压、电流谐波含量（3、5、7次等）l 变压器日平均和瞬时负载率l 变压器有功损耗、无功损耗和无功电量3) 统计量l 日总、尖、峰、平、谷有功电量和无功电量l 月总有功电量l 日电压合格率、日功率因数合格率l 日电容器投切组数、容量和

9、时间l 极值记录：日电压最大最小值、日电流最大值、日功率因数最小值、日电流不平衡度最大值、日电压/电流总畸变率最大值4) 事件记录l 越限和事故报警、发生及复归时间3新式多功能配电终端3.1配电终端的数据加工配电监控站点的大量数据对管理是非常有用的，但这些数据是生数据，传统做法是在主站进行加工，这给通信系统带来了巨大的负担并且可靠性差。对一个大型配电自动化系统来说，其数据处理需求对高性能、高配置、高容量的主站也是非常大的负担。将主站的数据加工功能分布到各配电终端去，可以减少95%的信道带宽需求，减少80%以上的主站处理需求，优化资源配置，减少投资。与传统配电终端不同，新式配电终端完成主站端进行

10、的数据加工功能，将采集的信息分类成实时数据、历史数据和召唤数据。l 实时数据调度运行人员需要的数据要实时上送给上一级控制中心，推荐采用主动上送方式l 历史数据 管理需要的数据当地整理保存，定时上送或召唤上送到控制中心l 召唤数据 准实时的数据平时不上送或以较大时间间隔上送，但在需要的时候通过召测命令来短时提高实时性控 制 中 心实时数据 历史数据 准实时数据数 据 筛 选、处 理自采数据 转发数据控 制 中 心数 据图1 传统模式与新模式的比较DB 嵌 入 式 数 据 库OS 嵌 入 式 操 作 系 统BSP 32位 150MIPS MCU 超低功耗 工业级越限检查、合格率统计极值数据统计整点

11、数据存储故障录波故障检测和处理各种通讯规约数据分类处理负载率统计不平衡度统计无功补偿有什么样的需求有什么样的服务图2配电终端体系结构下面介绍一下多功能配电终端的部分数据加工功能。Ø 历史数据所有的模拟量都可以按一定的时间间隔存储生成历史数据，存储密度以分钟为单位，以15分钟为存储间隔，存储时间为30天能够满足大部分应用需求。图3 历史数据曲线图记录点时刻记录值Ø 负载率统计配变负载率可以为管理提供重要的依据，配电终端应计算出负载率，并保存历史数据。2007年10月25日22时配变负载率为0.361图4 配变负载率曲线示意Ø 三相不平衡度极值曲线三相不平衡度可以为管

12、理提供重要的依据，配电终端应计算出极值及发生时刻，并保存历史数据。2007年10月25日低压三相不平衡度极大值发生在16点50分47秒，值为88图5 三相不平衡度极值历史数据Ø 越限检测及告警传统做法一般将遥测数据传送到控制中心，然后由控制中心检测是否越限并生成越限告警事项。多功能配电终端将该功能接管过来后就不必频繁地把数据上传控制中心了。图6 遥测越限检测及告警事项Ø 信号合并将一些异常信号合并（比如通信异常、装置异常）可以有效减少向控制中心传送的遥信数据量，减少主站遥信库信息量。3.2配电终端的即插即用接入配电终端需要在主站端设置大量的参数、绘制各种图形，对大型配电系统

13、来说工作量巨大并且校对过程也非常耗费人力。多功能配电终端应带有自描述信息，与控制中心的主站系统共享各种参数，在终端安装调试结束后将自描述信息传送给配电主站，配电主站应根据这些信息能够自动生成、修改图形、参数，方便设备的接入。4控制中心主站应对策略采用新的数据处理模型，控制中心主站的生数据加工处理功能被下放到各配电终端，主站的这部分功能已经退化成短期数据调阅、长期数据存储及定期分析。为支持新式多功能配电终端的使用，配电主站应调整与配电终端的访问方式，支持平衡式通信机制，支持一般数据的点召、历史数据的点召、历史数据的定时召唤、历史数据补召以及共享参数上传等功能。控制中心建设中另一个海量数据问题是各

14、种网络拓扑参数、电气参数录入、修改以及与监控站点校对的工作。目前的配电主站大多采用与调度主站类似的数据录入机制，许多实施过配电自动化系统的单位都遇到了工作量大的问题，如果不加以改进，建设一个大型配电系统将是非常困难的。对大型配电系统而言，配电主站的参数录入、修改必须建设成一个自生成、自校对的系统，配电主站与配电终端、配电主站与配电管理系统之间必须共享模型数据，这个系统中的一个关键节点就是带自描述站点信息的多功能配电终端，这种终端对主站来说是即插即用的，配电终端接入主站系统后，主站按照其上传的自描述信息自动生成对应的图形和各种参数，完全（或基本）无需人工干预。大型配电系统的控制中心还面临着如何使

15、用海量数据的问题。这包括如何为调度运行人员提供一个方便的人机界面，如何使用存储的海量历史数据为调度运行和配电管理提供决策支持两方面的需求。为保证调度运行人员能够直观感知配电网运行状态，可采用可示化技术；为应对各种异常状态的处理，可采用智能辅助决策技术、配电网在线分析技术。这些技术的采用将能够极大改善对庞大配电网的调度管理水平。配电自动化系统极大改善了配电网的可观测性，系统运行保存的历史数据是一笔宝贵财富，从浩瀚的历史数据中提炼出有价值的信息为配电管理提供决策支持是大系统面临的一个新任务。采用人工智能、数据挖掘、数据展示等技术对其分析的结果可广泛用于配电规划、预告预警、优化运行、设备检修等，为配

16、电网运行管理打开广阔的发展空间。图7 可视化数据展示5数据传输配电的信息分散、辐射专用通道（特别是对已建成的供电点）比较困难，由于配电具有对模拟量不必进行实时监视的特点，为更多采用公用通信手段提供了可能。5.1当前的通信方案目前国内外广泛采用的通信介质有光纤、GPRS/CDMA、电缆外皮载波、数传电台等。单纯从几个性能指标上来评价这些通信方式的优劣是没有多少意义的，配电自动化系统通信手段的选择要根据需要，从投资大小、运行维护费用和方便性、施工可行性等方面综合比较选定。按照目前的通信技术现状，以下选择原则可供选择：l 对需要进行遥控的供电点，如开闭站、带开关的重要配电室，应敷设专用通道，可首选光

17、缆，也可选用电缆外皮载波l 对不需要进行遥控的供电点，如配电室、分界室、箱变等应首选公用通信手段，个别对象如需要也可敷设专用通道l 对不具备辐射专用通道条件的供电点和供电设备如台变、架空线联络开关等，可采用公共通信手段为支持各种新式数据的传输，需要对IEC60870-5-101、IEC60870-5-104进行扩充，以支持历史数据传送、各种召测命令等。101规约应使用平衡模式，支持主动上报方式，这样可大大减少通信量，提高传输数据的实时性。5.2未来的通信方案随着通信技术的快速发展，WiMAX、3G等更可靠、方便的公共无线技术将成为未来的配电自动化系统的通信首选，各种加密手段的采用将彻底消除电力用户对公共通信系统安全问题的担忧，自建的专用通信网络将逐步被方便实用的公共通信系统所取代。目前在配电自动化系统中广泛使用的IEC60870-5-101、IEC60870-5-104将作为一种补充继续使用，建立在宽带通信介质上的通信协议将逐渐被IEC6