智能变电站一体化平台的设计与实现.docx
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智能变电站一体化平台的设计与实现
智能变电站一体化平台的设计与实现
摘要
电力工业是国民经济的关键部门，关系到民生民计。
近几年来，随着创一流供电企业的要求和提高供电可靠性的需要，变电站数字化向智能化转变成为电力部门各级领导放在战略高度重视和研究的课题。
由于传感器、光纤、计算机及通信技术的飞速发展，电力部门信息化水平迅速提高，同时变电设备的性能也得到了很大改善，开展智能变电站一体化平台趋向成熟。
本文重点讲述智能变电站一体化平台的设计过程和实现过程。
在功能设计上，将对生产设备监测，视频联动，设备状态分析，智能巡检，设备智能分析决策等进行重点展开。
在性能设计上，为了实现平台的高可靠性和高可用性，将对系统架构设计进行优化升级，采用双网设计，集群架构。
在软件体系结构上，为了达到平台的可维护和可扩张性，将采用分层架构结合SOA架构设计实现。
通过智能变电站一体化平台，将使传统数字化变电站更高效更智能。
在视频巡检和视频联动上，将为无人变电站的实现走出重要一步。
在生产设备监测基础上展开的设备智能分析决策系统，将是数字化向智能化转变的重要贡献。
关键词:
智能变电站，视频联动，视频巡检，设备状态监测，设备状态评估
Abstract
Thepowerindustryisakeysectorofthenationaleconomy,whichiscloselyrelatedtopeople'slivelihood.Inrecentyears,becauseoftherequirementsofbuildingthefirst-classpower-supplyingenterpriseandimprovingthereliabilityofpowersupplying,thestrategiesoftransformingdigitalsubstationintointelligentsubstationbecomethekeyresearchtopicofthepowersuplyingdepartment.Duetotherapiddevelopmentofsensors,opticalfibers,computerandcommunicationstechnology,andtherapidimprovementoftheinformationizingprocessofthepowerdepartmentandthefunctionsoftheequipments,theintelligentsubstationintegrationplatformbecomespossible.
Thisarticlefocusesondesignprocessandimplementationprocessoftheintelligentsubstationintegrationplatform.Consideringthefunctions,Iwillfocusonmonitoring,videolinkage,equipmentstateanalysis,andintelligentdataloggingequipmentintelligentanalysis.Consideringtheperformance,Iwilloptimizeandupgradethedual-networkdesignandclusterarchitectureinordertoachievethehighreliabilityandhighavailabilityoftheplatform.Onsoftwarearchitecture,IsuggestusingalayeredarchitecturecombinedwithSOAarchitecturedesignandimplementationinordertoreachtheplatformmaintenanceandexpanssibility.
Throughtheintelligentsubstationintegrationplatform,thetraditionaldigitalsubstationsarebecomingmoreefficientandsmarter.Thevideoinspectionandvideolinkageareastepforwardtotherealizationofunmannedsubstation.Theintelligentdecidingsystembasedonequipmentmonitoringwillbeanimportantcontributiontothetransformationfromdigitalsubstationtointelligentsubstation.
KeyWords:
Intelligentsubstation,Videolinkage,Videoinspection,Equipmenconditionmonitoring,Equipmentconditionassessmen
图目录
表目录
第1章绪论
1.1研究背景
电力工业是国民经济的关键部门，关系到民生民计。
近年来，我国经济快速发展，人民生活水平逐步提高，城乡用电量不断创造着历史新记录。
为了适应新时期国计民生对电力需求的拉动、实现高质量稳定持续供电，各级供电企业提出了在更新电力设施的同时，用信息技术改造和武装变电生产全过程的目标，积极响应党中央在“十五”规划中提出的“以信息化带动工业化”的策略，促进传统工业的改造。
该项目是辽宁省的一个科技项目，将在辽宁省某个集控站进行试点推广。
在智能变电站SCADA系统上，进行视频联动，视频巡检和分析决策的研究和应用，对传统的数据传递模式进行分析研究，达到在应用层的集成和应用。
1.2变电站智能化的现状
变电站在整个供电体系中，启动关键的作用，是发电，输电，用电等环节中的重要一环。
电压站往往跟高压，高风险，高质量联系在一起。
近几年来，随着创一流供电企业的要求和提高供电可靠性的需要，状态检修已成为电力部门各级领导放在战略高度重视和研究的课题。
由于传感器、光纤、计算机及通信技术的飞速发展，电力部门信息化水平迅速提高，同时变电设备的性能也得到了很大改善，开展状态检修的条件日趋成熟。
智能变电站一体化平台就是结合现在成熟的智能传感，物联网技术，IED设备，计算机信息计算，计算机图形技术，视频技术，结合我们变电站的生产实际，综合设计的一套集智能管理，视频监控，智能决策分析的平台。
将在我们的变电站，集控站的自动化生产中得到广泛的推广和应用。
1.3研究内容和目标
本课题的主要研究内容：
一、变电站的生产监测应用
为了更好的对变电站的生产进行监测，我们要了解各种设备的工作特点，主要性能指标，选取监测的量测项，选取合理的智能终端设备。
二、视频技术在高危卡点的巡检应用
变电站中，很多卡点都是高危的卡点，对安全性，对环境都有很高的要求。
用智能设备来代替常规的人工巡检是相当有必要的。
视频技术可以代替我们现场的观察。
但人工巡检有线路和顺序，以及现场的巡检方案变化。
固定的视频监测点无法达到这个要求。
我们将把固定的视频监测点，通过不同的组合算法，来模拟巡检路线。
同时附加一些预按算法，来临时处理突变事件的巡检方案。
合理的视频组合算法，以及预按算法，是视频巡检的关键，也是我们研究的一个主要内容。
三、变电站设备的状态智能分析体系
通过智能终端返回的信号量，对应到具体的设备部件的量测项（点表对应）。
依据国网颁发的《国网公司状态检修试验规程和状态评价、状态检修导则》，建立设备状态综合分析。
通过采集设备个体的各种状态量数据（既使用在线监测仪器，也要充分利用常规的历史试验数据、缺陷信息、运行信息等），依据设备状态评估模型，对其进行跨专业的综合推理和分析，得出对设备状态的评分。
算法模型如图1.1
图1.1设备状态算法模型
经设备状态评估，对处于“注意值”，“警戒值”的设备，发出预警，在监控系统中给出预警提示，并通知设备运行负责人（设备主人）。
同时可以自动生成评估报告进行打印输出。
四、B/S架构系统在可靠性，可扩展性上的架构研究
因为系统对变电站有着实时监控，应用管理。
电力行业的高可靠性决定了系统在可靠性上的高要求。
系统架构的设计直接关系的系统的质量属性。
系统的可靠性和可扩展性的要求，在系统架构设计的时候是一个研究的重点。
探讨各种HA技术，各种负载均衡技术以及各种架构的性能特点。
选择一种最优架构。
五、智能变电站统一建模模型
为了统一变电站一次设备和二次设备的描述以及与IDE设备之间的网络通信，进行变电站的统一建模时相当有必要的。
只有对所有的一二次设备和通信进行了统一建模，采用更好的实现平台的一体化。
本课题的研究目标：
通过本课题的研究，我们将结合智能传感，图形图像，智能算法，高可用性、可扩展性的系统架构，设计出可行的变电站智能应用系统。
提高变电站的生产、管理和维护的效益，提高变电站的管理绩效，提高变电站的安全生产能力。
为我国的安全用电，高效用电做出贡献。
在传统的SCADA系统中基础上，实现分析决策，视频联动巡检技术。
在设备状态分析，视频监测分析上有很好的应用。
同时为智能传感，系统架构，图形图像技术在电力行业的综合应用积累经验。
1.4研究方法
一、调研法
深入变电站、集控中心，进行调研，明确需求。
同时走访目前国内比较成熟智能终端厂商，进行学习交流合作。
为系统的开展做准备。
同时在系统实现过程中，及时调研反馈。
跟客户和合作厂商及时沟通，交换意见。
二、实验法
由于系统的实际拓扑架构比较复杂，在开发中不能搭建实际的生产环境。
我们要进行大量的模拟实验，对系统中的关键功能进行demo设计，重复实验达到最佳效果。
如在系统架构（系统拓扑结构），进行现场模拟环境搭建，模拟网络结构。
进行报文数据仿真模拟。
系统模拟实验设备条件：
1、东方电子信号模拟器；2、数据采集装置模拟器；3、联动服务器模拟程序；4、前置服务器模拟程序；系统模拟实验协议条件：
1、IEC104通信协议；2、IEC61850通信协议；3、自定义内部解析规约。
系统模拟试验所需软件有：
配置文件采用XML（可扩展标记语言ExtensibleMarkupLanguage）作为信息交换格式，以一种开放的自我描述的方式定义了数据结构，体现数据之间的层次关系。
AltovaXMLSpy是一个工业标准的XML开发环境，为XMLSchema、XML文件的创建和编辑提供了高效灵活的环境。
它还支持多种文档视图，便于对工程中XML文档进行管理。
IEC61850SCL．Validator是由UCAInternationalUsersgroup和Siemens提供技术支持，一种基于网页的SCL有效性的免费测试工具。
主要验证配置文件和IEC61850．6中Schema的一致性，并且有针对性地测试SCD和ICD文件。
IEDScout是Omicr0n开发的针对IEC61850设备的测试工具，与KEMA相关软件的测试重点不同。
它可以通过服务获取IED的数据模型，验证其正确性，并且自动生成配置文件。
三、经验总结法
对现有的资料，可借鉴的系统进行总结，同时在已实施的方案上不断总结提升，得出新的设计方案。
如对现有的SCADA系统的数据采集规则，拓扑结构进行分析总结，得出我们自己的拓扑结构图。
1.5本文结构组织
根据上述研究内容和研究目标，文章其余部分内容组织如下：
第二章：
本章主要介绍智能变电站一体化平台设计开发过程中用要到的相关技术，包括了通信IEC61850协议，它是智能变电站通信的基础。
智能变电站的统一建模，是智能变电站面向对象建模的重要环节。
第三章：
本章主要讲解系统的需求过程，通过用户图来描述系统的用户和系统边界
然后讲解的系统的功能需求和性能需求。
为下面系统设计打下基础。
第四章：
本章主要介绍从系统的架构设计。
从系统性能需求上和软件开发模式上对系统架构的要求来分析得出我们系统的架构。
本章讲解了系统的硬件部署架构和系统的软件设计架构。
第五章：
主要讲解系统各个模块的功能设计与实现。
第六章：
本章将对全文内容进行了总括，回顾了本文的主要研究内容，归纳了本文的主要贡献以及创新点，并指出进一步可以进行研究的内容，作为下个阶段研究的重点。
1.6本章小结
在本章中，我们首先介绍了课题的选题背景，目前变电站在智能化方面的现状以及对智能变电站目前一些不足之处，引出我要解决的主要问题，主要研究的内容和目标。
同时罗列一些我们将要采取的研究方法。
对整个论文所要探讨的主要内容和主要方向有了一个大体的阐述。
对本文结构组织，大体章节内容都做了介绍。
方便下面内容的阅读。
第2章系统应用技术
2.1智能变电站一体化平台概述
变电站智能应用平台作为智能变电站站控层的全景数据中心，收集、处理、存储设备状态监测分析结果数据、设备状态监控可视化数据、智能辅助系统数据、测控及保护数据、故障录波数据等的各种数据。
并具备智能告警及分析决策、故障信息综合分析决策、设备状态可视化、设备状态检修、智能巡检等高级应用功能。
通过智能应用平台，位于主站端的调度人员和技术专家能够对各个变电站的运行情况进行远程实时监控，对于变电站的安全管理、集中监控、无人值班的实现，以及智能变电站的建设具有重要意义。
同时能对变电站的控件数据进行智能分析，智能算法得出报告。
变电站智能平台包括：
生产设备监测、设备状态分析、网络设备监控、智能告警分析与决策、设备状态报告生成，辅助系统管理等内容
2.2IEC61850概述
IEC61850《变电站网络与通信协议》标准（以下简称IEC61850）是新一代的变电站网络通信体系，适应分层的IED和变电站自动化系统。
该标准根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络发展。
采用了面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求。
采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性。
定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能，传输采样测量值等。
该标准还包括变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等。
IEC61850标准是全世界唯一的变电站网络通信标准，也将成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝自动化标准。
智能变电站智能应用系统在网络通信体系上将严格的遵守IEC61850标准。
2.3智能变电站的统一建模
为了统一变电站一次设备和二次设备的描述以及与IDE设备之间的网络通信，进行变电站的统一建模时相当有必要的。
变电站配置语言（SCL）是IEC61850规定的基于XML的对变电站自动化系统（SAS）进行描述的一种语言。
为了解决变电站自动化系统中来自不同的厂家的智能电子设备（IED）间互操作与集成的问题，国际电工委员会制定了IEC61850变电站通信网络和系统的系统国际标准。
改标准规定基于xml的SCL语言。
根据不同的应用场合，有SSD、ICD、SCD、CID四种类型。
其中，SSD文件（系统规范描述文件SystemSpecification．Description）主要描述变电站的单线图、电压等级、一次设备等信息，文件包括变电站描述以及数据类型模板等。
ICD文件（IED能力描述文件IEDCapabilityDescription）与IED一一对应，描述IED装置的能力，使用模板定义逻辑节点、数据和服务。
SCD文件（变电站配置描述文件SubstationConfigurationDescription）由系统配置从SSD文件和ICD文件里生成，描述了完整的变电站、IED以及通信系统。
CID文件（IED配置描述文件ConfiguredIEDDescription）跟ICD一样与IED一一对应，是最终的配置文件。
他们的相互配置关系如下图2.1：
图2.1变电站建模配置图
2.4分层和SOA架构
分层（Layer）模式是最常见的一种架构模式。
甚至说分层模式是很多架构模式的基础，本章下面讲到的一些内容实际上都和分层模式相关联。
分层描述的是这样一种架构设计过程：
从最低级别的抽象开始，称为第1层。
这是系统的基础。
通过将第J层放置在第J-1层的上面逐步向上完成抽象阶梯，直到到达功能的最高级别，称为第N层。
因而分层模式就可以定义为：
将解决方案的组件分隔到不同的层中。
每一层中的组件应保持内聚性，并且应大致在同一抽象级别。
每一层都应与它下面的各层保持松散耦合。
分层模式的关键点在于确定依赖：
即通过分层，可以限制子系统间的依赖关系，使系统以更松散的方式耦合，从而更易于维护。
相对于分层，还有一种概念叫分区。
分层是对架构的横向划分，而分区是对架构的纵向划分。
典型的分层方式是应用程序专用功能位于上层，跨越应用程序领域的功能位于中层，而配置环境专用功能位于低层。
层的数量与组成取决于问题领域和解决方案的复杂程度。
通常而言只有一个应用程序专用层。
应当把子系统组织成分层结构，架构的上层是应用程序专用子系统，架构的低层是硬件和操作专用子系统，中间件层是通用服务。
对系统进行分层有如下基本原则：
—可见度。
各子系统只能与同一层及其下一层的子系统存在依赖关系。
—易变性。
最上层放置随用户需求的改变而改变的元素。
最底层放置随实施平台（硬件、语言、操作系统、数据库等）的改变而改变的元素。
中间的夹层放置广泛适用于各种系统和实施环境的元素。
如果在这些大类中进一步划分有助于对模型进行组织，则添加更多的层。
—通用性。
一般将抽象的模型元素放置在模型的低层。
如果它们不针对于具体的实施，则倾向于将其放置在中间层。
—层数。
对于小型系统，三层就足够了。
对于复杂系统，通常需要5-7层。
无论复杂程度如何，如果超过10层，就需要慎重考虑了。
层数越多，越需慎重。
常见的分层架构模式
1．客户端-服务器模型（Client-Server，C/S）。
2．三层模型：
用户表示层、业务逻辑层、数据层。
3．多层结构的技术组成模型：
表现层、中间层、数据层。
4．基于Java的B/S模式系统结构：
浏览器端、服务器端、请求接收层、请求处理层。
面向服务架构（SOA）是指为了在网络环境下解决业务集成的需要，通过连接能完成特定任务的独立功能实体实现的一种软件系统架构。
面向服务架构减少了异构性、互操作性和不断改变的要求的问题，这样的体系结构提供平台构建了具有松散耦合、位置透明、协议独立特征的应用程序服务。
基于面向服务的体系结构，服务使用者甚至不必关心与之通信的特定服务，因为底层基础设施或服务“总线”将代表使用者做出适当的选择。
基础设施对请求者隐藏了尽可能多的技术。
特别地，来自不同实现技术（如J2EE或.NET）的技术规范不应该影响SOA用户。
如果已经存在一个服务实现，我们就还应该重新考虑用一个“更好”的服务实现来代替，新的服务实现必须具有更好的服务质量。
面向服务架构是将组件描述成提供相关服务的物理黑盒封装的可执行代码单元。
它的服务只能通过一致的已发布接口（它包括交互标准）进行访问。
组件必须能够连接到其他组件（通过通信接口）以构成一个更大的组。
服务通常实现为粗粒度的可发现软件实体，它作为单个实例存在，并且通过松散耦合的基于消息通信模型来与应用程序和其他服务交互。
面向服务架构中包括了一下几个重要的面向服务术语：
（1）服务：
逻辑实体，由一个或多个已发布接口定义的契约。
（2）服务提供者：
实现服务规范软件实体。
（3）服务使用者（或请求者）：
调用服务提供者的软件实体。
传统上，它称为“客户端”。
服务使用者可以是终端用户应用程序或另一个服务。
（4）服务定位器：
一种特殊类型的服务提供者，它作为一个注册中心，允许查找服务提供者接口和服务位置。
（5）服务代理：
一种特殊类型的服务提供者，它可以将服务请求传送到一个或多个其他的服务提供者。
在组件和服务开发中，都需要进行接口设计，这样软件实体就可以实现和公开其定义的关键部分。
因此，在基于组件和面向服务的系统中，“接口”的概念对于成功的设计非常关键。
下面是一些与接口有关的重要定义：
（1）接口：
定义一组公共方法签名，它按照逻辑分组但是没有提供实现。
接口定义服务的请求者和提供者之间的契约。
接口的任何实现都必须提供所有的方法。
（2）已发布接口：
一种可唯一识别和可访问的接口，客户端可以通过注册中心来发现它。
（3）公共接口：
一种可访问的接口，可供客户端使用，但是它没有发布，因而需要关于客户端部分的静态知识。
（4）双接口：
通常是成对开发的接口，这样，一个接口就依赖于另一个接口；例如，客户端必须实现一个接口来调用请求者，因为该客户端接口提供了某些回调机制。
2.5SVG与VG技术
SVG（ScalableVectorGraphics）是基于可扩展标记语言（XML），用于描述二维矢量图形的一种图形格式。
SVG由W3C制定，是一个开放标准。
SVG严格遵从XML语法，并用文本格式的描述性语言来描述图像内容，因此是一种和图像分辨率无关的矢量图形格式。
SVG格式具有以下优点：
1、图像文件可读，易于修改和编辑
2、与现有技术可以互动融合。
例如，SVG技术本身的动态部分（包括时序控制和动画）就是基于SMIL标准。
另外，SVG文件还可嵌入JavaScript（严格地说，应该是ECMAScript）脚本来控制SVG对象
3、SVG图形格式可以方便的创建文字索引，从而实现基于内容的图像搜索
4、SVG图形格式支持多种滤镜和特殊效果，在不改变图像内容的前提下可以实现位图格式中类似文字阴影的效果
5、SVG图形格式可以用来动态生成图形。
例如，可用SVG动态生成具有交互功能的地图，嵌入网页中，并显示给终端用户
6、SVG面临的主要问题一个是如何和已经占有重要市场份额的矢量图形格式AdobeFlash竞争的问题，另一个问题就是SVG的本地运行环境下的厂家支持程度。
VisualGraph是一套强大的专业图形引擎平台（以下简称VG或VisualGraph），她能非常方便地建造基于图形的界面、制作各种图形元件、实现图形管理、图形建模、制作监控系统、表单系统、绘图系统、流程设计、CAD软件等。
她提供功能非常强大的COM组件，和其他流行的编程语言共同工作，极大地弥补了这些语言在图形处理方面的不足。
也可以嵌入IE浏览器中，实现网上图形编辑和控制等。
VisualGraph专门处理交互图形，与具体业务无关，她提供了十分丰富规范的交互事件和图形控制命令，内置结构简单开放的脚本语言，使程序员能够专心编写后台系统等与图形无关的部分，体系结构十分清晰。
VisualGraph插件可以应用在Windows平台上的各种编程语言，甚至现在一般不太常用的Foxpro都支持它。
在IE客户端，使用VBScript或者Jscript均可以操作它提供的接口类、函数和属性。
完全功能的系统不含任何第三方技术，打包后文件大小才仅有300k。
2.6本章小结
本章主要介绍了智能变电站一体化平台设计开发过程中用要到的相关技术，包括了通信IEC61850协议，它是智能变电
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