目前最新的“四合一”智能錄波器集成了保信、網分、二次系統可視化和智能運維四大功能，實現了智能變電站的全景化監控和透明化運作，而現有的繼電保護調度管理技術遠遠滯后于智能變電站運行技術的發展，存在信息、數據、計算和運行不透明的問題，難以應對“四合一”智能錄波器數據激增和類型繁多的情況，難以滿足調度對數據分析過程細節掌控和整體狀態直觀感受的實際需求，在“四合一”智能錄波器廣泛推廣前，展開與之相適應的智能錄波主站系統的研究，推進反映電網整體運行狀態的主站系統全景信息的透明化，是電力系統領域一個亟待解決的問題。

近年來，隨著人工智能、大數據、可視化等技術的不斷發展，國內開展了基于智能錄波器的主站系統方面的研究。

在主站智能化研究方面，有學者指出基于人工的電網監控運行分析方法已不能滿足電網智能化發展的要求，提出構建電網故障智能診斷系統的重要性，但未深入研究常規變電站向智能變電站過渡階段對異型錄波器的兼容問題。

在異構數據分析方面，有學者通過對異構數據屏蔽語義差異進行聚合分析和信息挖掘，但對異構數據的差異性進行標準化處理的細節描述不詳。

在運行狀態可視化方面，有學者主要研究智能變電站報文的可視化方法及二次電纜回路的圖形呈現，偏向于變電站側局部數據的展示，且未建立可視化內容向主站側傳遞的有效途徑，信息利用方面存在一定的局限性。基于“四合一”智能錄波器且能主動反映電網整體狀態的主站系統可視化方面的研究較為鮮見。

基于此，廣西電網梧州供電局、武漢華電順承科技公司的研究人員結合李立浧院士提出的透明電網先進理念，將小微智能傳感器、智能設備和軟件平臺等元素搭建的電力系統物聯網架構融入錄波主站系統架構設計中，利用“四合一”智能錄波器監測到的故障數據、設備狀態、網絡鏈路和可視化數據等，在調度側進行高層次抽象，設計一套基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統，集中監測和展示數據處理過程中的關鍵指標和全網運行狀態，調度支持從數據判斷型向透明感知型轉變，提高調度對故障的敏感度和決策效率。

1 新一代透明體系錄波主站整體架構設計

新一代錄波主站系統透明體系架構如圖1所示，實現對電網信息的細粒度透明展示，滿足用戶動態化的信息查詢和定制化的服務請求。透明體系架構包含數據集中層、業務邏輯層和透明展示層三個部分。

圖1 新一代錄波主站系統透明體系架構

1）數據集中層：將所屬轄區內的變電站進行一站式數據接入，開發規約轉換算法庫，進行數據的即時通信和快速集成，統一進行數據清洗、容錯和轉碼等工作，將格式統一的數據存儲于分布式數據庫，為業務邏輯層提供基礎數據透明服務。

2）業務邏輯層：對不同門戶的業務邏輯進行設計，利用大數據和人工智能等技術手段，進行數據深度挖掘和關聯分析，提供綜合評估結果，根據主站系統故障分析、智能巡檢和運行狀態等信息，主動分析電力系統中的薄弱環節，將故障或潛在問題進行等級劃分和智能告警。

3）透明展示層：面向不同對象的需求，將業務邏輯層不同門戶處理后的信息，進行封裝并整合到服務端，實現集中調度、動態管理的目標。將系統管理的故障信息和發布渠道、動態圖元等元素進行關聯，實現可視化界面細粒度按需定制，通過電力系統整體狀態的透明展示，提高主站對調度的決策支持力度。

2 新一代錄波主站系統透明運作流程

新一代錄波主站系統透明運作流程如圖2所示，由信息透明、數據透明、計算透明、運行透明四個步驟組成。

圖2 新一代錄波主站系統透明運作流程

1）信息透明：建立不同型號對應的通信服務模型和統一數據轉出接口，實現非同型設備之間的數據特征識別和通信服務自適應，確保一站式無差別接入。多來源數據異步處理，提高通信服務器資源在透明體系下的目標轉換效率，確保錄波器連接和數據接收的可靠性。

2）數據透明：適應全網智能與常規型號的故障錄波器及主站智能化報文格式的無損轉換，采用了友好容錯和安全轉碼技術，對不符合規范的數據直接在主站端調取一次定值模型，重新生成標準配置參數，擺脫格式不規范對數據存儲和分析的影響。

3）計算透明：通過對數據的分揀和任務的分類，優先處理有明顯故障特征或有開關變位標識的錄波文件，利用虛擬化的任務透明計算技術，根據系統當前資源消耗情況為不同類型和大小的任務合理匹配虛擬機資源，同時監視和管控任務執行進度，及時釋放空閑資源。

4）運行透明：系統的故障信息發布、可視化展示和智能巡檢等功能，面向用戶實現系統信息的細粒度定制和可視化展示，以及自身及所連接錄波器的運行、通信、定值配置等情況的自動巡視，支持巡視結果編輯和輸出等。

面向服務對象進行細粒度需求內容的定制，實現事件定義、信息共享和人機交互的透明運作模式，提高新一代智能錄波主站的綜合服務能力。

3 常規變電站向智能變電站過渡階段基本問題的解決

當前智能變電站和常規變電站處于共存的狀態，智能錄波器和常規錄波器的結構和數據的量級都有較大的區別，新一代智能錄波主站系統在適應常規變電站向智能變電站過渡過程中，首先需要解決現有信息和數據不透明兩大基本問題，完成異型錄波器無差別接入和異構數據標準化處理，便于后續程序裝載運用。

3.1 常規和智能錄波器無差別接入的可靠性處理

新一代透明體系錄波主站通信規約自適應邏輯結構如圖3所示，由于常規錄波器廠商自有規約基本是IEC 60870—5—103規約的變種，智能變電站錄波器遵循IEC 61850標準規約，因此新一代智能錄波主站系統應至少能同時適配以上兩種規約的通信框架，在與標準規約保持同步的同時，還具備向下兼容的能力，以適應現有大部分常規變電站錄波器規約向完全遵循標準規約的平滑過渡。

圖3 通信規約自適應邏輯結構

非標準規約上傳的遠動數據按標準規約定義的信息模型進行重組，具體的規約轉換步驟如下：

1）規約解析。將非標準規約錄波器監測的模擬量和狀態量信息，解析成遙測和遙信等變電站規約信息，將解析后的信息存入實時數據庫中。

2）自適應轉換。根據IEC 61850標準中的定義，建立非標準規約向標準規約轉換的信息模型；根據錄波器屬性信息和非標準規約通信結構特點在算法庫中進行規約轉換映射關系的自動匹配加載，將其他非標準規約進行自適應轉換。

3）信息透明。將實時數據庫中解析完成的變電站信息，向對應的IEC 61850轉換網關信息模型的對象屬性進行映射，完成不同規約的標準化轉換，實現常規和智能錄波器無差別接入的通信需求。

3.2 異構數據標準化處理的質量提升

智能、常規錄波器記錄的數據類型不同，“四合一”智能錄波器的數據更為豐富，不僅有錄波數據，還包含網絡報文、二次系統的可視化數據和運維數據等，透明體系錄波主站統一進行異構數據的友好容錯、安全轉碼和透明訪問等標準化處理，流程如圖4所示。

1）友好容錯：對不符合標準的數據識別為非標準數據，利用通用補償列表或調取一次定值模型等方式生成標準參數配置信息，對非標準數據調取適配的函數進行數據補全或重復數據的剔除等操作。

圖4 數據透明標準化處理流程

2）安全轉碼：利用參數差異度指標衡量異型錄波器模型參數之間差異的大小，不同來源、不同類型數據做細粒度處理，匹配到IEC 61850信息模型統一參數描述的數據通道，波形數據使用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang transform, HHT）算法平滑濾波降低噪聲干擾，提高數據的平滑性，其他類型數據聚合后進行一致化處理，最終實現數據無損和安全轉碼。

3）數據透明：將異構數據采用模板中間件映射為統一格式的數據文件，主站進行數據訪問接口的集中管理，實現數據的集控式透明訪問。

4 新一代透明體系錄波主站系統實現的關鍵技術

在解決常規變電站向智能變電站過渡階段信息和數據不透明兩大基本問題的基礎上，新一代透明體系錄波主站系統的實現采用基于虛擬化的任務計算透明和基于可視化的運行狀態透明兩個關鍵技術。

4.1 基于虛擬化的任務計算透明技術

面對海量錄波數據，利用虛擬化技術，抽象錄波主站系統底層硬件資源，使硬件資源底層之間的差異做到透明，便于資源控制器對不同的虛擬計算資源進行統一調度和管理。

虛擬機是物理機CPU、內存、硬盤和網絡帶寬分割后的一個個容器，具備物理機處理問題的能力和屬性。基于虛擬化技術的任務透明計算模型如圖5所示，不同類型任務運行于由通信、存儲、分析和發布服務器資源分割后的虛擬機中，多窗口任務的透明計算實際上可以轉化為任務處理效率或資源優化利用的問題。利用剩余資源反饋機制的資源優化算法，將任務分配到動態負載均衡篩選出來的處理節點上，縮短計算時間，降低CPU和內存等資源的占用。

圖5基于虛擬化技術的任務透明計算模型

4.2 基于可視化的運行狀態透明技術

智能變電站采用的IEC 61850報文艱深難懂，專業性門檻較高。系統采用可視化的圖形界面對繁瑣報文進行“翻譯”，可提高數據的直觀性和利用率，幫助調控人員快速掌握電網運行情況。

基于可視化的電網運行狀態透明展示如圖6所示，主站配置可視化環境和工具，采用多通道輸入實現不同展示內容的快速互換，以細粒度定制和可視化的方式實現電網運行狀態的透明，既可展示整體，又可近觀局部。

圖6 電網運行狀態透明展示

主站系統利用“四合一”智能錄波器的網絡報文、二次系統的可視化數據集中展示通信鏈路通斷和電網全景狀態，利用運維數據進行全網設備狀態感知和評分，實現電網信息的整體透明。

運行透明主要包含：

1）事件的請求和響應。調度人員通過瀏覽器提交需求后，系統通過建立client和server之間的連接，解析需求內容，查詢數據庫中與之匹配的靜態或動態數據源，查找結束后返回數據。

2）多視圖界面的編輯。將事件數據進行整理和提煉，封裝為圖形展示組件，提供圖形化編輯的支持；將可視化表現形式如餅圖、曲線、表格、樹圖、魚骨圖和柱狀圖等用戶界面（user interface, UI）控件封裝為自定義組件；通過腳本語言進行數據綁定、畫面布局及可視效果轉換等操作。

3）運行的可視化展示。系統提供圖形化的界面，可局部展示所關聯智能設備的實時狀態，亦可統計、分析、評分和可視化呈現電網整體狀態，透明掌握電網運行全景信息。

運行透明實現了全網設備運行狀態的快速感知，調度站在全局視角進行狀態等級評定和資源統籌協調，實現智能運維的目標。

5 應用實例

5.1 監測指標的提取

提取海量故障錄波數據分析過程監測的關鍵指標見表1，基于監測指標所反映的計算過程中系統性能的考量點，啟動自適應分析功能，分析系統性能瓶頸，通過對資源耗費情況的主動檢測，對資源運行過程中的系統性能進行主動評價，定期釋放閑置資源，保障系統的持續高性能。

表1

5.2 實例分析

傳統多機協同主站架構主要適用于處理常規錄波器故障數據業務，不能支持“四合一”智能錄波器規約轉換、二次設備可視化、運維數據的有效利用和展示，對智能站無數據處理能力，而新一代透明體系主站架構在適應“四合一”智能錄波器的同時，也極大程度地兼容現有的常規錄波器，面對 “四合一”智能錄波器數據成倍增加的情況，主站具備較好的資源動態協調和數據快速處理能力，且對故障分析過程進行實時監測、數據統計和可視化展示，對故障情況的直觀表達有助于調度人員及早發現和處理問題，實現電網全景信息的整體透明。

為了驗證新一代錄波主站透明體系架構的優勢，選取廣西某供電局2座常規變電站和2座南方電網的3C綠色示范智能變電站作為試點，覆蓋目前國內9大主流廠商錄波器，采用透明體系架構進行主站系統的搭建，從信息、數據、計算和運行透明四個角度，建立異型錄波器兼容、數據穩定傳輸、標準化處理、虛擬機計算和可視化展示等指標予以考核，針對性地統計傳統多機協同架構主站對應指標數據，并進行兩種主站架構的異構數據處理效率指標比對，其結果見表2。

表2

從表2可以看出：

1）透明體系架構具有較好的兼容性和傳輸穩定性，更適合對數量多、類型廣、維度高的異構數據進行一站式接收和處理。

2）采用透明計算模式，對分類后的任務和資源分配尋求動態平衡，主站的計算效率提升80%，有效緩解了計算耗時對調度決策延時所帶來的影響。

3）可視化展示細粒度定制化內容的效率控制在1min以內，加強了調度對故障和告警信息的直觀感受，提高調控機構的認知能力和決策水平。

6 結論?

本研究提出的基于透明體系的新一代智能錄波主站系統，與新一代“四合一”智能錄波器全景可視化發展相匹配，改變了過往調度管理技術滯后于智能變電站運行技術發展的局面，解決了電網運行狀態感知和智能運維“最后一公里”透明的盲區，是一整套全網信息透明化的調度決策支持解決方案。

實踐結果表明，基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統在設備兼容、數據轉碼、透明計算和可視化展示方面較傳統主站有飛躍性的提升，可以有效解決故障分析過程和系統運作不透明的問題，可形成對全網運行狀態的快速感知和可視化監視，實現透明體系往調度側的延伸和邁進。

本文編自2021年第9期《電氣技術》，論文標題為“基于透明體系架構的新一代智能錄波主站系統設計”，作者為李波、溫文劍 等。