直流融冰装置集中监控与评估系统设计与实现

杨柳青，杨旗,3，马晓红，张露松，曾华荣，毛先胤

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州 贵阳 550002；2.南方电网有限责任公司防冰减灾联合实验室,贵州 贵阳 550002； 3.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550002；4.贵州电网有限责任公司凯里供电局，贵州 凯里 556000)

冰灾作为电力系统安全稳定运行的严重威胁之一[1-5]，相比其他自然灾害，冰灾的直接和间接损失往往更加严重，轻则电缆舞动、绝缘子冰闪，重则杆塔倒塌、电缆断线，甚至造成大面积停电[6-12]。我国在近年来发生了数起冰灾危害电网运行的案例，如2005年华中地区的冰雪天气使得华中、华北电网承压，仅湖南一省就有3条500kV线路倒塔24基、变形3基，6条220kV线路倒塔18基、变形9基[13]；2008年华中、华东地区出现大面积降雪冰冻天气，多地电网发生覆冰闪络、倒塔等安全事故，国家电网公司直接经济损失高达104.5亿元[14-15]。

冰灾对电力系统带来的影响引发了国内企业和学术界对防灾、融冰等领域的广泛研究关注，南方电网公司在经历了2008年特大冰灾后，整合吸收了国内外电网抗冰融冰的经验，全面开展电网防冰科研攻关，自主开发了基于晶闸管整流的融冰装置，建立了一套直流融冰体系[16-17]。2011年冬季南方电网地区再次出现输电线路覆冰险情，共导致1400余条10kV以上线路、70个35kV以上变电站停运[18]。本次冰灾局部地区相比2008年更加严重，但得益于在电网部署的直流融冰装置，没有发生220kV及以上电压等级的线路倒塔断线事故，也没有发生县级及以上的区域停电事故。

近年来，直流融冰装置技术不断发展，单台装置融冰效果和效率不断提升[19]。然而，固定式直流融冰装置分布地域广，相互独立，运维不便，管理难度较大[20]。为此，本文借鉴调度集控和新能源集控的思路[21-22]，提出一种直流融冰装置集中监控与评估系统，实现将各变电站处的直流融冰装置监控信息进行集中汇集，并对各融冰装置的状态进行打分评价，进而提升现有融冰装置运维效率。

1 融冰装置集中监控与评估系统架构

1.1 系统功能与设计原则

目前，贵州电网拥有6/12脉动固定式直流融冰装置现已经超30套，分布在全省9家供电局，主要采用了3家直流融冰装置厂家的产品。在直流融冰过程中，操作人员目前只能在现场进行操作和监控一次设备状态，无法在远程对装置状态信息进行监控，一旦在运行过程中出现问题就需要技术人员赶往现场进行处理，造成运维效率低下。

融冰装置集中监控与评估系统旨在将全省所有融冰装置的关键信号汇集于一处，形成集约化的精益生产管理模式，以极小的运维成本产生较好的融冰管理效率，为统筹防冰减灾工程提供一种新的解决方案。在设计上，系统采用整体规划、总体设计手段：在融冰子站侧配置远动转发点表，并在集中监控中心侧部署服务器、交换机、工作站等设备，逐步实现对全省所有融冰装置的集中监控与评估。

系统设计原则主要遵循以下4点[23-24]。

1)可靠性和稳定性：选用技术路线成熟、运行可靠稳定的设计方案，在硬件选型、网络规划、软件系统等各个方面充分考虑软件、硬件的可靠性和稳定性。

2)安全性：系统设计应充分满足电力二次系统安全防护规定的要求，遵循南方电网既有网络安全策略，按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则对网络进行配置。此外，系统及功能模块应设有权限管理，不同需求人员对应不同权限。

3)可拓展性：系统的设计与实施应充分考虑电网防冰工作今后发展的需要，具备灵活增减或更新各个功能模块的功能，针对融冰装置不同产品系列、不同容量与不同处理能力等方面有扩充与换代的可能，满足不同时期的需要。系统软硬件应采用便于功能更新的模块化设计，功能更新时不影响系统运行，融冰主站系统容量冗余度应有大于30%。

4)先进性与前瞻性原则：系统建设采用符合未来电网防冰减灾发展趋势的先进的设计方案，系统整体推荐具有代表性的架构。在建设中应采用主流的、成熟的、先进的监控软件技术，开发模式和管理方式。

1.2 系统硬件结构设计

直流融冰装置集中监控与评估系统硬件结构如图1所示。

图1 融冰装置集中监控与评估系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of centralized monitoring and evaluation system for ice melting device

系统硬件采用两级分层架构，直流融冰装置远程集控中心统一采集、监视、评估各个融冰子站的融冰装置。系统分为融冰集控中心层、融冰子站层二级架构。融冰集控中心拥有融冰主站服务器和融冰主站工作站主要设备，中心采用太网双网络结构，通信协议采用TCP/IP进行通信，实现与融冰子站设备(融冰装置)进行通信。数据链路采用综合数据网结构，融冰子站侧利用已有设备将各融冰装置监测数据上送至融冰专用远动网关机，通过104规约走调度数据网或运营商专用通道上传到中心侧，子站出口和集中监控中心入口均设有纵向加密装置，确保电力信息安全。

1.3 系统软件结构设计

直流融冰装置集中监控与评估系统软件结构如图2所示。

图2 融冰装置集中监控与评估系统软件结构图Fig.2 Software structure diagram of centralized monitoring and evaluation system for ice melting device

数据源来自融冰子站侧的融冰装置和升压站。数据获取层是整个数据中心的信息采集模块，即采集中心，支持通过数据抽取、文件抽取、数据直采等方式。数据存储层共有模型和数据两个中心，采用了混合存储框架，可以满足不同专业数据的存储要求。时序库、关系库、文件服务器等组件可以通过自由组合的方式，构成所需的功能模块。系统运行维护工具用于后期运行维护人员快速掌握系统和发现、排查问题。应用服务层包含交换中心、展示中心和业务平台，整个数据中心建设的最终目的所在，具有数据服务、模型服务、人机界面、报警服务等功能，实现对融冰装置工况的整体评估，便于安排融冰装置检修计划，减少人力成本投入[25-28]。

2 融冰装置集中监控与评估系统关键技术

2.1 信号上送点表筛选

直流融冰装置集中监控与评估系统需要通过参考相关规范和调研现场实际情况，筛选出子站升压站和融冰装置需要上送的遥测、遥信点表。依据南方电网关于变电站融冰装置信息接入综自系统要求，遥测采集的信号主要包括换流变压器与整流阀连接的一侧电压电流功率以及交流电网连接一侧电压电流功率、车载融冰装置交流输入侧的电压电流功率、车载融冰装置地点或经纬度、正负极直流电压电流功率、换流阀触发角触发角、网侧总谐波失真度、融冰装置用交流滤波器组无功功率。采集的遥信主要包括换流变网侧和阀侧、换流阀交流输入端、融冰装置用交流滤波器、车载融冰装置交流输入端、换流阀直流正负极母线、融冰线路、旁路母线、换流阀的断路器和隔离刀闸状态，以及一相对一相融冰方式、一相对两相融冰方式、直流融冰系统工况(故障/正常)或事故总信号、车载融冰装置运行状态等。

经过对贵州省内各融冰子站上送信号进行调研，以上信息均已上送调度，同时需要上送直流融冰装置集中监控与评估系统。此外，还需从表征融冰装置工作状况的关键遥测量和遥信量出发，提出一套融冰装置评价导则，将导则里所需采集的信息同样传入融冰集控中心。

2.2 融冰装置评价导则

融冰装备作为电网中的非常规设备，开展其状态评价，为设备预防性试验开展及日常运行维护提供更为可靠的依据。对融冰装置评价而言，监测状态量的选择直接关系着融冰装置的运行状态，未来可能发生的故障，因而在状态量选取上，主要来自4个渠道。

1)原始资料，如技术规范书、铭牌、图纸、型式试验报告等。

2)运行资料，如带融冰线路运行情况、过电压出现情况，三相不平衡情况，各类缺陷处理及更换资料等。

3)设备每年定期预防性试验数据(如升流、升压试验)。

4)其他资料，如装置升级改造、设备关键零部件更换等。

直流融冰装置健康状况评价根据轻重缓急分为1级、2级、3级、4级，各种状态等级分别选取不同权重系数。1级、2级健康状态为一般状态，3级、4级对应为重要状态。

依据长期运行积累的专家经验，将直流融冰装置状态分为如下4种状态。

1)正常状态。此状态表示直流融冰装置各项参数均在正常范围里。

2)注意状态。此状态代表直流融冰装置状态量朝规定的限值发展，但仍未超过阈值，仅需要加强监测。

3)异常状态。此状态代表直流融冰装置状态量(大部分状态参量)变化较大，已接近或略微超过限值，运维人员需要安排停电检修计划；

4)严重状态。此状态代表直流融冰装置单关键参量状态量严重超过限值，需要立即停电开展检修工作。

对直流融冰装置的评价采取扣分制，视状态量的劣化程度从轻到重分为四级，分别为I、II、III和IV级，其对应的基本扣分值分别为2分、4分、8分、10分。直流融冰装置状态量的应扣分值等于该状态量的实扣分值乘以相应的权重系数。在正常状态下，对所属的状态量评价不扣分。

直流融冰装置的状态评价分为部分和整体两部分。根据直流融冰装置各主要部件的独立性，将其分为：阀组、控制保护系统、冷却系统、变压器和电抗器等五个部件。直流融冰装置部件状态量扣分标准依据状态量来源，从每个角度细分扣分项，例如，原始资料的出厂试验报告不完备的基础扣分值为2分，权重系数为2，则该部分应扣分值为4分；阀塔内电气连接线有松动、脱落现象的基础扣分值为8分，权重系数为3，应扣分值为24分。

直流融冰装置部件的评价应同时考虑单项状态量的扣分和部件合计扣分情况，例如阀组的单项扣分大于等于30时视为严重状态，评估出部件状态隶属于正常、注意、异常、严重状态的哪一种。

2.3 主成分分析

融冰装置的状态量种类较多，如何选取合适的状态量用作装置评估是必须解决的问题。为避免专家经验的主观性，本文引入主成分分析法对各个状态量对装置的影响作客观评价。

主成分分析法是一种多元分析法，通过考虑多指标之间的相互关系，采取降维方法将多指标转化为少量综合指标，达到有效过滤冗余信息的目的。其本质是通过正交变换，将n维特征变量的坐标系按方差最大原则作翻转、旋转、平移变换等操作，映射到m维特征变量(n>m)，达到降低维度的目的，重新构造出的m维变量也被称为主成分。

设融冰装置评价待选数据经预处理后记为x1,x2……xn，经过降维后的主成分变量记为y1,y2……ym，则有：

(1)

式中：系数p11,p12……pmn构成系数矩阵。

主成分分析法的主要步骤如下：

步骤1：原始数据预处理和正态分布标准化，得到标准化矩阵X；

步骤2：计算相关系数矩阵R，

(2)

式中：rij(i,j=1,2……q)为原始指标变量xi和xj的相关系数，即：

(3)

式中：cov(xi,xj)为变量xi和xj的协方差，Var(xj)为变量xj的样本方差；

步骤3：计算特征值和特征向量；

步骤4：计算主成分贡献率ai和累计贡献率b，即：

(4)

(5)

式中：γi和γj为方差特征值。通常累计贡献率在70%以上的特征值可视为主成分，可根据具体场景做一定程度的降低；

步骤5：计算主成分总得分c，即：

c=a1y1+a1y1+……+amym

(6)

式中：y1,y2……ym为各主成分的得分。

2.4 实时库一体化建模

直流融冰装置集中监控与评估系统需要接入升压站、融冰装置等多种类型的数据，各升压站设备和融冰装置均来自不同厂家，各厂家的点表、模型均有不同。直流融冰装置集中监控与评估系统采用了面向对象技术，建模时对不同设备和装置做了抽象和封装。

直流融冰装置集中监控与评估系统遵循IEC61970公共信息模型(CIM)，并采用面向对象的思想建立了实时数据库结构，生成升压站模型和融冰装置模型。其中，CIM模型提供描述电力系统主要对象和电网一次设备及拓扑关系的统一标准。升压站模型主要包括电压等级、间隔、一次设备等层级，融冰装置主要包括测点组、测点等层级，层级之间通过唯一标识符建立对应关系。实时数据库提供对持久数据的面向对象存取方式，基于对象标识OID的索引机制，使访问速度达到指针级，有效保证了系统的实时性。在本地紧耦合方式下，访问速度可达每秒上千万次；客户/服务器方式下，速度也达到每秒几百万次。

直流融冰装置集中监控与评估系统采用扩展能力强的面向对象模型。为降低系统开销，系统中主要选取先进的连接池技术对数据库进行复用；为保持系统的高速访问能力，系统采取分发策略连接到负载较小的服务器。同时系统独特的在线装库机制，使经过验证的电网模型在载入实时库的过程中，不终止原先运行的数据库服务进程和应用进程，实现了装库过程的无缝切换。

3 融冰装置集中监控与评估系统实现

直流融冰装置集中监控与评估系统结合分布式网络技术、跨平台可视化技术与面向对象的数据库技术进行开发。在架构上采用分布式、可异构与可扩展的方案，进而使得整个监控评估系统具备灵活、可扩展特性。整个系统的功能结构流程图如图3所示。

图3 融冰装置集中监控与评估系统功能结构图Fig.3 Functional structure diagram of centralized monitoring and evaluation system for ice melting device

首先，融冰子站根据信号点表筛选情况，将相关遥测、遥信通过远动机、安全装置、电力调度专线或运营商专线上送至融冰集控中心，由融冰集控中心服务器的前置模块接收数据，并基于分布式网络技术和面向对象的数据库技术存入实时库。实时库具备实时性和一致性，基于对象标识的索引机制，能够有效保证系统的实时性。其次，系统在实时库的基础上进行人机界面监控，界面采用组件技术，具备较为灵活的人机交互能力，可以将接线图、仪表参数，列表、曲线等进行集成显示。最后，系统依据接入的遥测遥信数据和融冰装置评价导则，对融冰装置状态量进行主成分分析，提取主成分，依据主成分进行融冰装置评估，实时分析当前融冰装置的工况状态，展示在人机界面中。

4 实例分析

4.1 信号上送、传输与接收

本文以某直流融冰集中监视中心在2022年1月的运维数据作为实例，验证本文方法的有效性。在融冰子站侧，由站内远动机对下通过网络MODBUS、IEC104等规约接入升压站SCADA系统、融冰装置等信号，对上通过IEC104规约经综合数据网交换机、纵向加密装置、路由器送至调度数据网或运营商专线，传输至融冰集控中心。

系统数据的传输采用高效的数据块传输机制，数据块作为通讯的最小单元，可由用户自定义采集频率。在融冰集控中心侧，收到的信号经纵向加密装置、入侵防御系统、防火墙送达主干网II区交换机，并传输至融冰主站服务器，在前置模块进行接收并解析。

4.2 信号入实时库

系统实时库接受前置模块解析的数据流，基于面向对象的升压站和融冰装置模型存储和刷新数据。实时数据库在系统的任意节点可配置。系统中实时数据库按应用的需要分布于各台终端机器，即某一节点保存该节点运行的应用所有数据库，完善的一致性策略保证主副本之间的同步更新。数据库的多副本不仅均衡了系统的负荷，而且避免了单点故障影响应用的运行，从而提升了系统的可靠性。实时数据库可在融冰装置集中监控与评估系统的任意结点可配置。实时数据按监控的需要分布于各变电站终端。

4.3 人机界面监控

融冰集控中心配置配备两台工作站作为融冰装置集控中心运行监控子系统的主要人机界面。在系统上，提供了图形化、报表、事件记录及状态显示和查询等多种形式的监控方案。同时，系统具备提供定制化的数据展现功能，对于融冰装置在运行过程中出现的各类故障可以一声光等形式进行报警并在前端进行显示。

系统支持人机界面定制化，可以监控融冰子站的主接线图、顺控状态、故障监视、晶闸管监视、水冷信号、信号状态、测控分图、交流保护分图、合并单元分图等，并可以根据运维人员的需求离线配置人机界面。图4为贵州直流融冰装置集中监控与评估系统某站故障监视人机界面图。

图4 故障监视人机界面图Fig.4 Fault monitoring man-machine interface diagram

4.4 融冰装置评估

对融冰装置状态量进行主成分分析，提取主成分，其特征值分布如表1所示。

表1 提取的5个主成分的特征值分布Tab.1 The eigenvalue distribution of the extracted 5 principal components

由表1可知，一共提取了5个主成分，累积方差贡献率达到67.39%，因此可以用这5个主成分代表原有的指标。

依据这5个指标对融冰装置进行评估，模拟装置正常状态、注意状态、异常状态、严重状态各100次，统计融冰装置评价结果的准确率，如表2所示。

表2 融冰装置状态评估准确率Tab.2 Accuracy of state assessment of ice melting devices

由表2可知，本文提出的融冰装置评估方法在4种状态下的准确率均为100%，没有发生误报、漏报的现象，验证了本文模型的有效性和准确性。

5 结论

本文针对直流融冰装置运行维护困难等现状，提出了直流融冰装置集中监控方案并基于运行检修等状态量提出了融冰装置状态评价导则，并在此基础上开发了基于直流融冰装置集中监控与评估系统。系统实现了对全省融冰装置和融冰子站的统一监视，以及对全省融冰装置运行工况的评估，为全省融冰装置的运维和检修提供技术支撑。直流融冰装置集中监控与评估系统有助于防冰减灾形成区域化、集约化的精益生产管理模式，以极小的运维成本产生较好的融冰管理效率，为统筹防冰减灾工程提供一种新的解决方案。