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电力调度自动化监控报警系统研究
1 绪论 1.1 选题意义
随着计算机技术的发展和电网规模的不断扩大,自动化专业在电力系统中的重要性也大大提高,与此同时对自动化系统的处理能力要求更强,运行可靠性要求更高。调度自动化系统已经成为调度员实施生产指挥和控制电网运行必不可少的工具和电网运行生产强有力的技术支持。但是,随着自动化系统的计算机及通信设备数量的迅猛增加,机房安全问题凸现出来;而且由于自动化系统十分庞大,软、硬件结构和功能复杂,系统自身也可能出现各种异常情况,如:自动化系统故障、网络中断、数据采集通道中断、系统软件异常等。如果发生异常情况没有及时发现,将会影响自动化系统的正常运行,导致调度人员无法进行正常的调度指挥,严重时可能影响整个电网的安全运行,造成巨大的经济损失。因此,如何保障自动化系统安全稳定运行已经成为电力系统所关心的一个问题。电力职称论文发表
为了实时监控整个电力机房环境及调度自动化系统的运行状况,并且能够对系统发生的异常情况如:机房环境异常、机房消防设备报警、电源系统运行情况、自动化系统软件运行情况等作出及时的判断和通报,设计实现一个应用于自动化机房的监控报警系统是非常有实际意义的。可以使得机房管理人员能够实时了解到机房和系统运行的全面情况,从而进行有效控制和管理,以保证自动化系统的安全稳定运行。
根据多年实际工作经验,针对目前电力系统自动化的需求和特点,并且考虑到电力系统自动化未来的发展,结合地调自动化机房对安全运行环境的需要,对电力调度自动化监控报警系统进行了认真、深入的研究,并提出了一套完整的的研究方案,本文首先从调度自动化系统的特点分析了目前自动化机房和运行过程中存在的问题和安全隐患,并有针对性的给出了解决方案。进一步详细的介绍了自动化监控报警系统的功能,软、硬件的构成与技术实现,并进行了运行分析。电力职称论文发表
1.2 研究现状
1.2.1 调度自动化系统的现状
(1)电力调度自动化系统的重要性
随着电力系统的快速发展,调度自动化系统已在保证电力系统安全、可靠和经济运行中发挥着重要作用,逐步由电力系统中的一门辅助性的远动技术,发展为集系统性、专业性于一身的技术,并且成为电力系统安全稳定运行的三大支柱之一。调度自动化系统在广泛实用化后的今天,已经成为电力企业减人增效,实现科技进步的主力军。
(2)调度自动化机房存在的安全隐患电力职称论文发表
调度自动化机房是自动化设备运行的场所,是整个自动化系统的重中之重。自动化机房内运行的设备主要有:调度自动化系统、电量计量系统、调度管理信息系统、数据整合系统、网络安全防护系统、调度数据网系统、UPS电源装置、空调等。随着电力系统的不断发展,机房内的自动化设备也不断增加,这势必给机房带来严重的安全隐患,如:各类火灾、水灾、高温、系统运行异常、电源失电等。如果不能及时发现这些隐患,对自动化系统甚至对整个电力系统造成的损失将是非常严重的。
调度自动化机房存在的安全隐患大致分为以下几种情况:
机房火灾:机房内运转着众多的电气设备,加之室内空气干燥,发生火灾的几率是比较高的。2002年,东北某个电网公司的设备机房就曾因电源短路发生了火灾,由于未及时发现,导致整个自动化系统不能正常运行。
机房温度、湿度过高机房内的服务器、工作站、终端服务器等计算机设备和路由器、交换机等网络设备都是由电子元件组成,而电子元件要正常运转必须在一定的温、湿度范围内,温度过高、过低或湿度过大、过小都将影响系统或设备的正常工作。
机房空调、暖气漏水为了使机房内保持一定的温度,机房内往往安装空调和暖气等温控设备,而由于设备质量或操作不当造成空调、暖气漏水的情况也比较普遍。电力职称论文发表
UPS电源工作异常:按照规程要求,自动化设备必须要由UPS电源供电,它可以防止外部电源的突然断电给自动化设备带来的不良后果。但有时由于种种原因,使得UPS不能正常供电,造成UPS电源的电压或电流过高或者过低,这给自动化设备的安全稳定运行造成了安全隐患。
进出机房的人员复杂:调度自动化系统的设备大都运行在自动化机房,因此,每天出入机房的人员很多,人员构成也比较复杂,这在一定程度上给自动化设备的安全运行带来了隐患。
(3)调度自动化系统运行中存在的问题
在实际运行过程中,除了外界环境以及系统硬件的故障会影响自动化系统的正常运行,调度自动化系统的软件自身也经常出现各种异常情况,如:数据采集通道中断,采集来的数据越限,EMS进程异常等。倘若发生异常而没有及时发现,将使调度人员无法进行正常的调度和管理,情况严重时可能导致整个电网都不能正常运转,造成巨大的经济损失。调度自动化系统经常发生的问题大致分为如下几种情况:
(1)通道中断电力职称论文发表
通道类型可分为:微波、载波、专线、光纤或一点多址等。目前,电力系统中普遍采用的RTU通道类型是微波和光纤,远动信号在发送端进行调制,在接收端解调还原。但是在实际运行过程中,由于各种因素的影响,如:信号受到强电磁干扰、传输设备故障、人为破坏,自然破坏等,这些都会造成RTU信息的中断。
(2)远动机故障
对于常规远动来说,由RTU(远动装置)与主站端通讯向调度转发变电站的重要信息量,对于综合自动化变电站来说,一般由变电站监控系统远动机负责向主站端转发数据。RTU或远动机的硬件装置故障、程序处理异常都会造成RTU或远动机死机,使向调度端传送的数据长期不更新。
(3)进程异常电力职称论文发表
调度自动化的软件系统十分庞大,如:SCADA系统软件、PAS系统软件,以及众多的数据统计、决策分析软件。各个软件之间又通过数据库、网络、接口等形式相互通信。其中某个进程出现问题都会给系统带来影响,重要进程异常甚至可能导致整个系统瘫痪。
(4)计算机节点异常
由于调度自动化系统日益发展,使得调度系统的计算机节点也增多,包括各种服务器、小型机、工作站以及负责它们之间通信的网络设备。由于电子器件的寿命有限,加之这些计算机都要长期不间断的在线实时运行,出现故障的几率比一般功能的计算机要高很多,而计算机的故障也同样会导致相应的软件不能正常运行。
(5)遥测数据越限、跳变电力职称论文发表
自动化系统遥测数据随着一次系统的变化而变化,但这些数据的变化都要保持在一定的范围之内,如果采集到的数据过高或过低,则系统应能判断出越限并报警;另外,一些重要数据对变化幅度也是有要求的,如:发电机出力有功,系统负荷,这些数据如果出现较大波动,突然变大或变小,也可认为系统运行的不正常。所以自动化系统应能够正确反映一次系统的变化,又不能出现会影响调度人员判断的非法数据。
(6)重要遥信变位
自动化系统中,比较重要的遥信变位如事故总信号动作,开关跳闸,保护动作信号等,调度人员需要及时获得这些遥信变位的信息,以便作出相应的处理。电力职称论文发表
1.2.2 机房监控报警系统研究现状
通过对自动化机房监控报警系统的研究使机房“无人值守”成为可能。机房监控报警系统主要是为自动化运行值班服务,集中处理和监视各专业子系统核心数据的传输,报警以及关键进程运行状况。在数据层上第一时间发现问题,帮助自动化人员更加及时准确找到故障点,并有效排除故障,提高系统的安全性、稳定性。在物理层面上的监控主要是为了随时掌握自动化机房温度、湿度、环境状况和核心服务器、地下主电缆槽的发热情况,是否有打火短路现象,电源系统是否稳定运行,确保服务器在符合国家机房标准的最佳工作环境下长时间、不间断稳定运行,保证系统安全性和使用寿命。
目前国内外有许多机房监控系统,例如沈阳华唐的HTWON LonWorks,北京龙人的TESS-200、南京江琛的ARAS-8000等。其中LonWorks技术一个主要特点就是平坦的开放的系统,设备之间通讯不需要计算机、中央控制器、PLC等中央控制设备,设备之间通讯是对等的,这样就避免了单点故障的可能,一个设备的故障不会影响其它设备;TESS-200采用全工业级的设备研发而成,具备智能电源、智能UPS、智能空调等智能设备和各类模拟/数字环境的集中监控功能。ARAS-8000系统设计上充分考虑报警系统面向对象的复杂性,因此在系统设计中采用平台化、工具化的软件设计思想,系统功能具有较好的可扩展性和对应用的适应性。电力职称论文发表
现有的这些机房监控系统在机房环境监测方面已趋于成熟,但是根据目前电力调度自动化系统的现状,单纯的环境监测已经不能满足要求,而是需要针对自动化系统的软硬件设备运行状况进行全面监视的智能监控系统,目前研究的电力调度自动化监控报警系统融合了最新的多媒体技术,实现对机房环境、网络、系统、数据的四级监测、报警、控制,系统真正实现了“数据级报警”,通过对EMS系统中可能出现的各种异常情况进行全面分析,采用科学严密的报警逻辑,使得各种异常情况都在被监控之中,为自动化系统本身的运行监控提供了完整的解决方案。系统可以变被动处理为主动监视,对自动化系统各环节出现的异常和故障,改变过去由使用人员发现后报告,再由值班人员处理的被动局面,而是由监控系统自动对自动化系统的重要参数和状态进行实时扫描,及时发现潜在的异常和故障,并通过音响、短消息或语音提示等方式通知值班员,以便得到及时处理,提高系统设备的运行可用率和系统的可靠性。系统可替代值班人员对整个自动化系统及相关在线运行设备进行监视,出现异常和故障时通过多种途径及时通知相应的值班人员,减轻了值班人员的工作负担,为调度自动化机房实现无人值守完成了技术上的准备。
1.3 系统实现技术电力职称论文发表
(1) 面向对象的处理模式
在运行中需要监视的自动化系统运行工况信息非常复杂,每种信息的监视内容、报警规则、处理过程各不相同,这是系统设计的关键技术难点。运行工况信息可归纳为2类:一类是文本类信息,例如各种运行日志、访问日志、应用系统产生的告警信息文本等,其本质是事件类信息。另一类是数值类信息,可细分为模拟量和数字量:模拟量指各应用系统关键数据数值,例如系统总加、服务器可用内存大小、数据库连接数等;数字量代表各类状态信息,例如EMS系统通道状态、进程状态、服务状态等。
基于以上分析,系统采用面向对象技术进行建模,将各类复杂的信息监视需求转化为对文本类对象、模拟量对象和数字量对象的处理。在这3类对象中封装了完善的规则定义、报警条件检测、报警处理方法,各个具体的信息监视需求是这3类对象的具体实例。
这种功能实现模式解决了系统的核心难题,即如何对复杂的乃至未知的信息监视需求进行规则定义、报警判别/处理。面向对象的模式使软件结构清晰合理,复用性好,易于维护。
(2) 标准的系统接口规范电力职称论文发表
为减小接入新应用系统的工作量,便于统一接口处理,笔者制定了标准的接口规范,用于综合监控系统灵活适应各个应用系统不同的信息交换要求。在事件和状态信息交换领域,syslog协议是一个比较成熟的消息传输规范,但对消息主体中的CONTENT部分并未作明确约定。XML是一种结构化数据的描述语言,其自描述特点使得消息的含义便于理解和交换。XML文档可通过XMLSCH描述,便于进行规范与验证。结合Sysfog协议和XML语言的特点,提出了《综合监控系统信息接入规范》,采用XM工格式对Syslog报文中的CONTENT部分进行了扩展,定义了扩展部分的格式规范,以规范信息的生成和解析。
《信息接入规范》约定每一类消息对应一个XML元素,采用属性的格式对消息的内容、格式进行描述,不同的应用系统消息可定义自己特有的扩展属性对。各类消息的格式也采用XML格式语言进行定义描述,每类消息对应一个消息描述XML文档。
综合监控系统导入消息描述X…ML文档后,能自动完成内部数据定义、界面定义、数据存储配置等工作,用户只需进行后续环节的报警规则定义和配置工作,无需专门编程。运行中,当综合监控系统收到应用系统报警消息报文后,系统能根据消息描述XML文档的定义对报文进行解析,将消息中的各个属性与相应报警对象的属性关联,完成信息输入环节的工作。系统根据该对象的报警规则和配置进行后续分析处理和报警输出。
1.4 本文主要工作电力职称论文发表
(1)结合电力调度自动化系统现状,分析调度自动化机房存在的安全隐患以及自动化系统运行中存在的问题,对存在的问题提出解决途径。
(2)对自动化监控报警系统的主要功能进行分析研究,并构造系统各功能模块和总体框架。
(3)根据系统所要求实现的功能可以将整个监控报警系统分为数据采集系统、数据库接口系统、核心监控报警系统、多媒体报警信息发布系统、数据库维护系统、WEB综合查询系统、电话语音查询系统、网络视频系统等。
针对调度自动化机房设备集中、运行环境要求高的特点设计,本系统主要实现以下功能,如图2-1所示:
(1)集成全方位的报警设备和环境监控系统,实现对机房环境的实时远程监控。
(2)通过与调度自动化系统进行实时交互通信,监视自动化系统中各节点、进程和通道的运行状态,通过对各种实时数据分析处理,对系统频率异常、联络线潮流不平衡、重要厂站数据不刷新等异常情况进行实时监视,实现对数据异常的监控报警。
(3)对关键服务器的指定进程进行监控,综合多种系统信息,判断系统进程运行状况。对关键数据库服务和网络节点进行监控,确保数据库服务故障和网络节点故障能够及时发现。
(4)故障报警信息可通过语音、电话、短信、网页等多种方式及时通报值班人员及相关责任人,同时,值班人员及相关责任人可以通过电话、短信、网页、客户端等多种方式对故障报警进行确认。
2.1 数据采集子系统
根据自动化监控报警系统的自身特点,设计用一台工业级处理单元作为测控主机,配备交、直流混合采样模块、遥信采集模块,外加用于测量用的CT、PT板、继电器板,各监控楼层或区域单独组屏,形成一套具备采集、数据处理及传输等功能的综合单元,每个综合单元可接入32个遥测信息、48点遥信信号、16路遥控信号,综合单元与监控系统前置机之间采用网络方式进行通讯。这样,多个综合单元和网络前置机就构成了一个数据采集网络。此外,它预留端口,可将采集的数据以子站RTU方式发往调度主站或其它系统。数据采集原理如图2-1所示。
1、数据采集对象电力职称论文发表
(1)机房温度、湿度等机房环境监视告警
(2)火警、烟感、门禁等信号
(3)UPS运行参数及工况
(4)空调监视告警
(5)交流电源设备监视告警,对交流输入电压、电流运行状态进行监视告警
(6)机房环境视频图像等视频信号
(7)主机/通信设备及网络工况
(8)EMS/DMIS/TMR参数:重要遥测越限、重要开关变位、重要厂站工况投退、远动通道工况、重要进程状态变化
(9)EMS/DMIS/TMR运行信息:主机状态、CPU负荷率,磁盘容量、重要进程监视等
2、数据采集方式电力职称论文发表
机房监控报警系统采集的报警对象繁杂、接入设备多样,同时还必须考虑到接入系统的网络隔离的安全性。因此,数据采集方式采用终端服务器设备,原则上采用RS232/RS485接口接入。本系统采用以下数据采集方式:
(1)自动化相关系统
对于SCADA/EMS/DMIS系统的接入,采用网络通讯或RS232接口协议的方式,在相应的系统内常驻服务程序,采样需要转送给报警系统的相应信息量,数据采用单向发送的方式。与主站CC2000系统接口,实现对CC2000重要进程、节点以及通道的实时监视。监控系统通过数据中心处理服务器,经过专用网络连接到CC2000调度自动化系统,取得电网运行数据和在线设备、进程的工作状态。这些实时数据是通过商用数据库系统SYBASE提供的标准数据库访问接口获得的,因此具有良好的可靠性和扩展性。
(2)智能设备电力职称论文发表
智能设备是指具备RS232/485接口方式输出本设备状态运行信息的设备,报警系统可直接通过规约协议解析获得相应数据。采用RS232/485接口方式,必要时提供RS232-RS485转换器。本系统与UPS电源的接口主要是通过RS232串口通讯。
(3)模拟量/开关量
有些报警设备对象只提供电平信号或继电器位置信号,系统提供数据采集设备,由数据采集设备对这些信号进行采集,数据采集设备提供RS232接口,接入报警系统。
(4)机房环境数据
对机房内的温度、湿度、烟感、门禁等数据,系统提供相应的智能传感器,采用RS485/232的通信方式将这些数据集中接入报警系统。由各传感器采集上来的状态量、模拟量,经由数据采集模块传至数据采集程序,由数据采集程序进行整理后,交由监控报警系统进行进一步处理。
(5)视频信号
视频信号采用视频服务器接入,提供相应的软件对监视器进行控制,对多路视频信号进行切换和播放,并具备录像功能。
2.2 数据接口子系统
因为监控报警系统是专门针对调度自动化系统而设计的,除了对采集的数据进行监控外,还可对调度自动化系统(EMS)、电量计量系统(TMR)、数据整合系统、网络安全防护系统、调度数据网系统、实时通道接收系统、调度生产信息管理系统(DMIS)、UPS电源装置、空调等系统(设备)的进程、数据、状态等信息进行监控。监控报警系统通过接口软件与其它系统进行信息交换,接口软件采用模块化设计,以规约库的形式体现,库中可以存储所有国标、电力行业或IEC标准的传输规约,也可以通过编程将用户自定义的规约加入到规约库中。如果信息量交换不是太大时,应尽量使用串口的方式进行通讯,这样可以避免破坏监控系统的结点封闭性和网络安全性。
3 硬件系统研究电力职称论文发表 参考文献
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[5]于尔铿,刘广一,周京阳.能量管理系统:第一讲EMS的技术发展:电力系统自动化,1997,21(1):65~68
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