变电站全景监控（通用7篇）
变电站全景监控 篇1
1 引言
随着无人值班变电站建设的推进, 为了保证变电站运行和维护的可靠性, 变电站的实时在线监测能力越来越受到电力企业的重视。虽然遥视系统已经全面、直观地反映了变电站各电力设备的运行状况, 但摄像机所捕捉到的是独立的、按序列的实时图像, 最终得到的变电站内场景可能只包含了部分目标的小视野图像, 而不能在同一副图像中显示多个目标或完整目标。这就需要遥视系统提供一种使工作人员在交互式浏览的同时能够更加完整地看到变电站内场景的方法———全景图像的拼接。
全景图像拼接解决的问题就是通过对齐一系列空间重叠的图像, 构造一个无缝的、高清晰的变电站站内图像, 使最终用于在线监测的设备上能够显示运行人员需要的整个或者多个目标的图像, 它具有比单个图像更高的分辨率和更大的视野等优点。
关于图像拼接算法的实现, 国内外学者已经展开了大量的研究和实验, 并且每种算法都有自身的特点和适用的领域。DH Kim等人提出了基于特征的块匹配图像拼接算法, 取第一幅图像处于重叠部分的一块作为模板, 在第二幅图像中搜索具有相似值的块, 从而确定重叠区域;Hunter等人运用像素比值匹配来实现 图像拼接, 在第一幅图像的重叠区域中, 部分相邻的两列上取出部分像素, 用它们的比值作为模板, 在另一幅图像中搜索最佳匹配;Berriman在搜索重叠区域过程中运用网格匹配的快速拼接方法, 首先进行粗略匹配, 每次水平或垂直移动一个步长, 计算对应像素点RGB值差的平方和, 记录最小值的网格位置, 最后以此位置为中心进行精确匹配。本文主要介绍了如何运用网格计算图像像素差的绝对值来实现图像拼接的方法及实验过程。
2 图像拼接的基本原理
实现两幅相邻图像拼接的前提是:在两幅相邻图像上有重叠的部分, 只要判断出重叠位置并实行相似计算就可以实现两幅图像的拼接。
本文就从色彩学的角度谈谈两个色块相似性的计算。目前, 变电站摄像机成像在计算机中存储的图像大部分采用RGB法描述, 例如RGB色彩空间中有两个颜色M (R0, G0, B0) 、N (R1, G1, B1) , 这两个颜色 在RGB空间里的距离D越小, 两个颜色就越接近;当D=0时, 就说明M和N是两个相同的颜色。
M、N两颜色RGB空间距离为
如果两个色块的每一点都进行比较计算, 并求出所有点的D值。值越小就表明两个色块的图像越相似。图1中A块、B块是同一图案的两次扫描 , 而A块包含B块, 故在A块中一定能寻找到一块大小与B块相同的一块图像, 其与B块计算出的D值为最小。例如, 假设A块图像有i×j个点, B块有p×q个点。让B块在A块内从左到右、从上到下逐行逐列地进行比较。每移动一个点, 就在A块中切取一块大小与B块相等的一块与B块进行比较, 如图1所示。
比如现在移动到 (x, y) 点, 算出的D平均值为:
根据上式求出Dxy为最小的 (x, y) 点, 此点即为与B块图形最相近的位置点, 这样就找到了A块中包含的与B块图案最接近的位置 , 也就是两图案相重叠的区域。
3 应用结果与分析
3.1 开发环境
本文选择 的开发工 具是Windows SDK (SoftwareDevelopers Kits , 应用程序开发包) , 运行环境为VisualC++6.0、Windows API等实现变电站图像拼接。
3.2 实验过程
拼接算法的总体思想是既要保证运算量不大, 又要保证拼接的质量。本实验利用了变电站图像中相邻的像素点的像素值相差不大, 以横向拼接 (高度一致) 为例实现图像拼接。
(1) 图像读取:本实验中的文件格式均为bmp文件 , 要显示一幅图像文件首先应将文件读入内存, 文件头和位图信息头包含有图像的相关信息和位数组的起始地址, 最后调用Set DIBits To Device函数可把图像显示在屏幕上。
(2) 按水平方向拼接变电站图像:实验选用的数据块为一列图像, 比较两幅图对应边界的像素在右图像的边界取一列, 然后将此列在左图像上移动; 为了减少计算量, 实验计算所有两幅图像对应像素点的RGB值的差的绝对值之和, 记录最小的值的列位置, 即认为是最佳匹配位置, 然后将其中一幅图像的重叠部分去掉, 最后将两个图像连接成一个完整的图像即变电站的全景图。
RGB值的差的绝对值之和的代码:
int Px Dist (BYTE *p LD, BYTE *p RT)
{ int sum=0;
sum=abs (p LD [0]-p RT [0]) +abs (p LD [1]-p RT [1]) +abs (pLD[2]-pRT[2]) ;
return sum; }
(3) 拼接后 , 所得图像的信息改变 , 需要将新的图像信息写入内存中并显示。
3.3 实验结果分析
图1和图2的图像是分二次拍摄的变电站场景, 而图3的图像则是拼接后的场景, 从拼接效果图中可以看出, 该算法实现了两幅有重叠区域的图像拼接。
本文中算法的最大优点是针对RGB彩色图像进行拼接, 通过图像的彩色信息来判定两幅图像的相似性, 目前大多数的拼接算法都是针对灰度图像进行处理的。
该算法大大减少了将彩色图像转化为灰度图像再进行配准这些高层次图像处理方法所需付出的代价;该算法对于受到干扰的、扭曲的图像拼接的实用性还需进一步测试。
4 结束语
经过实验表明, 图像拼接技术应用于变电站全景监控系统中, 运行和维护人员可以更直观地、更全面地了解变电站环境以及电力设备的运行状态, 还可以更清楚查看事故发生时变电站的状况, 从而尽可能地找到事故发生的原因, 对安全生产起到了重要作用。
参考文献
[1]Shum H-Y, Szeliski R.Panoramic Image Mosaics[R].Microsoft Research:Technical Report.1997 1-9.
[2]DH Kim, YI Yoon, JS Choi.A quasi-feature based image mosaic algorithm using modified blockmatching criteria[J].2001.
[3]Hunter, Andrew Arthur, Pollard, Stephen B.Image mosaic data reconstruction[J].United States Patent, 1999 (7) .
[4]GB Berriman, JC Good.A grid enabled image mosaic service for the national virtual observatory[J].ASP Conference Proceedings, Vol.314.2004 p.593-595.
[5]詹青龙, 卢爱琴.《数字图像处理技术》[M].清华大学出版社, 2010.
[6]Charles Petzold.《Programming Windows》.Microsoft Press.
[7]四维科技, 胡小锋, 赵辉.《Visual C++/MATLAB图像处理与识别实用案例精选》[M].人民邮电出版社.
[8]章毓晋.《图像工程》[M].清华大学出版社, 1999.2.
全景监控视频并行化处理 篇2
目前,图像处理已成为国内外学者研究的热点课题。 国外最具有代表性的研究人员有微软研究院的Richard Szeliski教授和匹兹堡大学的Sevket Gumustekin博士等。 Sevket Gumustekin博士主要对消除在固定点旋转摄像机拍摄自然景物时形成的透视变形,以及如何将捕获的图像拼接成全景图进行研究,主要研究成果是通过标定摄像机建立成像模型,再利用成像模型将捕获到的图像投影到统一的高斯球面上,从而获得拼接图像。这种方法具有效果好、可靠性高的优点,可以对摄像机透镜由于自身畸变参数引起的图像变形忽略不计,但是对摄像机的精确标定有过高要求。在国内,浙江大学CAD&CG国家重点实验室和中国科学院自动化所模式识别国家重点实验室在图像匹配和拼接方面做了较多研究工作。研究成果主要是利用模板匹配的方法进行搜索来确定重叠区边界或最佳匹配位置,从而获得拼接图像。该方法的优点是原理比较直观,相对来说容易实现,缺点是计算量大,容易发生误匹配;浙江大学的许雷、张恒义等利用基于傅立叶变换的相位相关法对眼底图像的拼接进行了研究;香港大学的Paul Bao和西北工业大学的张素等则对基于小波变换的图像拼接方法进行了研究［１－３］。
在全景视频监控中,鱼眼镜头是构建全景视觉最简单,且行之有效的方法,但鱼眼镜头会引起图像的经向变形和切向变形。随着全景技术的发展和拼接算法的完善,以及物联网应用的快速发展［４］,全景监控提出了更高画质的图像效果需求。然而目前的全景合成技术在处理上都存在缺陷,其根源在于难以满足实时性要求。原因在于视频正常播放帧率为25~30fps,意味着至少必须在0.04秒内合成一幅全景帧。如果需要满足这些要求,可以采取硬件升级的方式,也可以设计优越的处理算法。然而提升硬件成本较高且效果不理想,原因在于处理算法的复杂度过高。在结合算法进行视频处理时,速度达到最快的采用Microsoft Visual Studio 2012编译环境、C + + 和OpenCV2.0库函数编写。实验视频的分辨率为800×600像素,处理速度达到14帧/秒。相对于实时视频播放速度25帧/秒,现有处理速度是不够的。
本文利用C++结合OpenCV和MPI在Linux系统集群下测试图像并行化处理算法,以提高图像实时处理速度,满足视频实时监控的目的,并得到最佳的处理进程数。
1并行化图像处理算法
针对现行图像处理速度缓慢的问题,提出图片处理的并行化算法,且借助MPI和OpenCV在Linux系统实现并行算法,以实现图像并行化处理,达到全景监控的目的, 处理步骤如下:1问题分析。分析图像处理初始问题,建立算法的串行模型;2并行算法。提取算法串行模型中计算量较大、独立性强的局部进行并行化处理,设计图像并行化处理算法,进而建立算法的并行模型;3环境配置。 搭建算法测试集群环境,进而实现并行算法,并运行调试;4结果分析。对实验结果进行分析,得出结论。
考虑到处理的是圆形图片,需要对圆形图片半径上的像素点进行逐个处理。因在对半径进行微分处理时,全部的点不是都在半径上,则根据其特性选择了双线性插值对一个全景图像图面张开,以确定待处理图片的圆心和内外圆半径［５－７］。这两个参数直接影响柱面的展开效果和质量。采用霍夫圆变换得到全景图片的中心,采用Canny、 Soble等算法进行边缘检测,将边缘图像中每个非零点在三维累加器中累计,以此选择全景图像的中心点O(x０, y０),同时确定全景环状图内圆半径R。
其中,Wkeep是处理后保存下来的,Wcut是处理后丢弃的。全景图像中的某一点Q(xq,yq)对应在矩形图中O(x0,y0)的映射如下:
其中,θ为为全景环状图的中心点。这为快速柱面展开算法,同时利用双线性插值解决因为内环区域像素压缩程度大导致图像失真的问题。并行处理分解如图1所示。
2并行算法设计实现
本文采用C++与OpenCV、MPI结合设计并行化处理算法,并在Linux集群中实现运行。首先读取待处理图片,其次MPI进行初始化处理,进而实现多进程并行处理图片数据,如采取图片像素点、计算填充新图片像素点、完善图片区域等。随后划分图片,组合各个进程处理图片部分像素,对比先后图片并保存。并行化处理算法设计流程如下:
(1)程序初始化。
(2)处理程序的核心代码。
(3)并行程序结束。
MPI_Finalize();//MPI程序的最后一个调用,最后一条可执行语句
3实验结果分析
运行环境为曙光T3600集群,内含10个CB65-G双路刀片服务器计算节点,内存2*8GB DDR3 1333MHz, 存储为2TSATA硬盘。实验测试运行外界所得的640× 480的图像视频,并进行并行处理,表1列出了不同进程数的播放速度。
实验数据显示,随着进程的增加,播放速度先增加后减少,当达到32个进程数时,即总进程为33个时,播放速度可以满足实时监控的要求。从整体运程进程来看,如果进程数不断增加,则用于进程的通信耗时也会随之增加。 可见,进程间的通信耗时成为提高并行处理效率的瓶颈。 得出的结论是,在提高算法并行处理效率时,需要整体权衡各方因素选择处理进程数,从而达到算法设计优化的目的。
4结语
本文利用并行处理实现了全景监控的实时监控,并在Linux系统环境下利用C++与OpenCV结合设计实现视频图像的并行化处理算法。实验结果表明,32个进程数为最佳进程数,此时处理播放速度可以达到实时监控的目的。同时,随着进程数增加,并不一定可以减少运行时间。在借助并行设计思路处理类似问题时,应该结合整体情况选择合适的进程数,以达到最优的处理速度。
摘要：针对传统串行处理算法无法满足实时处理视频播放的问题,提出利用图像拼接并行化处理的设计思路,利用霍夫圆变换与Canny、Soble算法结合进行边缘检测,以边缘图像中每个非零点在三维累加器中累计以确定处理图片的中心。同时利用双线性插值解决了图像高度压缩导致失真的问题。实验结果表明,并非处理进程数越多越好,实验得出32个进程数为最佳。
变电站全景监控 篇3
随着社会的发展,人们生活水平的日益提高,给人们带来的生活压力也越来越大,导致犯罪的次数急剧增长。而犯罪分子又多数在夜间作案,要想起到吓阻作用且能真正协助破案,加强夜视监控效果应是当务之急。目前夜视视频监控器还不能够在同一时间、同一位置实现360°范围内全景图像监控。市场上的夜视监控摄像机产品主要是“枪机(即固定安装的摄像机)”和“球机(即带旋转云台的摄像机)”。这些摄像机功能比较单一,视场范围小,在同一时间只能监控一定的角度空间,存在监控盲区和监控死角。但是在很多重要场合,例如:交通运输、银行、居民区等,要求同一时间、同一位置在360°范围内持续的监视目标,则需要安装多个摄像机。随着视频监控技术的发展,可以解决监控盲区,实现360°总体范围的宏观拍摄功能。
鉴于以上的现状,本文以现有夜视监控为基础设计了一种新型夜视全景监控摄像机,能够监控180×360°空间角度全景视频图像,无观察死角,无需旋转云台,并将所拍摄内容处理后通过一路VGA接口在本地显示器上显示。这样既降低了成本和维修费用又解决了普通“枪机”和“球机”不能同时监控全景图像的问题。这样的全景夜视监控系统可以连续实时观察其周围360°全景范围内所发生的所有事件,因而可以提高视频监控的可靠性。
1 系统总体设计
1.1 系统结构及其实现方案
典型的夜视视频监控系统一般包括:红外CCD摄像机、模拟图像、视频A/D转换单元、图像传输及控制系统、输入/输出单元和显示等六部分组成[1]。系统按照视频数据流的处理过程划分,各部分功能如下:
(1)视频采集部分:将摄像机采集的数据进行A/D转换,并获取相应的控制信号。
(2)视频处理部分:将采集模块输出的视频数据转换成所需要的视频格式。
(3)视频缓存部分:将压缩好的视频数据存储在外部SDRAM(同步动态随机存取存储器)。
(4)VGA视频显示部分:将摄像机采集进来的视频通过VGA接口显示在输出设备上。
1.2 FPGA系统结构的设计
本设计的硬件采用FPGA为核心控制处理部分,并搭建了以四个方向不同的红外CCD摄像机作为图像传感器、SAA 7113芯片为A/D转换芯片、同步动态随机存取存储器(SDRAM)为数据缓冲单元、I2C总线接口配置、VGA显示为图像输出的夜视视频监控系统。本文所设计的FPGA系统结构如图1所示。
1.3 夜视全景摄像机的设计
摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备,它的质量优劣直接影响摄像机的整机指标。因此,摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量,又关系到工程造价。所以在监控系统的设计中,选择镜头是最关键的环节之一。本文的主要思想是达到夜视全景监控,所以优先考虑摄像机镜头的视场角。
根据镜头选择速查表,选择4个焦距为3.5mm,镜头尺寸为12.7mm(1/2in)的红外CCD摄像机。由于其视场角为94.6°,可以满足在同一时刻达到全景监控的目的。结构设计如图2所示。
2 系统模块设计
根据FPGA系统结构图,夜视视频监视系统程序可以分为:异步FIFO模块、SAA 7113与异步FIFO的接口模块、视频解码模块、I2C配置接口模块、视频帧储存控制模块和VGA显示模块。
2.1 FIFO模块设计
FIFO是一种先进先出电路,用来存储、缓冲、同步两个异步时钟之间的数据传输。使用异步FIFO可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据。在本系统中SAA 7113芯片送过来的时钟晶振频率为24.567MHz,而FPGA系统时钟频率为48MHz。系统在不同时钟域之间传递数据会产生亚稳态问题。解决在异步时钟域之间数据传输的方法通常有四种:双触发器同步法;脉冲同步电路法;边缘检测同步电路;使用握手信号机制和异步FIFO法四种。
目前许多高速系统都采用了FIFO作为缓存体。因为FIFO的写入(读出)时间只需要一个时钟周期,不需要对地址进行加1操作,大大提高了存储速度[2]。本系统采用异步FIFO的方式与视频采集芯片SAA 7113进行交互,从而获得实时的数字视频流。
FPGA与A/D转换单元的接口有SAA 7113芯片的8位视频数据线VPO和同步时钟线LCC。FPGA在每个LCC时钟的上升沿,对SAA 7113芯片的VPO口采样接收一个8位的视频数据。本系统采用异步FIFO进行数据缓冲[3]。设计中采用QuartusII自带的参数化模型库LPM(LibraryofParameterizedModules)进行设计,也可以称之为软核(SoftIPCore)。一些模块的各种参数是由电路设计者为了适应设计电路的要求定制的,通过修改LPM器件的某些参数,从而达到设计的要求,使用LPM设计出来的电路与结构无关。QuartusII软件中提供了五种FIFO宏模块,本设计中选用lpm fifo dc来构成异步FIFO[4]。选择MegaWizardPlug-InManager栏,设置相应参数可以产生异步FIFO。系统时序仿真波形如图3所示。
异步FIFO设有8位数据输入和8位数据输出端口,深度为1024,输入端口由写时钟(wrclk)和写使能(wrreq),读时钟(rdclk)和读使能(rdreq)控制,读写时钟在上升沿触发,读写使能信号高电平有效。具有3固定的标识:rdempty(FIFO空标志)、wrfull(FIFO满标志)和wrusedw[9..0],将wrusedw[9..0]中最高位取出来作为FIFO半满标志。
2.2 SAA 7113芯片与异步FIFO的接口设计
异步FIFO缓冲数据来自SAA 7113芯片的数字视频数据流。因此SAA 7113芯片需要与异步FIFO进行接口。不但要将SAA 7113芯片的数字视频输出总线VPO与FIFO的输入数据总线相连,而且SAA 7ll3芯片还要为异步FIFO提供写使能信号和写时钟信号。SAA 7113芯片在每个同步时钟(LLC)的上升沿来到时,将数字视频数据打入VPO总线,所以LLC可以作为异步FIFO的写时钟信号。SAA 7113芯片没有输出专门的写使能信号。因此,写使能信号必须经过其它变换得到。通过阅读资料发现,SAA 7113芯片可以通过I2C总线配置接口。这样综合考虑后,在系统中用场参考信号(VREF)和行参考信号(HREF)的逻辑与(wrreq=VREF&HREF)关系作为异步FIFO的写使能,按照此办法就可以将有效视频数据写入到异步FIFO中去。异步FIFO读数据一端由于在FPGA内部,所以实现比较方便。视频处理器SAA 7ll3芯片与FPGA内部实现的FIFO连接如图4所示。
2.3 I2C配置接口模块
I2C总线(Intel-Integrated CircuitBus———集成电路芯片间的串行总线)是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准,能用于替代标准的并行总线。具有接口线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点[5]。
在I2C总线通过数据线SDA和时钟线SCL对SAA 7113芯片进行操作。初始化之后,启动A/D转换,根据行、场时序图对VPO总线数据进行采样,便可以得到符合标准的数字视频信号。下图是利用VHDL语言编写的I2C与SAA 7113配置接口的顶层模块。
2.4 VGA显示模块
VGA(VideoGraphicArray)接口是与显示器进行通信的唯一接口。通过FPGA器件控制RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号,并参照相关标准,最后可以实现对VGA显示器的控制。通常VGA图像数据量较大,而FPGA内置ROM很难满足这么大的存储量,FPGA需要外接SDRAM来存储这些数据[6]。VGA显示器的输入是模拟信号,所以由VGA显示控制器缠上的RGB信号在进入VGA接口之前要经过一个D/A转换器。
设计中的四个红外CCD摄像机采集的图像需要显示在同一个显示器上,所以不可避免的采用了视频画面分割合成技术。它可以接受四路视频信号输入,并将该四路视频信号分别进行A/D转换、压缩、存储,最后成为一路视频信号输出,反映在监视器的屏幕上。即可以在同一个屏幕上同时看到四个不同的视频信号的画面。视频合成部分的原理图如图6所示[7]。
由图6可见,四路视频信号各自经过A/D转化后分别在水平和垂直方向上按2∶1的比率压缩取样、存储。而后各样点在同一个时钟驱动下顺序读出,经过D/A转换后即可形成四路画面合成一路的输出信号,并在同一个VGA显示器上显示。
3 结束语
本文利用FPGA设计的夜视监控系统实现了夜视全景监控,如图7。该系统具有以下特点:首先,仅用一只摄像机就捕捉了360°范围内的视场图像;其次,采用FPGA加外围电路构建系统,系统设计简单,对视频的处理效率高,系统开发成本低,设计周期缩短。该系统利用QuartusII实现了主要模块的软件仿真,论证了该方案的可行性。
摘要：设计了一种改进的夜视摄像机,利用红外CCD采集数据,以FPGA和A/D转换芯片SAA7113为采集方案,在FPGA中设计I2C总线配置模块并对视频芯片SAA7113进行合理的配置,以及四路视频的VGA显示模块的设计,可以使处理后的视频通过一路VGA接口在本地显示器上显示。实现仅在一个夜视摄像机上,无需机械移动部件和图像拼接,就可以捕捉整个半球(180×360°空间角度)范围内的视场图像。全景视场无接缝、无畸变、无死角、无盲点。
关键词：夜视,全景监控,FPGA,红外CCD
参考文献
[1]林森.基于FPGA的机器人视频监控系统.北京:北京邮电大学自动化学院,2007;3:33—37
[2] Vahid F.The softening of hardware.Computer,2003;36(4):27—34
[3]罗先哲,张仁喆,付大鹏.基于FPGA的高速异步FIFO存储器的设计与实现.中国科技信息,2009;2:90—91
[4] Pajares G,Cruz J M.A wavelet based image fusion tutorial.PatternRecognition,2004;(9):1855—1872
[5]应芳琴.基于I2C总线的视频信息采集系统的IP核设计.杭州:浙江工业大学,2005;35—45
[6]孙艳,孙爱良.基于FPGA的VGA显示控制器的实现.自动化与仪器仪表,2008;6:106—107
智能变电站全景数据采集方案 篇4
智能电网明确提出需要实现电力流、信息流、业务流的有机融合[1,2,3,4,5,6,7]。作为电网节点的变电站首先需要将这三流信息进行补充、完善和标准化,满足智能电网各类客户端的实时需求。为此,首先要在变电站实现所有数据的统一管理并模型化,建立变电站基础数据平台,《智能变电站技术导则》也明确提出了建立站内全景数据的统一信息平台,供各子系统统一数据标准化规范化存取访问以及和调度等其他系统进行标准化交互。
采用IEC61850实现变电站信息化、交互标准化是变电站自动化的必选项[8,9,10,11,12,13],也是智能电网的必选项。变电站上传的信息符合IEC61850 SCL规范,而遵循IEC61970 CIM建模规范[14]的主站系统执行到CIM电力资源对象的映射,实际工程中需要进行相互转换映射,也就是说,需要解决智能变电站和主站的共享建模问题。
为此,本文提出了一种智能变电站全景数据采集方法,在变电站增设一台变电站通信对象服务器,实现变电站数据整合,其基本思路是:(1)在深入研究变电站各子系统信息模型的特性及相互关系的基础上,采用面向对象建模技术,利用对象的继承、信息隐藏和模块化的优点,进行系统分析与设计,准确地定义对象,然后再根据对象的特征属性定义对象之间的关系,进而完成整个系统的分析与设计工作。(2)建立涵盖变电站各种应用的一体化通信管理平台。设计充分适应安全分区的变电站各个应用系统的通信结构;设计各个非IEC61850标准的应用到通信管理平台的适配接口;设计各个需要适配到统一信息模型上的转换关系;设计全面符合IEC61850标准体系结构;设计各个应用系统到通信信息管理平台的专用通信服务映射(SCSM)及实现GOOSE机制;设计独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口ACSI。(3)建立统一的变电站信息系统对外接口体系。支持IEC61970 GID及IEC61850/MMS接口。(4)汇总以上内容,开发变电站通信对象服务平台。
1 系统架构
多数变电站已安装或即将建设各类自动化子系统,如:综合自动化系统、电能计量系统、故障信息管理系统、电能质量监测系统、火灾报警系统、防误操作闭锁系统、图像监控系统[15]和在线监测系统等,智能变电站需要全部或部分接入这些系统。
这些子系统大多是在不同阶段建设,处于相互独立的状态,造成了很多问题,包括:(1)通信线路重复投资、重复建设;(2)整体可靠性差,不利于变电站安全生产;(3)各种系统自成体系,需要专门、独立的值班和维护人员;(4)各种系统自成一体,信息不能互通,不能发挥自动化系统的综合效益;(5)系统维护量大,维修、维护困难等。
为了从系统工程的角度整体上对变电站进行统一的自动化管理,防止“信息孤岛”现象,有效整合各种资源并发挥自动化集成的最大效益,需要建立一体化变电站二次系统,对各类子系统进行有效整合,这是智能化变电站的建设要求和发展方向。
在各子系统中,综自系统、计量系统、图像监控系统等都已相当成熟,而在线监测系统的应用则刚刚起步。而智能变电站的建设又对在线监测系统提出了较高要求。在线监测系统可及时了解站内一次设备的实时运行状态和环境状况,主要内容包括:点式在线红外测温、断路器状态在线监测、变压器油色谱在线监测、变电站气象环境监测等。现阶段的IEC61850标准尚不能完全涵盖在线监测系统。
点式在线红外测温系统主要应用于监测变电站高压电气设备中易发热部件,可在开关柜母线排连接处及柜内各种触点安装点式在线红外测温仪,利用485总线可以将多个探头的数据连接到主控室内,实现远程监控,并有声光报警。
断路器状态在线监测,主要监测三相电流的实时值、开关的动作时间、累计的动作次数、每相的触头磨损量及累计的触头磨损量,相对剩余电寿命、开关辅助触点的动作状态、开关动作时刻的三相负荷以及短路电流波形,分合闸线圈电流波形,机械振动波形、储能电机打压时刻与储能时间,可在主变各侧断路器及出线断路器上安装断路器在线监测设备。
变压器油色谱在线监测可对变压器油中氢气、乙炔和乙烯等多种非电气特征参数进行监测与监视,安装于变压器本体上。
变电站气象环境监测对变电站的微气象参数(空气温、湿度,降雨量,大气压力,光合有效辐射,太阳总辐射,土壤湿度,叶片湿度,风向,风速,气候图像,冰雪厚度)进行在线监测和数据传输,安装于站内。
为了统一站内站外的模型和接口,本文提出了智能变电站全景数据采集方法,研制变电站通信对象服务平台,统一接入变电站内各子系统。通信对象服务平台的系统架构如图1所示。
变电站通信对象服务平台主要实现以下功能:
(1)数据模型的整合
通信对象服务器可以接入各种不同数据模型的子系统,通信对象服务器对这些不同的数据模型进行整合,统一成基于IEC61850标准的数据模型。
(2)数据模型的扩展
在IEC61850标准中,对变电站在线监测领域涉及较少。通信对象服务器根据IEC61850标准的扩展原则,对在线监测领域的数据模型进行扩展。
(3)数据模型的转换
通信对象服务器可以根据需要对数据模型进行转换,包括:
基于IEC61850标准的模型和基于传统的线性点表的模型之间的转换;
基于IEC61850标准的模型和基于IEC61970标准的模型之间的转换。
(4)通信协议的转换
通信对象服务器可以根据不同的数据模型,转换对站外的通用通信协议:基于IEC61850标准的模型和接口以及基于IEC61970标准的模型和接口。
2 智能变电站全景数据采集方案
本方案的实现包括以下步骤:
(1)通过各厂商的私有通信协议,获取各种传感器采集到的变电站稳态、暂态、动态数据以及设备状态、图像等全面反映变电站设备状态与运行工况的全景数据,遵循IEC61850建模规则,将全景数据转换成符合IEC61850标准的对象模型。
(2)根据资源采用全局统一命名规则,将遵循IEC61850 SCL的变电站二次设备模型与遵循IEC61970 CIM建模规范的主站一次设备模型进行相互转换映射,实现电力系统一、二次设备统一建模。
(3)遵循IEC61970 GID规范,提供GID开放应用程序接口。
智能化变电站全景数据采集的实现方式如图2所示。
在图2中,采用各厂商的私有通信协议,可获取各种传感器采集到的变电站三态数据以及设备状态、图像等全面反映变电站设备状态与运行工况的全景数据。
将各子系统内所有非IEC61850的监测设备通过规约转换,统一对外提供IEC61850服务,通过标准化的数字化信息,实现变电站内全景数据采集与信息高度集成。不仅包括传统“四遥”的电气量,还包括设备信息(如变压器的绕组变形情况、色谱分析结果、冷却散热系统情况、断路器的动作次数、传动机构储能情况、开断电流的情况等)以及环境信息、图像信息等。
根据资源全局统一命名规则,将遵循IEC61850SCL规范的变电站二次设备模型与遵循IEC61970CIM建模规范的主站一次设备模型进行相互转换映射,对电力系统一、二次设备进行统一建模,实现智能变电站与主站之间无缝通信。
遵循IEC61850建模规则,将全景数据转换成符合IEC61850标准的对象模型;根据资源采用全局统一命名规则,在统一语义的定义下,将变电站二次设备(保护、测控等设备)的SCL模型与主站一次设备(变电站、线路、负荷等)的电网CIM模型拼接起来,建立一二次关联关系;根据映射法则,将遵循IEC61850 SCL的变电站二次设备模型与遵循IEC61970 CIM建模规范的主站一次设备模型进行相互转换映射,实现电力系统一、二次设备统一建模。
遵循IEC61970 GID规范,提供GID开放应用程序接口。按照功能的不同,GID接口又分为三类接口,分别是:(a)实时数据访问接口(DAIS);(b)报警和事件接口;(c)历史数据访问接口(HDAIS)。相应地,分别实现这三类接口的服务器就称为DA服务器、AE服务器和HDA服务器。
本方案具有如下优点:(1)实现了变电站稳态、暂态、动态数据以及设备状态、图像等变电站设备状态与运行工况的全景数据有机融合,便于实现各种系统资源的共享,降低系统监测成本;(2)将变电站采集的各类数据统一转换为基于IEC61850标准的数据对象;(3)实现了遵循IEC61850 SCL的变电站二次设备模型与遵循IEC61970 CIM的一次设备模型无缝拼接;(4)提供了基于IEC61970 GID的远程服务接口,第三方分析程序可以很方便地获取和分析采集的数据,为相关应用工作提供了便利,部署灵活,维护成本低。
3 建立面向对象的变电站信息统一模型
在变电站数据采集方案中,对各个不同应用系统中高度异构数据实现有效信息共享,建立一个统一的信息模型是关键。IEC61850标准为变电站自动化系统的发展指明了方向,在深入研究变电站各子系统信息模型的特性及相互关系的基础上,采用面向对象建模技术,利用对象的继承、信息隐藏和模块化的优点,进行系统分析与设计,准确地定义对象,然后再根据对象的特征属性定义对象之间的关系,进而完成整个系统的分析与设计工作。
基于IEC61850标准,从全局的视点出发,给出变电站物理设备、逻辑设备、逻辑节点、数据对象的信息模型,并给出变电站数据编码标准,定义采用应用设备名、逻辑节点名、实例编号、数据类名,建立对象名的命名编码规则。
由于目前现场设备的私有协议大多是面向信号点表、线形和平面的,而IEC61850的数据模型是面向对象和立体的,这就存在私有协议向IEC61850数据模型的转换过程,涉及将线形的信号点表,按照IEC61850的面向对象方式重新建模的过程,这是一种从平面到立体的过程,如图3所示。
4 结论
变电站全景监控 篇5
变电站涌现出了大量的新理念、新技术以及新的应用, 诸如变电站自动化技术[1,2]、通信技术[3,4]、设备信息管理技术[5,6]、设备状态监测与状态检修技术[7,8]等等。智能变电站的功能之一就是为电网提供数据信息支撑, 如何提出一种面向变电站的全景信息整合方法, 做到物联网信息与其他电网信息系统以及公共安全信息系统间的有效集成, 对于实现在物联网大环境下的输变电设备智能监测与全寿命周期管理系统具有重要的基础性作用。变电站驾驶舱全景信息整合平台能为智能变电站提供数据源的支持。
1 变电站驾驶舱系统
变电站驾驶舱系统是电力公司统一生产指挥技术支持系统家族的重要一员, 利用类似于驾驶舱的中采集、智能分析、智能控制、智能展示等技术实现变电站内运行监控、设备运维管理、环境管理和仿真培训功能[9]。
2 驾驶舱全景信息整合平台技术架构
SOA (Service-Oriented Architecture, 面向服务的体系结构) 是由Gartner在1996年提出来的。IBM认为:在应用前景方面SOA比Web Services更加的广泛, SOA是一种构建能够交付终端-用户服务或构建其他服务的功能组件[10]。SOA是一个开放式的、敏捷式的、可扩展式的、可联邦式的、可组合式的技术架构。
全景信息整合平台采用规范化基础数据及信息的变电站数据源, 以统一标准的方式实现站内信息交互和共享, 为电力系统的保护和控制、运行及维护管理提供基础数据支撑, 提供能够反映变电站电力系统运行的稳态、暂态、动态数据以及变电站设备运行状态、图像等数据集合的平台。全景信息整合平台将全站信息和子系统融合, 是变电站系统的技术基础, 全景信息数据平台的主要任务即提供站内功能所需数据、信息服务, 建立变电站全景信息。
基于SOA全新的强大功能, 全景信息整合平台与SOA的结合成为了必然, 从而进一步突显了电力企业的竞争优势, 主要体现在以下几点:可利用现有的资产;更快的响应速度;更易于集成和管理;与技术的松散耦合;降低企业的风险。
基于SOA架构的变电站驾驶舱全景信息整合平台的技术架构按照数据的流向可分为3个主要的层次:基础设施层、数据接入整合层和应用服务层。
3 全景信息整合平台数据接口设计
数据接口设计的目的, 是将目前存储于不同应用系统的、不同格式的、与变电运行在线监测相关的数据, 抽取出来, 经过必要的处理, 转化为满足物联网全景信息模型要求的数据, 存储到数据库中, 为平台的数据服务构建提供数据基础。全景信息整合平台数据接口设计模型如图1所示。
全景信息模型的接口设计主要完成将现有的分散在各个系统中的异构数据按照全景信息模型接口, 将其转化为符合物联网全景信息模型的形式存入到数据库中, 或者直接提供给平台的基础数据服务使用。平台内数据流可以分为4个大的部分, 按数据流向依次为源数据系统、适配器、数据库、上层应用, 数据通过各个组件模块时, 被这些组件模块的各个功能模块处理, 最终发布为服务供上层应用调用。
3.1 数据获取
数据获取工作主要是根据各自不同的数据来源制定相应的数据获取策略, 通过总结现有电网中的数据获取方式, 可以将数据源类型划分为数据库、文件、规约数据流3种方式, 不同的方式其获取方法是不同的, 应该区别对待。3种不同的数据获取模式如图2所示。
3.2 数据解析
数据解析的功能是对获取到的源数据进行语法解析, 转换为内存中的变量或者对象数据。根据源数据格式的不同, 可以将其分为3种:CIM/RDF格式、普通的XML格式、特定格式的文本文件等。3种不同的数据解析模式如图3所示。
3.3 格式转换
格式转换是将解析源数据在内存中构建的对象数据转换为标准的CIM模型的过程。格式的转换和数据的解析一般构建在一个程序模块中, 直接将内存中的对象按照CIM模型进行定义, 在解析模型时, 直接采用解析后的数据即可。对于Java语言构建的格式转换来说, 一般采用Java Bean来实现, 数据格式转换模式如图4所示。
3.4 对象-关系映射
对象-关系映射 (ORM) 系统一般以中间件的形式存在, 主要实现程序对象到关系数据库数据的映射。ORM的使用会减少数据访问层的代码。目前常用的第三方ORM框架有Hibernate和i Batis等。
4 SOA基础环境的构建
面向服务 (SOA) 架构是全景信息整合平台实现技术, 主要任务包含搭建企业服务总线基础设施, 对变电运行设备全景信息整合平台各个服务进行抽象并建立相应的业务流程管理措施, 实现业务系统之间的流程贯通;建立各种高级数据服务, 明确异构数据库转换方法和透明访问机制, 构建具有“即插即用”标准应用程序接口;采用穿越隔离装置的文件与数据传输方法, 实现不同层级、不同分区内的文件与数据传输。变电站构建一个典型的SOA应用从人员、流程、信息、服务重用性和服务连通性等几个方面入手。确定好切入点, 构建服务即成为SOA环境的首要工作。
由于全景信息整合平台的应用服务层内各个服务完成的具体任务不同, 可以进行进一步层级细分, 主要可以分为以下几类服务:平台总线核心服务类、系统服务类、业务流程管理服务类、基础数据服务类、高级数据服务类以及展现服务类。这些服务类以全景信息整合平台接入的各种信息资源为基础, 以平台总线为依托, 实现全景信息整合平台不同层级和粒度的业务功能。
5 结束语
本文构建了一种基于SOA架构的变电站驾驶舱全景信息整合平台, 解决了目前变电站中存在的“信息孤岛”问题, 为变电站的智能化运行提供了一种新的方案。作为一个新兴的软件体系架构, SOA越来越受到人们的重视, 但是其技术也处于不断的发展和更新当中, 因此存在一些没有涉及和未解决的问题, 还需要今后进一步的研究。
参考文献
[1]张金江.基于多智能体技术的变电站设备信息集成研究[D].杭州:浙江大学, 2009.
[2]崔江峰.变电站自动化监控和实时数据库系统研究[D].武汉:华中科技大学, 2004.
[3]沈国荣, 黄健.2000年国际大电网会议系列报道——通信技术是变电站自动化的关键[J].电力系统自动化, 2001, 25 (10) :1-5.
[4]孙军平, 盛万兴, 王孙安, 等.新一代变电站自动化网络通信系统研究[J].中国电机工程学报, 2003, 23 (3) :16-19, 145.
[5]张富刚, 李建, 乔辉丽, 等.三维实景技术在变电站可视化信息管理中的应用[J].煤炭技术, 2011, 30 (3) :257-259.
[6]曹楠, 李刚, 王冬青, 等.智能变电站关键技术及其构建方式的探讨[J].电力系统保护与控制, 2011, 39 (5) :63-68.
[7]王红星, 黄曙, 马凯, 等.智能变电站间隔层设备在线式自我状态监测系统设计[J].广东电力, 2013, 26 (10) :69-74, 91.
[8]陈海波, 周建国, 李红雷, 等.基于设备状态信息化的数字化变电站初探[J].华东电力, 2008, 36 (11) :5-7.
[9]李云霞, 赵行, 鲁帆, 等.变电站驾驶舱技术的研究与应用[J].电气应用, 2014, 05:91-95.
变电站全景监控 篇6
关键词：智能变电站,信息交互,检修模式,互斥,智能终端
0 引言
智能变电站保护系统由互感器、合并单元、保护装置、智能终端、交换机等多个环节组成,设备之间通过光纤、光缆连接,模拟量、开关量回路没有可视的操作对象,二次设备检修时不能够通过封CT二次回路接线端、投退出口压板的方式断开回路的连接来实现一次回路与保护设备的隔离[1,2,3]。传统的二次回路检修模式已经不适用智能变电站的发展要求。
智能变电站的设备的定检[4],首先需要设备退出运行,并将其由运行模式切换到检修模式。定检试验时需要做传动、升流等等试验,在这些试验过程中,检修的设备还是会发出网络报文。而在将其切换到检修模式以后,我们不宜通过拔掉光纤或者修改配置实现其输出回路与其他相关设备的连接。因此,在智能变电站设备检修时面临着如何实现检修对象与运行系统相隔离的难题。
运行过程中设备出现异常,例如电子互感器故障、合并单元故障、GOOSE断链,保护装置故障或异常退出、交换机故障、智能终端故障,异常设备均需要进行检修。尤其是运行中发现虚端子错误时,需要投入相关设备的检修压板进行回路的检查,对于继电保护设备完善的检修处理方案[5,6]对智能变电站二次设备安全运行意义重大。
根据IEC61850标准模型,智能设备的检修状态通过报文的品质因数(4个字节、16位)传输,本文首先分析了IEC61850标准的品质因数q定义,然后探讨智能变电站数字量传输环节设备检修识别以及处理机制,提出了线路保护、母线保护装置的具体检修方案,最后基于现场检修的实际操作论证了方案的可行性。
1 检修位全景传输机制
1.1 检修位的定义
针对智能变电站信息传输采用数字量的特点,IEC61850-7-3中针对模拟量SV及开关量GOOSE信息在数据类型中定义了品质因数q[6],该数据用以标识传送报文的质量,报文中品质因数q的长度为4字节,包含16位数据(bit.1~bit.16),每一位均代表不同的含义,其中第12位为检修标志位(以下均简称为检修位),在IEC61850规约中定义的品质因数含义bit.1~bit.13分别表示如表1,bit.14~bit.16不用。
当设备处于检修模式时,通过投入该设备检修压板将其置上检修状态,并以IEC61850报文将检修状态交互给其周边的二次设备。根据IEC61850模型要求,设备投入检修压板后,其输出的SV、GOOSE、MMS报文均含有检修位,即其发送的报文中品质因数的bit.12位置为1。
对于接收端,智能设备通过读取品质因数的bit.12位识别其接收的SV或者GOOSE报文的状态,bit位为1时认为数据的来源设备处于检修模式,需要按照检修状态处理。
1.2 检修互斥机制
对于检修的处理,一般是基于比较报文接收端和数据发送端检修位是否一致进行处理。主要的处理方案是接收端和发送端“互斥”原则,即检修状态一致时接收该数据,检修状态不一致时丢弃该数据。
对于所有的SV或者GOOSE报文,接收设备均读取其品质因数位中的bit.12位,并将该检修位和接收装置的检修状态相比较。如果两者都在检修位,则认为两者状态一致,保护可经正常的动作逻辑动作。在两者状态一致的情况下,如果两者均处于检修状态,则保护动作的GOOSE开出也相应地置上检修位;方案逻辑图如图1所示。
从图1中可知,当两端检修状态一致时,检修处于开放模式,当两端检修不一致时检修处于闭锁模式,详细划分为以下三个方面:
1)均处于非检修状态
发送段和接收端均未在检修状态即正常运行状态,与检修没有关系,按正常逻辑进行处理。
2)均处于检修状态
两端均处于检修状态时判为两端状态一致,其接收到的模拟量和开关量可用于数据运算及逻辑判别。但是由于接收端处于检修状态,其数据运算、逻辑判别的结果在发送时也会置上检修位,周边设备接收时也应判别其检修位。尤其是智能单元在接收带有检修位GOOSE报文与本装置检修压板不一致时不能作用于跳闸。
3)一端检修另一端非检修
这种状态是智能变电站设备检修的常见状态,对于220 k V电压等级,MU和保护设备均为双配置,可以方便地执行轮循检修。但对于110 k V单配置的情况下,如果MU需要检修,断路器和CT均在运行状态,MU数据是母线差动保护做差的不可或缺部分,所以对该间隔的数据不能直接取消其参与差动保护的运算。所以,在检修不一致时应考虑选择性地闭锁保护,在下面的章节中以保护设备为例详细论述设备检修时对周围相关设备的影响以及接收设备的防误闭锁措施。
2 保护检修方案设计
在接收到带有检修位的GOOSE开入时,保护根据开关量的重要性决定取舍。例如母线保护的启失灵类开入,其功能主体断路器失灵保护属于后备保护,重点应尽量防止其误动,可以倾向于不动作,所保护装置在判出该类开出检修不一致时则应该闭锁该类开入。
而对于断路器位置、刀闸位置开入在检修不一致时应认为该开入有效,因为如果仅是开入的检修位置位的话不会对保护的模拟量运算造成影响,对于检修中的支路认为其刀闸位置有效,其影响也只是认为该间隔在运行状态,故障时动作于该间隔的跳闸。
智能变电站的检修的情况主要包括三种[5]:1)设备定检;2)状态检修;3)运行异常消缺。
对于设备定检,一般情况下,会将被检修设备停电并退出运行,并将检修设备切换为检修状态,周边设备对于该检修设备按照检修模式处理。
状态检修则是对运行设备进行诊断和监控进而预知是否会发生故障的一种在线监控方式,它不要求智能设备投入检修压板[5]。
运行异常时的消缺则相对复杂,需要按保护对象闭锁其相应的差动保护,例如I母上出线检修时,仅闭锁I母差动保护即可,II母差动保护应处于正常的开放状态。
电气量类后备保护如过流保护、距离保护等单端量保护不需要与其他侧配合,所以设备检修时电气量后备保护可以直接退出,而差动保护则要根据保护范围选择性退出,下面具体阐述。
2.1 母线保护检修设计
智能变电站母线保护按支路设置支路投入压板,当支路压板投入且该间隔在正常运行状态(非检修),则将该间隔的电流计入差动保护。当支路投入压板退出时,则认为该间隔在退出运行状态,该间隔的SV数据则完全隔离于差动保护之外,而且也不需要再判断该间隔的电流是否存在检修不一致的情况,如图2。
由于母线上连接的支路个数较多,所以面临出线断路器、ECT、出线MU检修的几率很大。对于断路器定检,必然要跳开断路器并拉开两侧隔离刀闸,跳开断路器后间隔CT无流,是否检修不影响基于基尔霍夫电流定律的差动保护;对于ECT定检,常规的定检中需要做传变特性、伏安特性、升流试验,所以ECT的定检中也必须要跳开断路器。实际操作时,在确认断路器跳开后,投入相应的MU检修压板,并退出母线保护设备中的支路投入压板。
对于MU定检,220 k V及以上电压等级保护设备及其MU按照双配置如图3[7]。在这种保护设备和MU均为双配置的情况下,检修MU时可以方便地通过退出一套保护设备进行检修。图3中,在检修MU1时,我们可以退出MU1对应的线路保护和母线保护,在短时间内使用MU2对应的保护设备,这在运行规程上是允许的。
在保护设备单套配置时,如果支路出现异常需要消缺,又不希望退出全部的保护,可以通过投入可能出问题的该异常设备的检修压板进行消缺[8]。例如某支路报“**支路有流无位置”,造成这个报文可能有来自两方面的原因:1)刀闸位置丢失;2)MU输出的数据出错。我们可以投入该支路的智能终端和MU的检修压板,这样智能终端发出的刀闸位置和SV数据带有检修位,相当于该间隔已经暂时退出保护范围,可以进行消缺的操作以界定是刀闸位置异常还是MU数据异常。
考虑到设备消缺过程一般过程较长,在这个过程中又不希望长时间退出母线保护的所有保护范围。所以,为了保持另外一条母线的差动保护仍然能够处于开放状态,在检修不一致时对母线保护的大差差流计算不屏蔽,如图4。
屏蔽小差开放大差的好处是,在MU能正常反应一次设备电气量特征的情况下,大差差动电流计算是正确的;在MU不能正确反映一次设备电气量特征的情况下,大差会存在差流,其差流大小为该异常间隔的MU输出数据。从图5可以看出在这种情况下,即使大差差流存在,检修所在支路在闭锁状态,母线差动保护不会误动。对于非检修母线,因为差动保护还有复合电压、制动特性把关,在没有故障电气量的激励下,差动保护不会误动。所以综合权衡,在保护单套配置的情况下使用检修模式的消缺过程中,检修不一致可以分母线闭锁差动保护。
2.2 线路保护检修方案
220 k V及以下电压等级接入保护装置均为单一的ECT、EVT,保护设备的检修方案相对简单[8],如果电流采集回路检修,则闭锁与电流相关保护,电压采集回路检修则闭锁电压相关的保护。主要探讨一下500 k V变电站的光纤差动保护检修方案。
500 k V变电站一般采用3/2接线方式,对于完整的线线串,线路保护需接入边开关CT和中开关CT的和电流,两个断路器的分相跳位也都接入装置。运行中存在任一开关检修而线路正常运行的情况,保护装置需要进行特殊处理。
在线路保护检修方案设计中,对于光纤差动保护需既要考虑本侧检修的处理,又要考虑对于对侧保护的影响,如远传、远跳以及对侧差动保护。为了便于运行维护,在线路保护装置中设计了两个开关支路MU的软压板:边开关MU支路压板和中开关MU支路压板。
下面以边开关CT检修为例介绍装置设计时SV链路的两种检修方案。
方案一:线路保护收到合并单元检修位时,如果对应开关的MU压板投入,此时闭锁相关保护,如果对应开关的MU压板退出,则不闭锁保护。
方案二:线路保护在收到对应开关的合并单元发来的SV检修位与保护装置检修状态不一致时,针对下面的几种情况讨论对SV和GOOSE的处理。
1)边开关MU支路压板投入中开关MU支路压板退出且边开关检修,此时保护装置报电流检修不一致报文并且闭锁和电流相关的保护。
2)如果边开关MU支路压板投入且中开关MU支路压板投入,只有一个边开关合并单元处于检修时,此时线路保护功能正常投入,边断路器电流不再参与保护逻辑计算,保护只使用中开关电流互感器的电流进行逻辑的判别,这样设计能够方便检修人员的操作,不会因为某一个合并单元检修中没有退出对应保护的MU压板而造成保护装置误动。对于电压量,500 k V线路一般取线路PT,电压检修不一致时,直接退出电压相关的保护,只保留PT异常过流保护。
方案一的缺点是需要检修人员操作线路保护装置,才能再次投入保护设备,优点是闭锁措施安全可靠。
方案二的优点是方便现场检修人员的操作。
目前线路保护的SV检修采用方案二的设计。主要依据是对于3/2接线方式下,如果边开关合并单元检修或中开关合并单元检修时,所对应的一次设备应该已经退出运行。如果检修合并单元或智能单元时操作规程要求一次设备不退出运行,那么对于采用方案二的保护装置就必须要求退出运行,否则易引起误动。
采用方案二的保护设备SV检修逻辑如图6所示,中开关MU的检修不一致逻辑和边开关MU检修不一致逻辑相同,图6中未画出。
保护设备检修压板投入时,将发送的GOOSE报文检修位置位,同时上送站控层的MMS报文带也置上检修位。在进行保护逻辑判别时,将接收的GOOSE报文中的检修位与装置自身的检修压板状态进行比较,两者一致时,认为状态量输入为有效。当两者不一致时,装置对不同的状态量处理不同,根据不同的开入状态进行保持或返回处理逻辑。
以跳位处理逻辑为例,如图7所示。
光纤差动保护一般具有远传、远跳功能,需要考虑一侧线路保护检修时,对于对侧保护的影响。目前线路保护装置一般设置远跳接收软压板和远传接收软压板,用于控制在检修时,不再处理外部的远跳及远传命令。线路保护的远跳处理逻辑如图8所示。
3 结论
智能变电站近几年快速发展,对于变电站内的二次智能设备检修方法还没有统一的规范要求,本文通过对智能设备检修模式以及IEC 61850通信规约中品质因数检修位的分析,并提出了500 k V线路保护及母线保护的SV及GOOSE检修的方案,该方案已经在现场保护设备中采用,能够满足对于二次设备检修安全性的要求。
参考文献
[1]陈亦平,费云中,祝建华.基于IEC61850-9-2数字化变电站的二次检修[J].电力系统保护与控制,2011,39(2):142-144.CHEN Yi-ping,FEI Yun-zhong,ZHU Jian-hua.Secondary testing of digital substations based on IEC61850-9-2[J].Power System Protection and Control,2011,39(2):142-144.
[2]Q/GDW383-2009:2-3智能变电站技术导则[S].
[3]Q/GDW396-2009:2-3IEC61850工程继电保护应用模型[S].
[4]王慧芳,王一,何奔腾.基于一次设备与保护协同检修的最佳消缺期限研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(13):46-52.WANG hui-fang,WANG Yi,HE Ben-teng.Research on optimum defect remove period based on joint maintenance analysis of primary equipments with protective relays[J].Power System Protection and Control,2010,38(13):46-52.
[5]韩平,赵勇,李晓朋,等.继电保护状态检修的实用化尝试[J].电力系统保护与控制,2010,38(19):92-95.HAN Ping,ZHAO Yong,LI Xiao-peng,et al.Instantiation sample of relay protection state maintenance[J].Power System Protection and Control,2010,38(19):92-95.
[6]CSBTS/TC82IEC61850变电站和系统系列标准[S].CSBTS/TC82IEC61850communication networks and systems in substations[S].
[7]易永辉,王雷涛,陶永健.智能变电站过程层应用技术研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):47-50.YI Yong-hui,WANG Lei-tao,TAO Yong-jian.Process level application scheme in smart substation[J].Power System Protection and Control,2010,38(21):47-50.
变电站全景监控 篇7
近年来,电力企业对信息化的依赖程度越来越高,越来越多的涉及到电力企业的信息化系统投入使用,电力企业投入的桌面数量也越来越大,然后,对于巨大的桌面终端数量,安全管理是一个重要的问题,
本文分析了电力企业内网桌面终端的管理现状,对桌面终端安全管理技术在企业的应用进行了论述,通过运用安全管理信息技术,以提高公司的安全管理水平,它充分利用了现有的先进网络管理工作,强化网络计算机终端的控制,实现实时的安全监控系统,同时能够同其他网络进行系统集成,使内部网络成为高速、安全的网络办公环境,最终提高桌面终端的安全管理水平,促进公司的IT资产精细化管理。
1 研究的背景及意义
桌面终端安全管理是为企业级用户提供全面高效的计算机设备管理手段,监控企业内IT环境的变化,保障计算机设备正常运行,大幅度降低维护成本,帮助企业用户管理好计算机设备。
随着网络技术在电力系统的广泛应用,内网计算机终端管理作为一个综合的系统问题已成为整个信息网络安全的薄弱环节,它涉及桌面终端计算机本身,桌面终端操作者、桌面终端应用和桌面终端使用规范等多个方面,合理部署一套计算机终端管理系统,从网络接入认证、防病毒软件管理、系统补丁分发、系统账号安全策略管理等多方面加强网内网络计算机终端的安全,对整个信息网络系统预防信息安全事件发生具有重要的意义。电力多数电力企业已将桌面终端管理系统投入生产应用当中,该系统现在已经成为电力企业经营、管理和生产的重要技术支撑系统,担负着不可或缺的作用。
2 电力企业管理现状
2.1 管理现状
电力企业已经引入桌面终端管理系统(HUAWEI策略管理中心),该系统基于NAC客户端提供安全接入控制、终端安全管理、补丁管理、终端用户的行为管理、软件分发、资产管理六大功能。其核心思想是解决网络准入控制,基本要素是安全检查、访问控制和安全修复。有效控制网络日渐增多的接入点,发现并隔离带有威胁的终端主机,提升网络防御安全威胁的能力。
如何对桌面终端管理系统进行有效监控,成为IT运维工作中的一项重点。但随着应用系统的不断引进,电力企业业务对IT系统的依赖性越来越大。同时,IT系统日趋复杂、系统维护要求越来越高,运维部门的工作压力越来越大,而随着信息系统的重要性越来越强,系统的稳定运行也关系到企业的生产运营。因此,如何对桌面终端管理系统进行有效监控,发现潜在的系统故障并及时处理,如何在系统故障发生时快速、精确的定位故障,找到故障产生的根源并让运维人员快速响应故障,让系统用户及时了解系统故障信息就成为当前企业IT运维工作中的一项重点。
为了在IT运维工作中实现系统故障的快速定位及快速响应,引入故障自动发现、自动预警等手段,就需要在IT运维工作中引入一套集IT监控和IT运维管理于一体的系统,实时获取信息系统相关的业务指标、可用率等关键指标信息,帮助IT监控人员及时了解当前系统运行状态并能根据现有指标及时发现系统潜在的故障风险后通知运维人员快速处理,而IT运维人员可通过系统快速定位故障、找到故障产生根源并及时采取有效的解决方案排除故障,保证系统的稳定运行,提升运维水平,降低IT运营风险满足。
桌面终端的管理主要集中于数据信息的管理上,还未实现向决策管理的过渡。虽然玉溪局桌面终端数据已相对较完善,但在进行桌面终端设备综合分析,为企业IT决策提供相应信息支持时,还主要是通过人工计算的方法完成,而且结合IT全景监控管理的相关要求,桌面终端监控的相关指标还相对缺乏, 针对桌面终端管理还主要集中于数据信息的管理上,还未实现向决策管理过渡。为促进玉溪局IT运维管理到IT运营管理的过渡,就需要基于玉溪局桌面终端现有数据等相关信息,结合IT全景监控的相关要求,完成玉溪局桌面终端全景监控相关功能的研发,实现对玉溪局桌面终端监控相关指标的提取、计算及集中展现,实现全景监控图形化、管理要求指标化。
2.2 桌面终端安全管理系统全景监控研究的意义
2.2.1 提高桌面终端管控能力和减少桌面终端风险的需要
桌面终端有关数据急剧膨胀,管理者和决策者对IT整体的管控显得越来越困难。而传统的管理手段也暴露出其局限性,如资产的情况无法全面掌握,存在运维工作计划性不强、容易出错、质量不可控、管控不科学、效率低下等问题。
因此,有必要建立起桌面终端管理各监控域广泛联系的信息基础,形成关联的而不是片断的信息,提供一站式的桌面终端管理信息,减少沟通成本和沟通障碍,减少桌面终端管理不到位不及时造成的IT设施风险和信息安全风险作。
2.2.2 提升桌面终端管理整体价值的需要
虽然目前多数电力企业形成了一体化管控模式,但对于桌面终端监控还缺乏统一的信息通道,桌面终端难以管控到位,资产和资源难以统管,难于复用,难于调配。因此,有必要通过桌面终端全景监控,把终端资产和资源的规划、建设、应用、维护和服务等通过一个系统管理起来,把管理的生命周期和资产的生命周期管理结合起来,最大限度地提升整体桌面终端资产价值。
2.2.3 提升IT决策能力的需要
随着业务的日益发展,各电力企业使用企业内部应用的桌面终端越来越多、操作系统及应用软件版本越来越多、硬件配置差异日益加大,给桌面终端管控带来很大挑战。
因此,全面掌控桌面终端防病毒软件总体安装情况、补丁安装总体情况、网络准入控制总体情况、操作系统版本正版化情况、office软件正版化情况、硬件配置水平分布等信息就显得尤为重要,为电力企业终端决策能力的整体提升提供支持,同时统一管理桌面终端资产,提高效率,降低维护成本及软件盗版等情况带来的风险。
3 对电力桌面终端管理全景监控的实现机制(以玉溪供电局为例)
本文提出“通过抽取及提炼运行中的桌面终端管理系统的关键业务数据,主动模拟特定用户行为来对终端业务进行监控”的思想,并以云南电网有限责任公司玉溪供电局为例,从4 个方面介论述桌面终端管理全景监控的实现机制。
3.1 技术架构和业务架构的实现
3.1.1 技术架构
在IT运维指标体系的基础上,确定桌面终端管理系统全景监控数据提取技术策略及集中展现的技术架构,研究IT集中运行监控系统通过客户端B/S架构,使用FLEX来实现数据图形化的相关展现,提供高度可视化的监控界面,增加交互性,减少系统的维护量,也易于对系统进行灵活扩展。
3.1.2 业务架构
筛选确定集中展现的核心指标、业务体系、数据关系,通过对桌面总体情况、安全加固情况、应用软件版本分布情况、硬件配置水平的实时监控数据进行细致的关联整合,结合CMDB关系,实现从实时监控到分级报警,再到事件处理的全面贯通,实时分析出报警或事件影响的系统、设备范围及影响的组织机构和用户范围,并进行及时的展现,让终端运维人员和管理人员第一时间了解终端环境的运行状态和故障情况,为监控人员提供有效的监控数据展现和详细的技术、业务研究支持。
3.2 全景监控范围
目前,在运的桌面终端管理系统提供了:1)灵活的策略引擎,基于5W1H的情景感知,整个组织内实施统一访问策略(有线、无线,内网,外网一体化), 实现基于用户、设备类型、资产类型、接入时间、接入地点、接入方式的认证和授权,满足企业接入认证多层次、泛终端接入的需求,实现企业用户接入安全,保证合法的用户接入且合理、合法的使用企业网络;2)访客全生命周期管理,智能终端随时随地的接入,访客全生命周期管理:访客注册、审批、分发、认证、审计和注销全生命周期管理,提高网络管理人员的工作效率;3)完善的终端安全策略,健康检查加固防泄密:提供丰富的终端安全健康检查策略:阻止不安全的终端以及不满足企业安全策略的终端接入网络,符合企业的管控策略,提升整体的信息安全水平;同时,提供丰富的员工行为管理、安全加固、资产管理、补丁管理和软件分发等功能,降低IT运维成本,提升企业信息安全水平。
基于以上桌面终端管理范围,全面整合在运的安全审计系统、IT综合管控平台,实现桌面终端全关联的全景监控,全方位保障桌面终端的安全,确定桌面终端范围。
3.2.1 桌面总体态势状况/ 加固状况全景监控
对桌面终端总体运行情况指标的进行计算、分析,包括病毒总体终端率、补丁总体终端率、网络准入总体终端率等,为桌面终端运维人员、企业运营管理人员提供直观的桌面终端总体安全态势情况。
3.2.2 Office及操作系统版本分布全景监控
对桌面终端操作系统版本、office软件版本分布情况的统计,展现版本分布比例情况、版本具体分布数量情况等。 操作系统版本包括Windows xp,Windows vista,Windows7,Windows8;Office软件版本包括但不限于WPS Office2003、WPS Office2005、W P S O f f i c e 2 0 0 7 、 W P S O f f i c e 2 0 0 9 、 W P S Office2010、WPS Office2012、WPS Office2013、MS Office2003、MS Office2007、MS office2010其他等
3.2.3 桌面终端硬件配置水平全景监控
对桌面终端设备硬件配置分布进行统计,对CPU、内存、 硬盘容量等主要指标按范围进行指标划定和展现。直观反映桌面终端硬件配置水平情况,为企业的终端配置水平衡量、终端设备采购提供数据支撑。CPU内核数分类:单核、双核、四核及以上;CPU主频分类:(1.4-1.6)GHz、(1.6-1.8)GHz、(1.8-2.0)GHz、(2.0-2.2)GHz、(2.2-2.4)GHz、(2.4-2.6)GHz、(2.6-2.8)GHz、(2.8-3.0)GHz、(3.0-3.2)GHz、(3.2-3.4)GHz、3.4GHz及以上;硬盘容量分类:(40-80)GB、(80-160)GB、(200-320)GB、(500-750)GB、(1000G-1.5TB)、2TB、3TB、4TB; 内存分类:512MB及以下、512MB-1GB、2GB、4GB、8GB及以上。
3.3 桌面终端管理数据挖掘
桌面终端管理数据挖掘包括许多步骤:从在运系统数据库中取得数据;选择合适的特征属性;挑选合适的样本策略;剔除数据中不正常的数据并补足不够的部分;用恰当的降维、变换使数据挖掘过程与数据模型相适合或相匹配;辨别所得到的是否是知识则需将得到的结果信息化或可视化,然后与现有的知识相结合比较。这些步骤是从桌面终端管理基础数据到全景监控展现的必由之路。每一步骤都可能是成功的关键或失败的开始。见图1。
3.4 全景监控的展现实现
支持指标进行向下的逐层钻取,并对构成该指标的各详细数据通过安全态势地图或其他图表方式进行展现。采用可视化技术进行全景监控平台的展现。可视化是计算机应用技术的发展趋势,也是数据挖掘的研究方向之一。可视化数据分析技术拓宽了传统的图表功能,用直观图形形式将信息模式、数据关联或趋势呈现给决策者,使之能交互分析数据关系,如把数据库中多维数据变成多种图形对揭示数据总体状况、内在本质及规律至关重要。可视化技术将人的观察力和智能融入挖掘系统,极大提升了系统挖掘的速度、层次和内容。见图2。
摘要：随着网络应用技术的发展以及计算机应用系统的广泛应用,计算机桌面终端已成为日常办公的重要支撑;另一方面,近年来电力企业对信息化的依赖程度越来越高,越来越多的涉及到电力企业的信息化系统投入使用,电力企业投入的桌面数量也越来越大,然而,对于巨大的桌面终端数量,安全管理是一个重要的问题。本文将阐述电力企业桌面终端安全管理现状,分析电力企业桌面终端普遍存在的问题,以玉溪供电局为例,论述电力企业计算机桌面终端的全景监控研究及实现。