基于智能规约解析的在线监测及就地诊断一体化终端研究与设计

（1.云南电网公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.昆明能讯科技有限责任公司，云南 昆明 650217）

【摘 要】针对目前变电站设备通信规约复杂繁多，且设计与制造方对通信规约理解存在偏差导致数据难以集中、互操作性和共享性低，以及数据诊断后台的数据分析手段单一，无法进行有效数据融合等问题，本文研究与设计基于智能规约解析的变电站在线监测就地诊断一体终端，实现设备信息的互通互用和传输协议的一致性检测，解决规约一致性问题。通过对多源传感器信息的整合利用，形成对被测对象或过程的最佳估计，并进行本地化诊断，整合设备的监测信息、分析结果、运行数据、环境信息，在变电站层就地实现主设备状态信息诊断。

【关键词】规约解析；信息融合；就地诊断

1 引言

随着电力自动化技术、电力电子技术及计算机网络通信技术的迅猛发展，市场上涌现出各种智能化自动装置，这些装置在电网控制领域得到广泛的应用，以至不同厂家、不同类型的装置之间互联变得越来越多，对电力自动化系统的日常维护和运行管理提出了越来越高的要求。传统的监测设备不具备容错、分析处理的能力，所有的分析处理都由服务端处理，大大增加了服务端的压力。并且目前变电站监测、控制系统各自独立，监测设备的信息不关联，电网中的各种RTU智能终端、电力计量设备、传感检测单元众多，采用的传输协议不尽相同，通信规约复杂繁多，子站设备的厂家各不相同，在对同一规约的理解上也有差异，这就导致设备之间通信连接出现各种问题，数据的互操作性和共享性低，并且单一种类的规约转换设备成本高，规约的不统一，导致监测的各类数据难以集中，数据诊断往往是在后台针对监测到的数据进行单一的分析。

针对变电站主设备的状态监测数据、运行数据就地进行集中，采用多传感器信息融合技术，利用各种传感器在性能上的差异和互补性可弥补单一传感器信息采集量不足，易受周围环境干扰等缺陷等问题。本文对智能变电站就地诊断技术进行研究，利用智能传感器技术、多传感器数据融合技术、规约一体化技术等，通过对多源传感器信息的协同利用，形成对被测对象或过程的最佳估计，并且把诊断策略进行下放，整合设备的监测信息、分析结果、运行数据、环境信息，在变电站层就地实现变电站主设备状态信息的就地诊断，对变电站主设备的状态监测数据、运行数据就地进行集中处理和诊断，把诊断策略进行下放，整合设备的监测信息、分析结果、运行数据、环境信息，在变电站层就地实现变电站主设备状态信息的就地诊断。并将分析结果进行综合分析后通过网络上传到变电站主站。就地诊断终端的研究充分利用监测终端的硬件资源，对采集数据进行初步的过滤、分析，从而减少因冗余、错误数据的传输而占用的带宽，降低服务端处理数据的压力，减轻服务器端的压力，保证电力设备正常工作，有效开展状态检修，并预估设备的损耗以建立全寿命周期管理体系。

2终端核心技术

2.1 智能传感器技术

智能传感器是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合积累的实际经验以及测试技术研究成果所提出的，其能够突破以往传感器多种限制是由于内嵌的微处理器结构，可以相关动态变化的算法来完成数字信号处理。目前对智能传感器较广泛定义是能够对外部信息具有一定的自诊断、自适应、检测以及数据处理等能力。智能传感器的构成基本可以分为两大部分：微处理器和基本传感器，其中微处理器是传感器智能化的核心因素，微处理器接受基本传感器的输出之后，能够对该输出信号进行各种处理，如标度变换、线性化补偿、数字调零、数字滤波等， 其处理性能影响着传感器的稳定性、可靠性，直接关系感应的精度、自适应能力、分辨率、信噪比等；另一部分是基本传感器，基本传感器是构成智能传感器的基础，其性能很大程度上决定着智能传感器的性能。

2.2 通信规约解析与适配

通信规约具体可以分为信息传输步骤和传输格式，其中传输格式为帧结构、首发方式、位同步方式、传输速率、抗干扰措施、帧同步字等。本文关注的重点是研究各类通信规约的适配选择以及解析信息帧中的数据内容。目前通信规约繁多，大体可以分为几大体系，而每一个体系又衍生出许多子规约，体系与体系之间对数据格式的定义有较大差异，即便在相同体系内不同的通信规约对数据格式的定义也不尽相同，有时格式相同但实现的方式不同也使得同一规约存在无法兼容的问题，这些现状致使信息采集时，各类解析终端无法实现有效解析，针对某一体系中的某一规约尚能满足需求，当终端规模扩大，不同通信规约引入，通信的有效性受到挑战，面对众多异构的数据项，信息融合以及利用受到较大影响。

设计一体化终端各类通信规约的解析和适配是本文核心部分之一，是保障终端有效通信、信息融合、提高数据利用率的关键，具体包括IEC101、IEC102、IEC103、IEC104、CDT、DISA规约库的建立、规约解析、各规约输出模块功能研发以及仿真功能开发，在一体化终端设备中体现在三个递进步骤，首先，建立规约库，确定规约的体系及种类；然后，按照建立的规约库对报文进行解析，涉及各类通信规约库的实现以及报文判定；最后，解析出的结果，进行统一格式转化。通信规约解析与适配结构如图1所示。

图1 通信规约解析与适配结构

2.3 数据融合

数据融合一方面是对多传感单元采集到的数据进行融合分析，有效剔除噪声、提升传感监测和诊断的可靠性，作为对电网运行中的重要设备、设施安全稳定运行的可靠保障，同时也综合其他智能终端的信息，对电网运行状态有个客观、准确的评价。实现数据层、特征层和决策层三层数据融合，通过对多传感器（ 多源） 信息的协同利用，充分考虑商业智能、专家模型分析、辅助决策支持等技术的应用，切实实现由隐性知识到显性知识的转化，从而产生对被测对象或过程的最佳估计和就地综合诊断。

其中，多传感器数据融合在解决探测、跟踪和目标识别问题上，有许多性能上的优势，本文采用数据融合技术解决智能电网状态检测中的传感数据的综合分析。相较单一传感器而言，多传感融合能够提供更为全面可靠的监测和诊断信息在多传感器系统中，信息表现为多样性、复杂性以及大容量，信息处理不同于单一的传感检测处理技术，多传感器信息融合技术已成为当前的一个重要研究领域。目前信息融合方法利用多个信息源所获取的关于对象和环境的信息获得根据任务所需要的全面、完整的信息：

1）生存能力强。在有若干传感器不能被利用或受干扰，或目标及事件不在覆盖范围内时，总有某个传感器可以提供信息。

2）扩展了空间覆盖范围。通过多个交叠覆盖的传感器作用区域，扩展间的覆盖范围，总有一种传感器可以探测到其它传感器探测不到的地方。

3）扩展了时间的覆盖范围。用多传感器的协同作用提高了检测概率，某个传感器可以探测到其它传感器不能顾及的目标或事件。

4）提高了系统的可靠性，减少了信息的模糊性。这是由于多传感器信息的内在冗余度和多传感器联合信息降低不确定性的特性带来的。

5）增加了系统的空间分辨能力。多个传感器可以获得比单一传感器更高的分辨率。

6）增加了测量空间的维数，从而降低了测量矩阵的病态性，改善了探测的性能。

传感器网络作为数据融合的数据采集前端，以应用为目标。构建传感网络是一个庞大的系统工程，涉及到的研究工作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。对无线传感器网络系统结构及界面接口技术的研究意义重大。把传感器网络按其功能抽象成五个层次，包括基础层（传感器集合）、网络层（通信网络）、中间件层、数据处理和管理层以及应用开发层。

3 终端总体构架

3.1 设计内容

设计内容包括以下几个方面：利用嵌入式平台低功耗、低成本等优势，研发就地诊断装置，实现数据的就地整合、综合诊断，最终实现变电站设备的状态监测、预警及分析诊断功能；研究主流厂家的通信规约，建立EC101、IEC102、IEC103、IEC104、CDT、DISA标准规约库，解决设备信息的互通互用和传输协议的非一致性问题；实现数据层、特征层和决策层三层数据融合，通过对多传感器（多源）信息的协同利用，从而产生对被测对象或过程的最佳估计和就地综合诊断；终端具有自检、自诊断和数据上传功能，终端优先推送结果信息，然后上送原始数据。终端以变电站为对象，对全站所有在线监测设备进行统一集成，包括硬件集成、数据集成和功能集成，在统一平台上实现站内全部监测数据的集中监测、预警、分析和就地诊断功能等功能；结合神经网络理论、灰色轨迹理论、数据库技术、模糊理论模型等各种算法，对电力设备实行故障诊断。利用各种数学模型从实现原理上进行比较分析，研究出多种改进的学习算法，实现变电站内电力设备故障诊断络模型。

3.2 结构设计

本文各项研究工作主要分两部分：1、规约解析与适配；2、在线监测及就地诊断一体化终端。

3.2.1 规约解析与适配结构

通信规约的解析与适配结构如图2所示，通过测控、保护测控装置及其他测量仪表借助传输媒介一方面上传到电力通信规约一体化集成装置，进行解析与适配，再推送到服务器提供基础数据源；另一方面通过测控、保护测控装置及其他测量仪表借助传输媒介直接上传到数据服务器，然后由数据服务器推送到电力通信规约一体化集成装置，最后形成统一基础数据源。

3.2.2 在线监测及就地诊断一体化终端结构

在线监测及就地诊断一体化终端结构如图3所示，多传感器采集到的相关数据通过以太网和无线网络传送到一体化终端，进行处理，首先进行通信规约转化，然后依次是数据诊断、数据分析、数据融合等，把分析诊断结果通过以太光纤网推送致变电站主站系统以及变电站其他系统。

图2 智能规约解析与适配结构图

图3 在线监测及就地诊断一体化终端结构图

4 功能设计

图4为在线监测及就地诊断一体化终端功能框架图。包括三大部分分别是任务管理、数据处理和系统管理，其中任务管理实现对定时任务、随机任务、终端校时、远程升级、主进程监听、短信唤醒等任务的管理；数据处理主要结合传感器的规约对数据进行采集解析监测及报警，具体包括数据采集、数据融合、数据解析、数据诊断、数据上传、数据存储、报警监视几个功能；系统管理分为三个模块诊断策略主要包括数据容错策略及数据分析策略，其中容错策略是数据过滤的标尺，在系统过滤数据时，根据容错策略，选择符合要求的数据，若数据误差太大，可以根据配置确认是否需要补采。数据分析策略，是对本地数据进行融合、分析处理，规约解析配置模块对多传感器的规约进行整合，统一配置。样本库、规则库配置模块根据实际的需要建立诊断的样本、规则库。

图4 在线监测及就地诊断一体化终端功能框架图

5 结语

本文研究目的旨在进一步深入实现电网的自动化、数字化，保障电网的安全稳定运行。综合应用计算机、自动化和微机电系统等技术，通过对电网发电、输电、变电、配电、用电和调度等各个环节等需要进行相关安全监测的部位，构建智能传感网络（底层信息获取单元）、完全支持电力自动化国际标准传输协议IEC61850的通信层、数据融合技术的三层结构，实现基于电网自动化协议集的智能传感设备的网络通信与数据融合研究。

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作者简介：

曹敏（1953），男，云南昆明人，学士，高级工程师，云南电网公司电力科学研究院首席技术科学家，享受云南省政府特殊津贴，全国电工仪器仪表标准化委员会电能测量和负载控制设备分技术委员会副主任委员。

高尚飞（1983），男，云南昆明人，硕士，工程师，云南电网公司电力科学研究院研发中心，长期从事电力信息化、输电在线监测相关建设与研究。

陈超（1980），男，云南昭通人，学士，工程师。昆明能讯科技有限责任公司研发中心，长期从事电力信息化建设与研究。