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電力信息監測系統的架構和測評

來源:原創論文網 添加時間:2019-06-29

  摘    要: 電力公司通常使用網絡可視化、狀態估計、系統控制和數據采集等多個應用系統來實現對電力系統的監測。盡管這些系統存在相關性, 但仍然存在系統造價昂貴、數據格式不兼容、數據交換困難的限制。為了解決這一問題, 文中提出了一種基于開源技術的分布式電力信息監測系統的設計。該系統由四個主要組成部分組成:OpenDSS框架、ActiveMQ代理、可視化和編輯電氣網絡的應用程序以及公共信息模型 (CIM) 。測試結果表明, 所設計的監測系統具有互操作性好、事件定位及時和靈活性強等優點, 能夠提供電力系統在線監測的功能。

  關鍵詞: OpenDSS; ActiveMQ; 公共信息模型; 分布式監測;

  Abstract: It is typicall for power companies using multiple applications such as network visualization, state estimation, system control, and data acquisition to monitor power system. Despite the correlation of these systems, there are still limitations in system cost, incompatible data formats, and difficulty in data exchange. In order to solve this problem, a distributed power information monitoring system based on open source technology is proposed. The system consists four main components: the OpenDSS framework, the ActiveMQ agent, the application for visualizing and editing electrical networks, and the Common Information Model ( CIM) . The test results show that the designed monitoring system has the advantages of good interoperability, timely event location and flexibility, and can provide online monitoring of power system.

  Keyword: OpenDSS; ActiveMQ; public information model; distributed monitoring;

  0、 引言

  電力信息監測系統能夠可以減少停機、縮短停機時間、維護電壓水平、減少線損, 從而使電力公司能夠以更可靠、更高效和更安全的方式提供電力[1]。電力信息監測系統通常由一組提供以下功能的應用程序組成:網絡連接分析、配電系統狀態估計、潮流應用、電壓/無功控制等[2,3,4]。由于不同軟件之間數據格式各有不同, 因此電力信息監測系統需要花費巨大開銷進行數據交互和數據格式的統一。為此本文提出一種基于消息傳遞的數據接口方式電力信息監測系統的設計。所提出的系統使用OpenDSS[5]作為配電系統仿真工具。OpenDSS能夠提供與其他應用程序通信的COM接口, 這為監測系統的可視化設計提供了足夠的靈活性和可修改性[6,7]。所提出的系統采用ActiveMQ[8]作為消息代理系統, 以標準數據格式在不同應用程序之間提供消息傳遞和數據同步功能。最后本文通過三個測試案例對所提出的電力信息監測系統的COM接口性能、消息隊列的處理能力和數據庫讀寫能力進行了驗證。

  1 、相關技術

  1.1、 用于電網仿真和可視化的開源工具

  所提議的系統有一個基于地理信息的電網操作圖, 允許用戶創建、修改和操作電網。為了實現該電網操作界面, 本文研究了JGRAPH、CircuitSimulator、JHOTDRAW、JDIAGRAM等幾種開源編輯工具, 分析這幾種開源編輯工具的相關功能 (組件插入、拖放、模型編輯、復制和粘貼等) , 以選擇最適合的工具[9,10]。JGRAPH兼容Swing, 具有簡潔而高效的設計, 支持Java開發, 并提供通過節點進行可視化和交互的功能, 包括支持創建新圖形的模板XML等功能。JGRAPH能夠較為高效地支持創建對應于不同標準的電氣元件, 并且已有類似的開發案例。因此本設計采用JGRAPH開發電力信息監測系統的圖形界面。
 

電力信息監測系統的架構和測評
 

  本設計中實現電力系統地理信息表示的電網可視化和編輯的開源工具為OpenLayers庫[11]。OpenLayers庫具有靈活性、適應性、效率、可用性、可維護性和可移植性等良好屬性, 因此被選為電力信息監測系統的WEB GIS開發工具包。OpenLayers庫是基于JavaScript開發的, 允許web或嵌入式Java開發。

  最后, 為了完成GIS開發, 本文設計選擇百度地圖作為一個開源免費的地圖數據庫。百度地圖提供了免費和完整的地圖數據庫, 并且提供了功能強大的編程接口, 這位系統的搭建提供有力支持。

  1.2 、OpenDSS框架

  OpenDSS是用于模擬配電網的一個開源軟件包, 包含多個網絡組件的詳細模型, 例如線路、負載、發電機、監視器等。該程序基本上支持對配電系統 (包括分布式發電分析) 通常執行的分析。OpenDSS的一個重要特性是它是良好的可擴展性, 因此可以很容易地修改。OpenDSS可用于配電規劃和分析、分布式發電互連分析、諧波和間諧波分析以及中性點對地電壓模擬等[12]。

  OpenDSS和電力監測系統之間的連接如圖1所示。OpenDSS使用COM接口與其他應用程序交換數據;該接口具有一組支持許多編程語言的編程方法和屬性。JACOB類庫[13]由于其結果的靈活性和可靠性而被選作OpenDSS和電力監測系統連接框架。JACOB類庫使用JNI (Java本地接口) 將本地調用放入COM和Win32庫中。

  建議的電力監測系統和OpenDSS之間的通信是通過腳本編譯和數據適配設計模式實現的。首先, 訪問建模到CIM的電力網絡以構建OpenDSS腳本。然后, JACOB庫用于編譯腳本并獲取OpenDSS提供的不同算法的結果。最后, 獲得的數據結果適配于可被處理和顯示的內部格式。

  圖1 電力監測系統和openDSS之間的通信
圖1 電力監測系統和openDSS之間的通信

  1.3 、ActiveMQ代理

  可以由ActiveMQ軟件為安裝在不同電力設備中的軟件組件之間提供消息隊列代理服務。ActiveMQ是一個開源消息代理, 具有完整的Java消息服務 (JMS) 客戶端。它提供的功能包括與多個客戶端或服務器進行通信, 安全性、計算機群集、虛擬內存、緩存以及作為持久性提供程序訪問任何數據庫的可能性[14]。此外, 它使用消息隊列作為處理節點之間的持久通信機制。消息隊列有助于數據共享, 并提供一個發布/訂閱系統, 可以應用于組件以便與其他組件通信。ActiveMQ還提供故障轉移協議, 以保持信息系統的高可用性。

  ActiveMQ消息隊列功能基于主題管理。在創建消息主題的基礎上, 監測系統的每個軟件組件都通過訂閱了主題的方式與在電力網絡中生成的不同類型的消息事件相關聯。每個事件都包含有關系統某些部分的相關信息。每個軟件組件只需要訂閱包含必要信息的主題。因此, ActiveMQ是模塊化系統, 每個消息模塊都可以獨立于其他模塊工作。

  如圖2所示, 電力監測系統分為不同的應用。每個應用程序通過在ActiveMQ代理中創建的主題與其他應用程序通信。應用程序不僅消耗所訂閱主題的信息, 而且也生成新的信息, 這些信息被發送到其他主題。與ActiveMQ代理交互的應用程序包括報警處理器、狀態估計器、數據采集系統 (DAS) 、示意圖和地理表示以及網絡連接分析 (NCA) 。例如, 負責可視化的模塊將訂閱新的測量主題。當數據采集系統發布關于該主題的新測量時, ActiveMQ發送新信息, 并實時通知相應模塊測量值的變化。

  圖2 應用程序與Active MQ代理的數據交互
圖2 應用程序與Active MQ代理的數據交互

  ActiveMQ為系統提供身份驗證功能。因此每個應用程序 (消息生產者和消息消費者) 必須使用用戶名和密碼才能訂閱主題。PGP數據格式化程序用來加密應用程序發送到主題的每條消息。PGP數據格式化程序有兩個密鑰:公共密鑰和私有密鑰。公鑰是消息生產者應用程序加密消息所必需的;私鑰允許消息使用者應用程序解密消息。

  1.4、 公共信息模型 (CIM)

  CIM作為電力管理系統的公共信息模型, 提供電力系統內部模塊之間的互操作性并將數據導出到外部工具。該模型分別在對應于數據傳輸和分配的IEC 61970和IEC 61968規范系列中定義。此外, 它由UML (統一建模語言) 類圖描述[15]。

  可以在不同的抽象層次上使用CIM對電力系統網絡進行建模, 并呈現出各自的細節層次。CIM實現了靜態模型與動態模型的模塊化劃分, 解決了實時模型交換問題。前者實現了網絡拓撲及其連接的表示, 后者定義網絡測量的狀態。每個應用程序將在需要時使用每個模型類型。圖3顯示了這些模型的主要類別。因此, 靜態模型是所提出的DMS系統中所有算法的輸入, 動態模型實時提供測量值。

  圖3 靜態和動態模型中定義的組件
圖3 靜態和動態模型中定義的組件

  CIM中的信息交換是通過以標準格式存儲的RDF (資源描述框架) 模型實現的, 例如, RDF/XML (可擴展標記語言) 。

  模塊的類型決定了需要更新的模型。靜態模型由網絡編輯器低頻更新。這作為觸發引擎反映在所有模塊中, 如圖4所示。

  動態模型由代理更新, DAS以高頻率發布測量值。訂閱相應主題的模塊會隨著測量值的到達自動更新動態模型, 如圖5所示。

  目前, CIM無法對電力部門需要使用和交換的所有信息進行建模。也就是說, 在提出的模塊化劃分中, 網絡是通過物理元素的互連而形成的。這些物理元素可以存儲在RDF格式的文件中。然而, 在某些情況下, 這些格式文件并不表示物理元素的特征。在這種情況下, 需要擴展CIM來支持一些參數, 例如線路的電阻和電抗矩陣、變壓器繞組間的電抗百分比。

  圖4 靜態模型的更新過程
圖4 靜態模型的更新過程

  圖5 動態模型的更新過程
圖5 動態模型的更新過程

  2 、電力信息監測系統架構

  采用屬性驅動設計方法來構建電力信息監測系統的架構。電力信息監測系統的設計訴求主要包括:可用性、可擴展性、靈活性、互操作性和安全性。為了滿足這些要求, 本文定義了基于范例發布訂閱的事件驅動架構 (EDA) 。EDA允許通過多個組件實時監控、檢測和控制不同事件。這些組件是分開的, 可以單獨修改。該屬性提高了系統的靈活性和可修改性。

  EDA與面向服務的體系結構 (SOA) 相結合, 為每個應用程序自由連接到平臺提供了高效的編程接口和數據接口, 同時也改善了系統內部模塊之間的靈活性和獨立性。

  電力信息監測系統架構分為四個主要模塊:DAS、應用程序、中間件服務和持久性數據庫。DAS是第一個具有多種信息源的通信點, 如測量設備和SCADA系統。所有收到的信息都發布在中間件服務ActiveMQ中, 后者將捕獲的信息發送到系統的其他部分。這些歷史信息存儲在數據庫中以供若干算法使用, 如狀態估計和需求預測等。存儲信息的過程由數據持久性模塊執行, DAO模式 (數據訪問對象) 用于實現數據庫的連接。因此, 可以在不修改代碼實現的情況下改變數據庫的設計。應用程序模塊包含提供電力信息監測功能的獨立應用程序:包含GIS的電網操作示意圖、狀態估計器、網絡拓撲分析和報警處理器。

  圖6 電力信息監測系統架構
圖6 電力信息監測系統架構

  用戶界面上的值使用基于MVC模式的更改通知機制進行更新, 該機制允許模型通知視圖和控制器組件。這些組件在模型中注冊, 提供即時更新。此功能允許更新的過程不違反模型的獨立性。

  用戶應用程序可以在專用計算機或外部服務器上運行。這有助于修改和使用可以獨立開發和更新的組件。例如, 要添加OMS (中斷管理系統) , 只需定義與中間件服務的通信。本次交流由各主題完成, OMS將訂閱現有主題并發送新信息。因此, 這些更改不會對其他應用程序產生影響, 并且維護了系統擴展性。

  這個體系架構是為本地分布服務器提供的許多重新關閉器進行實例化和測試的。在這種情況下, 使用DNP3協議和Modbus操作設備。首先, 分析了實現該協議的不同庫。所選的庫是opendnp3, 因為它比其他庫提供更多的好處。這實現了所有的dnp3層。它允許系統從重新關閉器中檢索和解碼包, 并將寄存器寫入其中。此外, 有必要將設備提供的信息調整為電力信息監測系統可理解的另一種格式。因此, 額外的功能被添加到應用層, 以將值和命令轉換為JSON格式, 作為設備和DMS之間的中介。完成后, 采用libmodbus實現modbus協議。該庫是一個開源軟件工具, 根據C語言編寫的Modbus協議發送/接收數據, 支持RTU (串行) 和TCP (以太網) 通信。

  在提議的模式下, 設備的每個物理寄存器都由一個稱為tag的唯一代碼標識。用戶選擇的操作被轉換為一組通過ActiveMQ主題發送的標記。然后, DAS模塊訂閱同一主題, 接收該組標記并將其轉換為有效的幀 (取決于協議) , 從而對設備進行物理操作。

  無功控制算法通過OpenDSS庫從python中執行, 并返回最優的設備配置, 通過ActiveMQ主題發送至電力設備的控制程序, 以改變LTC變壓器的匝數比、控制光伏系統的無功或改變電容器組的狀態。

  圖7 監測和控制系統組件
圖7 監測和控制系統組件

  3、 測試評估

  測試評估包括三個與OpenDSS接口、ActiveMQ代理、數據庫操作和可視化速率相關的案例。

  3.1、 OpenDSS界面

  選擇IEEE 4電網作為測試系統, 如圖8所示。潮流計算的流程如圖9所示。首先基于電力組件的電氣參數進行網絡建模。接下來, 腳本編譯模塊負責構建OpenDSS腳本并通過COM接口進行通信。最后, 執行潮流計算并且結果顯示在包含地理信息的電力信息監測系統的示意圖上。因此, 電壓、電流和潮流獲得的值等于OpenDSS報告的值。此外, 執行的測試表明, 與通過COM接口的通信時間相比, 腳本生成的時間可以被忽略。

圖9 潮流計算的序列圖
圖9 潮流計算的序列圖

  3.2 、電網操作示意圖更新

  首先, 在電網操作圖的刷新率對于JGraph庫至關重要。在測試中, 分別對具有10、100、1000和10000個電力組件的不同方案進行建模。每個方案每1秒更新一次, 如表1所示。在分析每種情況之后, 可以得出結論, 刷新率隨著屏幕上的組件數量線性增加。也就是說, 如果標簽的數量增加10, 則總時間增加2.6毫秒, 如圖10所示。

  表1 刷新時間的測試結果
表1 刷新時間的測試結果

  3.3、 中間件服務的性能

  在ActiveMQ代理上執行的所提出的系統性能測試。當多個數據源同時發布10個標記的信息時, 對它們進行了模擬。在所有情況下, 發送500000個標記的信息, 并分析每種情況下的吞吐量。圖11顯示, 吞吐量隨著可處理的數據源數量的增加而增加, 平均每秒獲得30000個標記。但是, 表2顯示錯誤的百分比隨著數據源數量的增加而增加。這是由于ActiveMQ緩沖區過載所造成的。

  圖1 0 刷新率結果的比較
圖1 0 刷新率結果的比較

  表2 消息吞吐量測試的結果
表2 消息吞吐量測試的結果

  圖1 1 Active MQ吞吐量
圖1 1 Active MQ吞吐量

  3.4 、數據庫的性能

  對數據庫的讀取和寫入延遲進行測試。為了測量讀取延遲和計算執行查詢的平均時間, 對總計100、10000和40000個測量值的查詢時間進行統計。統計結果可以在表3中看到, 其系統響應時間在60.32和528.98ms之間振蕩。圖12示出了當查詢數據的數量增加時響應時間也隨之增加。

  分析測量值的平均插入時間以測試數據庫的寫入延遲。對100、1000和10000個測量值進行若干次反復寫入操作, 以統計平均寫入時間。測試結果如表4所示。由表可知, 寫入時間隨著寫入操作的增加而減小。發生這種情況是因為數據庫系統在內存中保留了上次操作的結果, 導致每次執行查詢時都不必從硬盤讀取信息, 因此寫入效率有所提高。

  表3 數據庫查詢操作延遲測試的結果
表3 數據庫查詢操作延遲測試的結果

  圖1 2 讀取延遲結果的比較
圖1 2 讀取延遲結果的比較

  表4 寫入延遲測試的結果
表4 寫入延遲測試的結果

  4、 結束語

  所提出的電力信息監測系統可以有效對電網監測信息進行編輯和操作, 并支持在一個專用數據庫上執行多個數據分析。此外, 所采用的系統架構允許加入額外的模塊, 如狀態估計、電壓/無功控制和故障管理, 從而為其他所需的功能提供解決方案。因此, 所提的監測系統具有良好的可擴展性。此外, 該系統還可以與其他電力信息系統集成, 以幫助電網的管理決策更加科學、合理。

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