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电力信息监测系统的架构和测评

来源:原创论文网 添加时间:2019-06-29

  摘    要: 电力公司通常使用网络可视化、状态估计、系统控制和数据采集等多个应用系统来实现对电力系统的监测。尽管这些系统存在相关性, 但仍然存在系统造价昂贵、数据格式不兼容、数据交换困难的限制。为了解决这一问题, 文中提出了一种基于开源技术的分布式电力信息监测系统的设计。该系统由四个主要组成部分组成:OpenDSS框架、ActiveMQ代理、可视化和编辑电气网络的应用程序以及公共信息模型 (CIM) 。测试结果表明, 所设计的监测系统具有互操作性好、事件定位及时和灵活性强等优点, 能够提供电力系统在线监测的功能。

  关键词: OpenDSS; ActiveMQ; 公共信息模型; 分布式监测;

  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

  电力信息监测系统能够可以减少停机、缩短停机时间、维护电压水平、减少线损, 从而使电力公司能够以更可靠、更高效和更安全的方式提供电力[1]。电力信息监测系统通常由一组提供以下功能的应用程序组成:网络连接分析、配电系统状态估计、潮流应用、电压/无功控制等[2,3,4]。由于不同软件之间数据格式各有不同, 因此电力信息监测系统需要花费巨大开销进行数据交互和数据格式的统一。为此本文提出一种基于消息传递的数据接口方式电力信息监测系统的设计。所提出的系统使用OpenDSS[5]作为配电系统仿真工具。OpenDSS能够提供与其他应用程序通信的COM接口, 这为监测系统的可视化设计提供了足够的灵活性和可修改性[6,7]。所提出的系统采用ActiveMQ[8]作为消息代理系统, 以标准数据格式在不同应用程序之间提供消息传递和数据同步功能。最后本文通过三个测试案例对所提出的电力信息监测系统的COM接口性能、消息队列的处理能力和数据库读写能力进行了验证。

  1 、相关技术

  1.1、 用于电网仿真和可视化的开源工具

  所提议的系统有一个基于地理信息的电网操作图, 允许用户创建、修改和操作电网。为了实现该电网操作界面, 本文研究了JGRAPH、CircuitSimulator、JHOTDRAW、JDIAGRAM等几种开源编辑工具, 分析这几种开源编辑工具的相关功能 (组件插入、拖放、模型编辑、复制和粘贴等) , 以选择最适合的工具[9,10]。JGRAPH兼容Swing, 具有简洁而高效的设计, 支持Java开发, 并提供通过节点进行可视化和交互的功能, 包括支持创建新图形的模板XML等功能。JGRAPH能够较为高效地支持创建对应于不同标准的电气元件, 并且已有类似的开发案例。因此本设计采用JGRAPH开发电力信息监测系统的图形界面。
 

电力信息监测系统的架构和测评
 

  本设计中实现电力系统地理信息表示的电网可视化和编辑的开源工具为OpenLayers库[11]。OpenLayers库具有灵活性、适应性、效率、可用性、可维护性和可移植性等良好属性, 因此被选为电力信息监测系统的WEB GIS开发工具包。OpenLayers库是基于JavaScript开发的, 允许web或嵌入式Java开发。

  最后, 为了完成GIS开发, 本文设计选择百度地图作为一个开源免费的地图数据库。百度地图提供了免费和完整的地图数据库, 并且提供了功能强大的编程接口, 这位系统的搭建提供有力支持。

  1.2 、OpenDSS框架

  OpenDSS是用于模拟配电网的一个开源软件包, 包含多个网络组件的详细模型, 例如线路、负载、发电机、监视器等。该程序基本上支持对配电系统 (包括分布式发电分析) 通常执行的分析。OpenDSS的一个重要特性是它是良好的可扩展性, 因此可以很容易地修改。OpenDSS可用于配电规划和分析、分布式发电互连分析、谐波和间谐波分析以及中性点对地电压模拟等[12]。

  OpenDSS和电力监测系统之间的连接如图1所示。OpenDSS使用COM接口与其他应用程序交换数据;该接口具有一组支持许多编程语言的编程方法和属性。JACOB类库[13]由于其结果的灵活性和可靠性而被选作OpenDSS和电力监测系统连接框架。JACOB类库使用JNI (Java本地接口) 将本地调用放入COM和Win32库中。

  建议的电力监测系统和OpenDSS之间的通信是通过脚本编译和数据适配设计模式实现的。首先, 访问建模到CIM的电力网络以构建OpenDSS脚本。然后, JACOB库用于编译脚本并获取OpenDSS提供的不同算法的结果。最后, 获得的数据结果适配于可被处理和显示的内部格式。

  图1 电力监测系统和openDSS之间的通信
图1 电力监测系统和openDSS之间的通信

  1.3 、ActiveMQ代理

  可以由ActiveMQ软件为安装在不同电力设备中的软件组件之间提供消息队列代理服务。ActiveMQ是一个开源消息代理, 具有完整的Java消息服务 (JMS) 客户端。它提供的功能包括与多个客户端或服务器进行通信, 安全性、计算机群集、虚拟内存、缓存以及作为持久性提供程序访问任何数据库的可能性[14]。此外, 它使用消息队列作为处理节点之间的持久通信机制。消息队列有助于数据共享, 并提供一个发布/订阅系统, 可以应用于组件以便与其他组件通信。ActiveMQ还提供故障转移协议, 以保持信息系统的高可用性。

  ActiveMQ消息队列功能基于主题管理。在创建消息主题的基础上, 监测系统的每个软件组件都通过订阅了主题的方式与在电力网络中生成的不同类型的消息事件相关联。每个事件都包含有关系统某些部分的相关信息。每个软件组件只需要订阅包含必要信息的主题。因此, ActiveMQ是模块化系统, 每个消息模块都可以独立于其他模块工作。

  如图2所示, 电力监测系统分为不同的应用。每个应用程序通过在ActiveMQ代理中创建的主题与其他应用程序通信。应用程序不仅消耗所订阅主题的信息, 而且也生成新的信息, 这些信息被发送到其他主题。与ActiveMQ代理交互的应用程序包括报警处理器、状态估计器、数据采集系统 (DAS) 、示意图和地理表示以及网络连接分析 (NCA) 。例如, 负责可视化的模块将订阅新的测量主题。当数据采集系统发布关于该主题的新测量时, ActiveMQ发送新信息, 并实时通知相应模块测量值的变化。

  图2 应用程序与Active MQ代理的数据交互
图2 应用程序与Active MQ代理的数据交互

  ActiveMQ为系统提供身份验证功能。因此每个应用程序 (消息生产者和消息消费者) 必须使用用户名和密码才能订阅主题。PGP数据格式化程序用来加密应用程序发送到主题的每条消息。PGP数据格式化程序有两个密钥:公共密钥和私有密钥。公钥是消息生产者应用程序加密消息所必需的;私钥允许消息使用者应用程序解密消息。

  1.4、 公共信息模型 (CIM)

  CIM作为电力管理系统的公共信息模型, 提供电力系统内部模块之间的互操作性并将数据导出到外部工具。该模型分别在对应于数据传输和分配的IEC 61970和IEC 61968规范系列中定义。此外, 它由UML (统一建模语言) 类图描述[15]。

  可以在不同的抽象层次上使用CIM对电力系统网络进行建模, 并呈现出各自的细节层次。CIM实现了静态模型与动态模型的模块化划分, 解决了实时模型交换问题。前者实现了网络拓扑及其连接的表示, 后者定义网络测量的状态。每个应用程序将在需要时使用每个模型类型。图3显示了这些模型的主要类别。因此, 静态模型是所提出的DMS系统中所有算法的输入, 动态模型实时提供测量值。

  图3 静态和动态模型中定义的组件
图3 静态和动态模型中定义的组件

  CIM中的信息交换是通过以标准格式存储的RDF (资源描述框架) 模型实现的, 例如, RDF/XML (可扩展标记语言) 。

  模块的类型决定了需要更新的模型。静态模型由网络编辑器低频更新。这作为触发引擎反映在所有模块中, 如图4所示。

  动态模型由代理更新, DAS以高频率发布测量值。订阅相应主题的模块会随着测量值的到达自动更新动态模型, 如图5所示。

  目前, CIM无法对电力部门需要使用和交换的所有信息进行建模。也就是说, 在提出的模块化划分中, 网络是通过物理元素的互连而形成的。这些物理元素可以存储在RDF格式的文件中。然而, 在某些情况下, 这些格式文件并不表示物理元素的特征。在这种情况下, 需要扩展CIM来支持一些参数, 例如线路的电阻和电抗矩阵、变压器绕组间的电抗百分比。

  图4 静态模型的更新过程
图4 静态模型的更新过程

  图5 动态模型的更新过程
图5 动态模型的更新过程

  2 、电力信息监测系统架构

  采用属性驱动设计方法来构建电力信息监测系统的架构。电力信息监测系统的设计诉求主要包括:可用性、可扩展性、灵活性、互操作性和安全性。为了满足这些要求, 本文定义了基于范例发布订阅的事件驱动架构 (EDA) 。EDA允许通过多个组件实时监控、检测和控制不同事件。这些组件是分开的, 可以单独修改。该属性提高了系统的灵活性和可修改性。

  EDA与面向服务的体系结构 (SOA) 相结合, 为每个应用程序自由连接到平台提供了高效的编程接口和数据接口, 同时也改善了系统内部模块之间的灵活性和独立性。

  电力信息监测系统架构分为四个主要模块:DAS、应用程序、中间件服务和持久性数据库。DAS是第一个具有多种信息源的通信点, 如测量设备和SCADA系统。所有收到的信息都发布在中间件服务ActiveMQ中, 后者将捕获的信息发送到系统的其他部分。这些历史信息存储在数据库中以供若干算法使用, 如状态估计和需求预测等。存储信息的过程由数据持久性模块执行, DAO模式 (数据访问对象) 用于实现数据库的连接。因此, 可以在不修改代码实现的情况下改变数据库的设计。应用程序模块包含提供电力信息监测功能的独立应用程序:包含GIS的电网操作示意图、状态估计器、网络拓扑分析和报警处理器。

  图6 电力信息监测系统架构
图6 电力信息监测系统架构

  用户界面上的值使用基于MVC模式的更改通知机制进行更新, 该机制允许模型通知视图和控制器组件。这些组件在模型中注册, 提供即时更新。此功能允许更新的过程不违反模型的独立性。

  用户应用程序可以在专用计算机或外部服务器上运行。这有助于修改和使用可以独立开发和更新的组件。例如, 要添加OMS (中断管理系统) , 只需定义与中间件服务的通信。本次交流由各主题完成, OMS将订阅现有主题并发送新信息。因此, 这些更改不会对其他应用程序产生影响, 并且维护了系统扩展性。

  这个体系架构是为本地分布服务器提供的许多重新关闭器进行实例化和测试的。在这种情况下, 使用DNP3协议和Modbus操作设备。首先, 分析了实现该协议的不同库。所选的库是opendnp3, 因为它比其他库提供更多的好处。这实现了所有的dnp3层。它允许系统从重新关闭器中检索和解码包, 并将寄存器写入其中。此外, 有必要将设备提供的信息调整为电力信息监测系统可理解的另一种格式。因此, 额外的功能被添加到应用层, 以将值和命令转换为JSON格式, 作为设备和DMS之间的中介。完成后, 采用libmodbus实现modbus协议。该库是一个开源软件工具, 根据C语言编写的Modbus协议发送/接收数据, 支持RTU (串行) 和TCP (以太网) 通信。

  在提议的模式下, 设备的每个物理寄存器都由一个称为tag的唯一代码标识。用户选择的操作被转换为一组通过ActiveMQ主题发送的标记。然后, DAS模块订阅同一主题, 接收该组标记并将其转换为有效的帧 (取决于协议) , 从而对设备进行物理操作。

  无功控制算法通过OpenDSS库从python中执行, 并返回最优的设备配置, 通过ActiveMQ主题发送至电力设备的控制程序, 以改变LTC变压器的匝数比、控制光伏系统的无功或改变电容器组的状态。

  图7 监测和控制系统组件
图7 监测和控制系统组件

  3、 测试评估

  测试评估包括三个与OpenDSS接口、ActiveMQ代理、数据库操作和可视化速率相关的案例。

  3.1、 OpenDSS界面

  选择IEEE 4电网作为测试系统, 如图8所示。潮流计算的流程如图9所示。首先基于电力组件的电气参数进行网络建模。接下来, 脚本编译模块负责构建OpenDSS脚本并通过COM接口进行通信。最后, 执行潮流计算并且结果显示在包含地理信息的电力信息监测系统的示意图上。因此, 电压、电流和潮流获得的值等于OpenDSS报告的值。此外, 执行的测试表明, 与通过COM接口的通信时间相比, 脚本生成的时间可以被忽略。

图9 潮流计算的序列图
图9 潮流计算的序列图

  3.2 、电网操作示意图更新

  首先, 在电网操作图的刷新率对于JGraph库至关重要。在测试中, 分别对具有10、100、1000和10000个电力组件的不同方案进行建模。每个方案每1秒更新一次, 如表1所示。在分析每种情况之后, 可以得出结论, 刷新率随着屏幕上的组件数量线性增加。也就是说, 如果标签的数量增加10, 则总时间增加2.6毫秒, 如图10所示。

  表1 刷新时间的测试结果
表1 刷新时间的测试结果

  3.3、 中间件服务的性能

  在ActiveMQ代理上执行的所提出的系统性能测试。当多个数据源同时发布10个标记的信息时, 对它们进行了模拟。在所有情况下, 发送500000个标记的信息, 并分析每种情况下的吞吐量。图11显示, 吞吐量随着可处理的数据源数量的增加而增加, 平均每秒获得30000个标记。但是, 表2显示错误的百分比随着数据源数量的增加而增加。这是由于ActiveMQ缓冲区过载所造成的。

  图1 0 刷新率结果的比较
图1 0 刷新率结果的比较

  表2 消息吞吐量测试的结果
表2 消息吞吐量测试的结果

  图1 1 Active MQ吞吐量
图1 1 Active MQ吞吐量

  3.4 、数据库的性能

  对数据库的读取和写入延迟进行测试。为了测量读取延迟和计算执行查询的平均时间, 对总计100、10000和40000个测量值的查询时间进行统计。统计结果可以在表3中看到, 其系统响应时间在60.32和528.98ms之间振荡。图12示出了当查询数据的数量增加时响应时间也随之增加。

  分析测量值的平均插入时间以测试数据库的写入延迟。对100、1000和10000个测量值进行若干次反复写入操作, 以统计平均写入时间。测试结果如表4所示。由表可知, 写入时间随着写入操作的增加而减小。发生这种情况是因为数据库系统在内存中保留了上次操作的结果, 导致每次执行查询时都不必从硬盘读取信息, 因此写入效率有所提高。

  表3 数据库查询操作延迟测试的结果
表3 数据库查询操作延迟测试的结果

  图1 2 读取延迟结果的比较
图1 2 读取延迟结果的比较

  表4 写入延迟测试的结果
表4 写入延迟测试的结果

  4、 结束语

  所提出的电力信息监测系统可以有效对电网监测信息进行编辑和操作, 并支持在一个专用数据库上执行多个数据分析。此外, 所采用的系统架构允许加入额外的模块, 如状态估计、电压/无功控制和故障管理, 从而为其他所需的功能提供解决方案。因此, 所提的监测系统具有良好的可扩展性。此外, 该系统还可以与其他电力信息系统集成, 以帮助电网的管理决策更加科学、合理。

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