基于云边协同的综合智能防误架构研究

胡廷广，华 雄，臧世民

（安徽南瑞继远电网有限公司，安徽 合肥 230000）

随着变电运维管理模式逐渐向“无人值守+集中监控”转型推进，原有的变电站运行方式、作业流程等都发生了变化，对变电站防误操作管理和人员作业安全、设备安全防护能力也提出更新、更高要求。

对于电力系统，安全是最重要和最基本的要求，电气防误技术经过近20多年的发展不断成熟，功能不断完善。从初期的机械/电磁闭锁到机械/电气联锁，再发展到微机型独立防误闭锁，均在不同阶段发挥着重要作用。随着智慧变电站、智慧物联体系、自主可控新一代变电站二次系统等技术的发展，变电专业的管理能力有了很大提升。然而，智慧变电站扩大建设和一键顺控操作的快速普及，对变电站防误工作提升也提出了新的要求。随着电力行业发展、管理机构的调整，“无人值守+集中监控”的变电运维管理新模式逐渐普及，原有的变电站运行方式、作业流程等都发生了变化，对变电站防误操作管理和人员作业安全、设备安全防护能力也提出更新、更高要求。

目前集控站、变电站、防误终端等各层级防误功能定位不清晰，缺乏协同机制，存在多级并行防误操作相互冲突与闭锁等问题，集控站侧综合防误校核计算资源不足，无法满足全网协同防误，对于移动式的防误终端设备无法自动切频，导致防误操作出现延迟大、操作不流畅等问题，综合防误时效性有待进一步提升。为进一步健全（集控站-变电站）一体化智慧协同防误体系，提升变电设备管理精益化水平和满足安全生产的要求，构建云边协同的综合防误体系构建，综合应用防误逻辑分析模型技术和防误终端无线网络通信技术。通过运用集中-分布联合控制计算体系进行合理划分，并建立以边缘计算组为基本单元的分层自治协同网络架构，解决多级操作并行相互冲突与闭锁的问题，提升边端防误校验能力。通过建立基于大电网智能拓扑分析、逻辑判断等多重安全校核手段，主子站协同逻辑防误校验，对并发操作进行扰动范围以及互相干扰机制研究，实现云边一体化综合智能防误。通过基于图像识别的防误辅助校核，实现将是否双人操作以及是否误入间隔的特征结果作为防误判据，进一步提升综合智能防误水平。针对拓扑防误对于不同接线方式和管理规则的自适应要求，研究电气原理和管理规则的防误规则知识表达统一模式，实现防误模型动态适配。通过移动防误终端设备感知无线信号进行高效频点切换，实现防误终端低时延安全传输。通过无线传输调度分发机制和终端设备可唤醒技术研究，实现低功耗传感器的多源数据协同分发，满足多级并发及大电网拓扑分析的快速高效要求。

以各个子模块的边缘计算作为核心，系统底层架构通过对各个子模块边缘计算的反馈结果进行收集、传输、分析，使得在边缘设备中能够对综合防误数据进行智能化采集，通过边缘设备进行实时防误校验，把边缘端与云端相结合起来，实现云边端协同的数据智能化处理和就地研判。

在整个云边协同中，边缘节点的任务大体是对需要快速处理的数据进行分析，提取数据中高价值的分部反馈给云端。云端需要处理的数据主要是非实时、较为复杂，边缘节点生命周期管理也由云端负责。云边协同的总体参考框架如图1所示。

图1 云边协同参考框架

（1）边缘基础设施能力（Infrastructure-as-a-Service for Edge Computing，EC-IaaS）。一般由无线基站、小型数据中心（边缘服务器）、边缘节点和EC-IaaS接口组成，主要提供计算、存储、网络以及虚拟化资源。

（2）边缘平台能力（Platform-as-a-Service for Edge Computing，EC-PaaS）。为边缘云环境提供PaaS功能，主要进行数据的预处理与分析，以及应用的部署与编排[1]。

云端包括：（1）基础设施能力（Infrastructureas-a-Service，IaaS），提供计算、存储、网络和虚拟机等基础设施；
（2）平台能力（Platform-as-a-Service，PaaS），提供设备管理、资源管理、数据处理与分析、数据建模与分析、服务组件、边缘管理与业务编排等功能[2]；
（3）应用能力（Software-as-a-Service，SaaS）将应用作为服务提供给用户。边缘节点和云端之间通过6种协同技术共同工作。

边缘节点进行终端设备数据的收集，并对数据进行初步处理与分析，然后将处理后的数据发送至云端，云端对海量的数据进行存储、分析与价值挖掘[3]。在大多数情况下，数据的处理一般在边缘节点进行，并把数据序列化，数据都需要进行一定的处理才能用于后续的数据分析工作。边缘服务器收集与处理完数据之后，通常还需要将数据发送至云端，由云端存储与分析。这样既能快速响应设备的请求，又能为数据提供大量的云存储。

2.1 分析全网综合智能防误系统建设要求

针对当前防误现状及问题，研究自主可控新一代变电站二次系统和智慧变电站建设技术要求。

（1）依托智能拓扑分析、“物联网+”等新技术应用，面向操作、运维、检修等业务场景，研究构建基于集控-变电站一体化的操作全防误、业务全覆盖、过程全管控的全网综合智能防误体系总体思路，以解决防误系统存在的安全问题、潜在隐患并推进多元数据融合应用。

（2）以“安全、高效”为目标，以“业务协同”“数据融合”为核心，从完善防误措施、升级防误管理、增强业务协同、加强创新应用4个方面进行提升，分析防误系统的组成要素和特征，梳理信息共享范围，研究跨区、跨层的防误信息交互机制架构和安全防误体系。

2.2 技术方案设计

围绕变电倒闸操作、检修作业、运维作业等各类实际业务场景，提出满足自主可控新一代变电站二次系统和智慧变电站技术要求的云边协同综合智能防误系统架构设计方案。

技术方案主要包括如下几个模块：（1）在对集中-分布式综合智能防误体系下，研究分析就地操作、远方操作、顺控操作、设备检修、日常运维等多场景下的防误特征；
（2）针对各典型场景下的业务需求，研究协同防误措施优化策略、协同配置技术及数据流交互方式；
（3）开展集中-分布（集控站-变电站）模式下倒闸操作、检修作业、运维作业等业务场景下的数据流与业务流融合匹配性业务架构设计；
（4）开展多场景应用、多协议支撑、多维信息建模、多安全区协同的业务和数据结构交互网络和架构体系设计研究。（5）结合业务应用需求和集控站主辅一体化监控系统、PMS3.0及移动应用设计，研究能够实现多业务协同的纵向贯通主子站、横向覆盖各安全大区、完成模块化设计组件式应用的云边协同综合智能防误系统总体设计架构，如图2所示。

图2 云边协同综合智能防误系统架构

2.3 综合智能防误系统的实际应用

云边协同综合智能防误系统的实际应用目前集中在如下方面。

（1）在整体技术架构设计方案基础上，结合多场景下综合智能防误数据流、业务流融合设计研究成果，开展就地操作、远方操作、顺控操作、设备检修以及日常运维等场景化防误功能设计，包括操作任务图形化生成、设备实时对位、拓扑状态自校验、操作模拟预演以及接地线状态监控等功能。

（2）基于新型智能防误分析关键技术的研究成果，研究各类接线方式和运行方式下，冲击送电、开关泄压等特殊操作的防误功能。

（3）特殊情况下的管理级别/电气级别防误模式切换的功能设计，满足特殊操作的防误需求和任何情况下都要遵守电气规律的安全红线要求。

（4）结合应急情况下的防误处置机制，研究与监控主机信号异常时，设备状态强制对位、信号屏蔽等功能。

（5）无线通信网络中断时，在线/离线防误模式切换功能。

（6）事故应急处理时，动态授权功能，满足紧急情况下的操作授权需求。

基于云边协同的综合智能防误关键技术研究与深化应用，进一步健全集控站-变电站一体化智慧协同防误业务产品体系，实现集控站侧与变电站侧综合防误业务应用的高效贯通，实现综合防误核心技术的提质增效，全面推进在变电专业数字化转型，推动电网智慧化发展，为保障电网安全和安全生产提供有力支撑。