摘要：针对公司各变电站电力监控安全防护设备在出现故障时排查定位的低效率情况，自主研发了一套电力监控系统设备故障定位软件。首先通过导入预先准备好的各个变电站设备信息，初始化监控软件，其次基于QT图形库实现相关的工功能，包括各个地域以及对应变电站的排序显示，对各个变电站可以查看和操作其内部拓扑网络关系图。可以智能的进行网络工作的排查与定位，并加以高亮报警显示，极大的提高了检修效率，减少故障带来得损失。最后，通过记录分析故障，给出故障数据统计情况以做到事故的预防。
关键词：电力监控；网络拓扑；故障定位；软件设计
1.引言
随着工业信息化的发展，自动化电力监测逐渐替代传统人工操作的电力监控。电力监控系统及调度数据网是电力系统的重要基础设施，在电力系统中起着非常重要的作用。电网的发展影响着国家经济的发展，为了满足日益增长的电力需求，加强电力监控系统的安全监测与故障排查尤为重要[1]。然而现阶段，公司对于各变电站电力监控安全防护设备在出现故障时仍采用原始的人工手动排查定位方法，缺少高效的管理手段，主要存在着许多突出的问题。各变电站电力监控系统安全防护设备众多，在出现问题时采用人工对这些设备进行逐一排查以找到故障点，其工作量大且效率低，不能及时发现问题加以解决，情况严重的还会直接影响整个电力监控系统的正常运行。电力监控系统安全防护系统缺少智能监测和管理手段，缺少故障统计和预测分析功能[2]。
基于以上事实，我们自主研发了一套电力监控系统设备故障定位软件，旨在解决和排查电力监控系统安全防护系统监测和故障定位的难题。软件通过智能导入各个变电站设备数据，实现实时监测，可视化的实现了设备间的网络拓扑结构，动态监测设备故障并加以警示，为设备故障定位分析提供了快速和准确的方法。最后通过故障数据的统计与分析给出修改故障隐患的建议，实现事故的预防，完善应急机制。
2.软件总体设计
2.1需求分析
电力监控系统设备故障定位软件主要需要以下三大功能：
1、数据处理和分析
设计一套专用的变电站电力监控系统安全防护系统拓扑关系存储机制，能将各变电站电力监控系统安全防护系统关系图及其相应连接关系数字化，并以常用的XML或者JSON数据格式对相关数据进行存储管理，可以很方便进行扩展，支持数据导入导出。同时记录每次故障数据信息，并给出相应的分析统计数据，预防故障再次发生。
2、自动监测
软件需要实现一种监测各变电站电力监控系统安全防护设备现状的功能，采用面向无连接的ICMP协议，能够快速的对各变电站电力监控系统安全防护设备自动检测，并能得到相应的传输出差报告。软件还提供即时查询特定变电站功能，可以针对特殊情况进行处理。在自动监测过程中遇到故障需要即时告警，以告知用户。
3、可视化交互模块。
充分利用Qt编程技术实现界面友好、可交互性强系统。采用MVC系统架构，数据与视图分离，实现相应设计模型，提供系统可扩展性。用户可以选择查询各个变电站电力监控系统安全防护网络，系统采用计算机拓扑学图形算法，实现高效的路径智能检索和定位，给出相应的网络拓扑结构图，并对故障进行高亮显示。用户也可以通过交互模块进行变电站和相应数据的添加，后台有一套数据处理模块。
2.2系统架构
根据软件实现的需求分析，整个系统是由三个模块组成，我们需要将其整合在一起，以完成我们的电力监控系统设备故障定位软件。我们采取经典可靠的MVC结构，整个系统架构如图1所示：
图1 系统架构图
3关键模块的实现
3.1数据处理与分析
电力监控系统设备故障定位软件主要处理的是各个变电站的设备。根据电力系统二次安全防护工作要求，应做到安全分析、网络专用、横向隔离、纵向认证的原则。基于此，我们主要处理的设备主要有交换机、纵向防火墙、控制交换机、主机等[3]。我们采用常用的Excel表对设备相关信息进行保存，主要为设备ip信息。然后我们通过软件对这些数据进行批量读写，提高软件的工作效率。其类图如图2中ExcelReader所示，实现了各个变电站设备信息的文件读写相关处理，然后通过QT图形库实现的可视化模块对处理后的设备信息进行显示。
对电力监控系统设备进行故障定位，我们可以对这些故障信息进行保存，并通过数据分析手段进行故障数据的统计，对高危故障地区或易故障通信设备进行分析标记，以实现事故的预防，进一步完善应急机制。其类图如图2中LogAnalyze所示，主要实现是在检测和定位设备故障过程中的信息记录成日志文件，然后在需要时对这些故障数据进行统计分析，给出相应的故障情况分析统计报告，使得工作人员能够及时发现问题隐患。
图2 数据读写与分析类图
3.2可视化实现
在实现了数据读写的模块后，我们需要将这些数据进行可视化，这也是此软件重要的工作部分。我们将变电站的各类通信设备抽象为设备图元NetworkItem，各个设备图元通过图元Edge进行连接。我们使用了QT图形库对相关可视化进行实现，并增加了交互操作。
NetworkItem继承于QGraphicsPixmapItem父类，QGraphicsPixmapItem[4]定义了图元显示和可交互接口，我们通过重写这些接口实现了图元的显示，鼠标点击和拖拽功能等可交互功能。每个NetworkItem存储着设备信息和对应的连接EdgeItem。EdgeItem继承的基类QGraphicsItem是视图框架的一部分，是在一个场景中最基本的图形类，它为绘制你自己的item提供了一个轻量化的窗口，包括声明item的位置，碰撞检测，绘制重载和item之间的相互作用通过事件进行处理。我们通过bondingRect（）函数对连接各设备图元位置进行更新，以保持拖拽时的连接性。
我们将一个变电站的各个连接设备绘制在一个NetworkView当中，并增加自动或手动检测此变电站网络拓扑连接性的功能，其检测与定位实现在后面会给出详细说明。在主界面，我们通过NewtorkWidget类实现各个地区的变电站的列表显示，每个地区有着不同的变电站，主要分为二大类设备拓扑连接结构，我们在数据导入时对其进行标记处理。整个可视化图形结构实现如图3所示：
图3 可视化结构类图
3.3故障检测与定位
上面介绍了软件可视化部分，而故障检测和定位也是电力监控系统设备故障定位软件的另一重要组成部分，其也可以看作是可视化界面交互操作的内部实现。我们对软件中的故障检测与定位采取了自动和手动两种模式，通过Schedule类制定相应的自动检测计划，对地区变电站设备进行扫描，然后给出相应的结果。同时，我们也可以根据工作的需要手动的对特定的变电站设备网络拓扑进行检测，以排除实际情况下出现的网络通信问题，以达到及时发现问题并加以处理，体现了软件的灵活性。
故障检测与定位模块主要实现了Schedule类和Detect类。我们采用ICMP[5]协议对网络拓扑进行检测。ICMP是一种面向无连接的Internet控制报文协议，用于传输出错报告控制信息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。其检测伪代码如表1所示。为了加快检测速度，我们继承QThread线程类，采用多线程方法对网络拓扑中多个设备并发进行检测，主要注意的是线程之间的相关性处理。通过检测的结果我们可以对相应的可视化进行高亮标记，以便工作人员更好的定位故障的出处。
表 1 故障检测与定位伪代码
故障检测与定位伪代码：
detectNetwork（Qstring substation）{
PingProcess ping（substaion）； //初始化ping线程类
foreach（View）{ //遍历变电站网络拓扑中所有设备进行检测
if（ping.sucess（））{
//set the connect edge to green
}else {
//set the connect edge to red //对故障路段进行红色警告
log.save（information）；
}
}
}
4.实验结果
图中给出选中变电站的设备网络拓扑关系图，这是电力监控系统设备故障定位软件的核心功能，我们可以通过自动或手动的对这些设备进行检测和故障排除，如果网络链路都可达，则高亮绿色显示，如果不可达会显示故障路段，使得工作人员快速定位故障位置，及时修复问题，避免造成更大的问题。
图3 设备拓扑网络
5.总结
本文以电力监控系统设备网络管理存在的问题作为切入点，深入分析了电力监控系统设备故障定位软件的设计与实现。软件采用Excel表进行数据的预处理与导入，使用QT相关图形库对各个变电站设备进行展示，提高可视化管理。对设备采取实时监控，并能按要求进行相应的故障检测和定位，极大的提高了工作效率。对于故障网络可查看和操作对应的网络拓扑关系图，及时改正错误，保证电力监控系统设备的正常运行。最后，通过故障数据的统计与分析，给出故障预防的建议，完善安全管理。
参考文献：
[1]李卫. 配电网故障自动定位系统研究及应用 [M].中国电力出版社. 2011.
[2]罗丽娟. 电力设备的远程监控与故障诊断系统探析 [J].动力与电气工程. 2017.18.059
[3]国家电力监管文员会办公厅. 电力二次系统安全防护规定 [J]2005.
[4]Jasmin B，Mark S著. C++ GUI Qt4编程[M].闫锋欣，曾泉人，等译.第2版. 北京：电子工业出版社，2013：138-150
[5]Andrew S.Tanenbaum David J.Wetherall. 计算机网络[M] 严伟 潘爱民译.第5版.清华大学出版社，2012.3
论文作者:王全文,谢彬凌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/5
标签：故障论文; 设备论文; 变电站论文; 监控系统论文; 电力论文; 拓扑论文; 软件论文; 《电力设备》2018年第22期论文;