水电数据中心系统的事故反演方法
常夏勤，徐 丹，刘德贺
（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 210000）
随着大型水电站建设的快速发展，站内设备巡视与维护任务急剧加大。水电数据中心系统通过接入各类业务系统设备的实时运行数据，构建统一的状态实时监视中心，盘活数据价值，为设备状态诊断及检修提供高效可靠的数据支撑。系统关键信息通过移动APP、短信、邮件等多种方式推送到各级管理部门，对运维人员提高维护效率、降低运维成本，保障水电站运行稳定性和可靠性有重大意义。
水电数据中心系统能够对机组等设备的实时运行状态进行在线监视，但是对设备各项历史运行指标提取，进行事故反演，开展设备综合运行分析同样重要[1-3]。基于反演结果的设备状态评估、风险预警等结论进行人工干预，以校正系统自动判断结果，提高系统决策的准确性与可信性。
大多数水电数据中心系统不具备事故反演功能或是功能薄弱，一般仅能记录事故时刻前后一段时间内特定类型的实时稳态信息，这种方法在事故追溯的时间选择上缺乏连续性，信息匮乏，缺少真实操作场景模拟；
水电站升级改造或者二次建设会导致网络结构改变，反演如果采用最新的水电站模型及图形，无法与事故发生时刻的断面数据与模型相匹配；
运维人员希望不对设备实际操作，通过事故反演来提供一个模拟仿真的场景进行培训学习[4，5]。本文提出了一种基于时间序列数据库的多态事故反演方法，时间序列数据库满足了采集数据的高速连续存储，多态满足了不同场景下的用户事故反演需求。
系统采用自主研发的PCS-9000 时间序列数据库用于过程数据的采集和分析，能够长期存储水电站的监控数据，满足用户快速、高效地进行数据采集、存储和查询的需求，架构如图1 所示。
图1 时序数据库架构
时间序列数据库包括客户端服务、网络中间件、业务逻辑层、数据访问层等模块。网络中间件采用了Router/Dealer 模式，为客户端和服务端之间的报文转发、确认、重连、心跳等提供了统一机制。业务逻辑层包括数据查询服务、数据存储服务、统计计算服务以及相应缓存模块。数据访问层负责数据的压缩存储、数据块定位和解压、磁盘文件及句柄管理。
时间序列数据库最基本的概念是点，任何可测量的设备属性都可以被定义为点。每个点的每条数据记录由编码（ptID）、时标（timestamp）、值（value）和质量码（flag）等四部分组成，如图2 所示。编码由4字节无符号整数表示；
时标由8 字节整数表示，根据不同数据精度要求可以精确到s 或者ms；
数据值由单精度浮点数或者有符号整数的联合结构体（4 字节）表示；
质量码由4 字节有符号整数表示。
图2 时间序列数据库数据记录构成
历史应用的实时库负责发起时序点的验证和存储，步骤如下：
（1）遍历时序服务器已存储的所有时序点，查找是否存在同名量测，如果hyscada 的实时量测路径不完全相同，则插入新量测对象，量测状态设置为启用，时间为当前时间。
（2）假设存在同名量测的时序点，如果量测之前是无效状态，则更新该量测状态为启用，刷新状态时间，若量测关联的服务器信息、ptID 或者hyscada 映射对象oid 不一致，需要同步更新相关信息。
（3）遍历所有量测，对于不再需要存储的量测，置其状态为无效，并更新状态时间为当前时间。
生成时序点的量测会自动加入历史采样存储服务，历史应用采用多进程高并发来处理实时数据的存储，根据量测的特征分进程存储，提高存储效率，存储流程如图3 所示。
图3 数据提交
1）连接时序数据库服务集群。
2）每秒遍历进程负责范围内量测的值，如果hyscada 库中实时值对比上一秒发生变化则构建数据记录，加入缓存区，形成待提交数据。
3）如果缓冲区中达到设定的单次数据提交规模，则将待提交数据发送给时序数据服务集群，然后清空缓冲区的待提交数据。
为节约存储空间和提高查询效率，对于变化频率高的测点设置死区值deadzone 和死区时间deadsecs 进行压缩，将变化不显著的值剔除实现压缩。设当前确定存储的事件为snap，如果其后面到来的事件next 的时间戳与snap 的时间戳之差小于设定的死区时间deadsecs，且next 的值与snap 的值相比的变化率小于设定的死区值百分比deadzone，则丢弃该事件，否则将该事件设为当前确定存储的事件snap，与其前一个事件prev 一起进行存储。
在水电数据中心系统中，事故反演可以分为实时态、历史态、研究态等，它是在不同应用阶段及状态下建立的多形态水电站模型。
（1）实时态：水电数据中心系统当前实际运行的形态，具有唯一性。
（2）历史态：根据实际情况，在某个历史时刻创建的水电数据中心系统的运行形态，每个历史态的起止时间不相同，是不唯一的。
（3）研究态：出于用户专门的研究或者培训需要，水电数据中心系统可以随时创建的形态。与历史态一样，系统支持有很多个这样的态。
一般是基于当前实时态做一个基础镜像来创建其他形态，主要内容包括模型、图形、系统参数及采集数据等。创建好的形态数据是私有的，各个态下的应用程序独立运行，相互之间不受影响。
事故反演包括触发源、事故数据搜集存储服务及事故反演服务三大模块，如图4 所示。
图4 事故反演框架
事故反演基于时间序列数据库存储，具备全部采集数据的事故反演能力，可全方位记录水电站设备的事故状态，并能够真实、完整地反演事故过程。通过触发源触发事故数据搜集存储，事故前后反演时间段可以自由设置。
触发源有以下四种：
（1）任意事件或者是多个事件的逻辑运算结果。
（2）运维人员在画面上手动启动。
（3）应用模块发布相应的事故反演事件。
（4）多重触发，当前一个事故反演触发后，在设置时间内又再次发生事故反演，应该合并成同一次事故反演，存储记录时间相应延长。
事故数据搜集存储服务收到触发源事件时，根据指定的事故前后的反演时间段，会搜集hyscada模型、画面case、告警事件及事故前后时段内的历史采样时序数据，并通过文件服务器保存到文件存储上。在多态的情况下，所有数据最终会转存到相应形态的历史数据文件。
事故反演过程包括反演环境建立、反演操作工具、反演画面设计。
（1）反演环境建立
事故反演可以在系统内任意工作站进行，当用户选定反演起始时间和结束时间后，需要获得匹配起始时间的以下内容：
1）hyscada 数据库，包括模拟量、开关量、温度量、控制量等；
2）hyscada 量测oid 与时序数据库的ptID 的对应关系；
3）事故变位、soe 变位、遥测越限、人工启动等告警事件；
4）水电数据中心系统对应的历史模型、画面图形的历史版本。
事故反演应用检查在起始时间和结束时间范围内hyscada 数据库模型是否发生改变，如有需修改结束时间至改变前，后面作为一个新的反演过程。当发现用户选择的事故不属于当前形态时，反演应用会发出告警，确保用户在正确的形态下反演其涵盖的事故，保证事故数据与当时的水电站的模型和图形一致，真实地再现事故前后一段时间的水电站机组等设备运行状态。
（2）反演操作工具
1）反演包括单步和连续两种模式
单步模式：反演单步步长指示的秒数后暂停，等待按下开始键后再继续走一个单步步长；
连续模式：反演过程连续进行，直至人工干预。
在单步模式下反演的控制单位为步长，一个步长的时间单位为s。
2）人工置数改变反演速度
速度正值越大，则反演就越快，反之负值越大则速度越慢，最大和最小值存在上下限的限制。譬如用户设定单步步长为10 s，同时选择速度值为5，则一个单步步长实际所用时间为2 s；
对于连续方式亦是如此。
3）反演控制键
开始按钮（?）：开始反演；
暂停按钮（■）：暂停反演（停在当前时间点）；
停止按钮（■）：停止本次反演；
快进按钮（■）：点一次，前进单步步长所指示的秒数；
快退按钮（■）：点一次，后退单步步长所指示的秒数；
拖动条：可以任意拖动，前进或后退拖动条所显示比例的时间值，滑动控制条的起始位置和结束位置分别对应了用户设置的反演开始时间和结束时间，拖动滑动条时其分辨的精度为1 s 级。
4）反演切换
在反演过程中可以任意变换模式为单步或连续，由单步变为连续时，如是在暂停过程中，按开始键则反演继续。
（3）反演画面设计
演示可以通过反演信息显示列表中的厂站图或曲线等多种方式进行，反演过程中可进行动态网络拓扑着色，在一次接线图上动态显示网络结构的变化过程；
反演过程中的某个断面，可以进行水电站运行状态综合运行分析及培训仿真研究。
时间序列数据库满足了采集数据的高速连续存储，使得反演粒度方面达到秒级的全过程数据展现。多态则满足了不同场景下的用户事故反演需求，圆满解决了传统事故反演功能存在的弊端。该方法的事故反演和分析工具已经运用在多个水电数据中心系统中，为水电站的事故诊断与状态评价提供了全面的数据支撑和工具支持。通过工具逼真地再现事故发生时刻的工作场景，成功分析了多次事故，缩短故障处理时间，提升了运维的自动化水平和实用化程度。
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