趙 俊，蔡勛偉，馬 叢，馬龍剛

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南長沙 410004）

電力系統(tǒng)中泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有全面的感知狀態(tài)和有效的信息處理能力[1]。就電力系統(tǒng)而言，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將極大地改善配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的整體感知，滿足用戶多樣化的需求。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展以及與電網(wǎng)融合的研究目前還處于探索階段，還有很多問題需要解決，普遍存在計量覆蓋率低、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不靈活、配電網(wǎng)設(shè)備規(guī)模大、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、能源供應(yīng)不均衡、負(fù)荷容量變化大、用戶需求與服務(wù)能力不足等問題。文獻(xiàn)[2]考慮到電力信息物理系統(tǒng)的安全，面向協(xié)同信息攻擊，提出一種ECPS 風(fēng)險評估及防御資源分配方法，從攻防博弈角度，在分析信息攻擊防御措施的基礎(chǔ)上，提出了協(xié)同信息攻擊的概率表達(dá)，同時給出了ECPS 風(fēng)險計算公式，然后綜合考慮信息攻擊的成功率與破壞程度進(jìn)行有限防御資源分配優(yōu)化，為并網(wǎng)工作的順利開展提供一定的技術(shù)支撐。文獻(xiàn)[3]按不同電壓等級、不同容量，歸納了接入系統(tǒng)的方法，結(jié)合工程設(shè)計的實際需求與就地消納、多點接入的特點，設(shè)計并優(yōu)化接入典型方案，為電力系統(tǒng)自動化帶來了較大的便捷。文獻(xiàn)[4]為降低電力工作人員的壓力和負(fù)擔(dān)，在電力系統(tǒng)自動化使用中進(jìn)行全面的研究和分析，并在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，有效提高了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

基于已有的研究成果，文中對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念、體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)，爭取為今后的研究提供一定的參考價值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

通過建立遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)挖掘為基礎(chǔ)，結(jié)合電力系統(tǒng)自動化技術(shù)、信息技術(shù)和計算機(jī)編程技術(shù)，充分利用電力系統(tǒng)的運(yùn)行信息和電網(wǎng)設(shè)備的生產(chǎn)管理知識[5-7]，為區(qū)域電網(wǎng)和變電站提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障。

對變電站信息流/信息源、一次/二次系統(tǒng)信息綜合格式以及專家知識/程序進(jìn)行深入挖掘后，將搜索引擎工具與數(shù)據(jù)庫管理工具相結(jié)合[8]，將傳統(tǒng)的搜索引擎轉(zhuǎn)變?yōu)樽ト【W(wǎng)頁、處理網(wǎng)頁、提供檢索服務(wù)，負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)專業(yè)數(shù)據(jù)搜索引擎系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)工作，從而確保在運(yùn)營信息數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)時，實現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化服務(wù)信息智能挖掘[9]。

系統(tǒng)總體架構(gòu)主要分為原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)表現(xiàn)層，如圖1所示。

通過對變電站的運(yùn)行信息進(jìn)行查詢和統(tǒng)計，從而使變電站管理和運(yùn)行人員能夠方便地獲得所需要的信息，特別是可以對具體的報警信息進(jìn)行統(tǒng)計[10]。

圖1 泛數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則理論，從大量數(shù)據(jù)中提取強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，以達(dá)到最小置信閾值。文中結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制人員的操作經(jīng)驗，對提取結(jié)果進(jìn)行比較和修正，以此為基礎(chǔ)建立專家知識系統(tǒng)[11]。應(yīng)用專家知識系統(tǒng)識別出電網(wǎng)運(yùn)行中的故障特征信息，幫助電網(wǎng)操作員獲得服務(wù)信息和可能的故障原因[12]。

為實現(xiàn)該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了主要的技術(shù)框架，主要分為原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)表現(xiàn)5 大部分。

原來的數(shù)據(jù)采集主要是把變電站的報警監(jiān)控數(shù)據(jù)以一定的方式采集到一個固定的物理環(huán)境中，而數(shù)據(jù)提取的本質(zhì)是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、去噪和填充，因此要在數(shù)據(jù)抽取精化之后，將數(shù)據(jù)倉庫轉(zhuǎn)移到調(diào)度中心數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行備份和分區(qū)。數(shù)據(jù)挖掘?qū)又饕▽＜覕?shù)據(jù)庫、規(guī)則查詢和歷史故障數(shù)；資料顯示層主要包括基本資料查詢及統(tǒng)計分析功能[13]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)硬件由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層4 大部分組成，逐層深入，由感知層感知信息，網(wǎng)絡(luò)層和平臺層負(fù)責(zé)處理信息，從而實現(xiàn)數(shù)字化服務(wù)信息的深入挖掘。

2.1 感知層結(jié)構(gòu)設(shè)計

感知層的主要功能是通過各種滲透傳感器設(shè)備實現(xiàn)全感知。感知層設(shè)備包括初級系統(tǒng)電壓、電流互感器、次級系統(tǒng)安培計、集中器以及用戶端各種智能電器[14]。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)感知、控制決策單元，對電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，使電網(wǎng)能夠同時面對斷續(xù)的新能源電網(wǎng)連接、隨機(jī)負(fù)荷開關(guān)、時空聚集效應(yīng)[15]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

按照安全級別和數(shù)據(jù)類型，網(wǎng)絡(luò)層分為內(nèi)部私有網(wǎng)絡(luò)和外部互聯(lián)網(wǎng)，可根據(jù)實際工況、傳輸距離、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性等靈活選擇具體的通信方式，包括移動架空網(wǎng)絡(luò)、傳統(tǒng)因特網(wǎng)、短距離無線傳輸、短距離有線傳輸?shù)?，網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

用戶端應(yīng)用層平臺和內(nèi)部網(wǎng)需要進(jìn)行中間件協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、安全保護(hù)等操作[16-26]。

2.3 平臺層設(shè)計

平臺層統(tǒng)一存儲和管理大量電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、用戶側(cè)能耗數(shù)據(jù)等能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它的作用在于解決傳統(tǒng)能源生產(chǎn)運(yùn)行模式下信息存儲的碎片化，打破信息孤島，實現(xiàn)信息的互聯(lián)共享。在高層數(shù)據(jù)存儲和分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，為電力系統(tǒng)提供跨域共享數(shù)據(jù)資源，同時開發(fā)各種先進(jìn)的電力數(shù)據(jù)應(yīng)用。

2.4 應(yīng)用層設(shè)計

在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用層是集成化、平臺化、共享化的表征。它以大量的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和用戶側(cè)能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為電網(wǎng)運(yùn)行業(yè)務(wù)、用戶能耗業(yè)務(wù)和能源系統(tǒng)集成運(yùn)營業(yè)務(wù)構(gòu)建多種目標(biāo)明確的應(yīng)用平臺，實現(xiàn)對系統(tǒng)的感知和交互。應(yīng)用層電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 應(yīng)用層電路結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為更好地服務(wù)用戶，指導(dǎo)用戶合理使用能源，增加用戶參與分配網(wǎng)絡(luò)的深度和廣度，文中設(shè)計了閉環(huán)優(yōu)化分配網(wǎng)絡(luò)中的操作技術(shù)，集成了電力物聯(lián)網(wǎng)和深度分配系統(tǒng)，并通過發(fā)展個性化能源使用服務(wù)，調(diào)動用戶積極參與分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化操作。

根據(jù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)硬件，設(shè)計軟件流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

挖掘系統(tǒng)工作步驟具體如下：

1）對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，由于數(shù)據(jù)受到電壓、脈沖等干擾，所以會存在干擾信號，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一編碼，將數(shù)據(jù)映射成黑白二值圖像。

2）分析不同數(shù)字化服務(wù)信息數(shù)據(jù)的擾動圖像特性，根據(jù)黑白二值圖像映射波形，確定質(zhì)量擾動結(jié)果。

3）通過數(shù)據(jù)挖掘計算數(shù)據(jù)源之間的臨近距離，設(shè)圖像中的黑色像素共有N個，則鄰近像素的距離計算公式為：

其中，(xi,yi)表示第i個像素的坐標(biāo)值，(xj,yj)表示第j個像素的坐標(biāo)值，I則代表像素i和像素j之間的距離。

4）計算挖掘信息的載體分量相似度，根據(jù)正弦原理，得出一個足夠小的值，則有：

其中，ε為得到的足夠小的數(shù)值。

5）挖掘數(shù)字化服務(wù)信息的平均幅值，計算公式為：

其中，M為挖掘到的平均幅值，n為挖掘次數(shù)。

6）根據(jù)數(shù)字化服務(wù)信息的平均幅值提取數(shù)字化服務(wù)信息特征，實現(xiàn)挖掘。

4 實驗研究

為精準(zhǔn)評估文中泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)設(shè)計的信息資源挖掘性能，設(shè)置相應(yīng)的實驗環(huán)境進(jìn)行性能檢驗，將文中泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)設(shè)計的效果與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的設(shè)計效果進(jìn)行實驗對比。

針對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)研究的困難性以及數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘的操作復(fù)雜性，需對其實驗環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，根據(jù)挖掘信息的前提分析挖掘資源的存儲位置，研究電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)問題，并進(jìn)行如下步驟的實驗操作：

1）集中信息資源采集區(qū)域，劃定一定的采集范圍，并確定數(shù)據(jù)收集時間在系統(tǒng)操作范圍內(nèi)，配置電路圖，檢測各線路的電壓及電量數(shù)值。

2）集中采集36 條電力支線，每隔15 分鐘進(jìn)行一次資源信息挖掘，在挖掘過程中，注意排除故障電氣量的干擾，確保挖掘數(shù)據(jù)的純潔度，并設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)，如表1 所示。

3）交叉檢驗資源信息挖掘數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，獲取對比結(jié)果。

圖5 和圖6 分別顯示出在實驗參數(shù)條件下，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)設(shè)計與其他方法的檢測挖掘準(zhǔn)確率及挖掘所需時間對比圖。

根據(jù)圖5、6 可知，文獻(xiàn)[2]檢測挖掘準(zhǔn)確率較高，而挖掘所需時間較長；文獻(xiàn)[3]設(shè)計挖掘所需時間較短，但檢測挖掘準(zhǔn)確率較低。而該文泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)設(shè)計的檢測挖掘時間均短于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計，檢測挖掘準(zhǔn)確率均高于其他兩種傳統(tǒng)設(shè)計。

表1 實驗參數(shù)

圖5 檢測挖掘準(zhǔn)確率對比圖

圖6 挖掘所需時間對比圖

5 結(jié)束語

國內(nèi)泛在電源物聯(lián)網(wǎng)的實施還處于起步階段，設(shè)計泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)字化服務(wù)信息資源挖掘系統(tǒng)對于開發(fā)先進(jìn)的應(yīng)用服務(wù)有重要意義。文中設(shè)計的系統(tǒng)從硬件和軟件上進(jìn)行了優(yōu)化處理，通過調(diào)整挖掘信息狀態(tài)，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)操作，完整劃分內(nèi)部存儲空間，促使各挖掘數(shù)據(jù)能夠得到更好的開發(fā)，為后續(xù)的數(shù)字服務(wù)信息資源開發(fā)提供了參考。