葉 華，王國(guó)平，趙 川，王珍意，趙 瑩

(云南電力調(diào)度控制中心, 云南 昆明 650217)

電網(wǎng)工作機(jī)房日常調(diào)度值班工作繁重復(fù)雜，要求高、專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)難度大。當(dāng)前企業(yè)精益化管理要求在逐步提升，電廠和變電站等電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)不斷變化，電力應(yīng)用系統(tǒng)持續(xù)增加和擴(kuò)展，自動(dòng)化日常值班工作、新系統(tǒng)的投入以及突發(fā)事故處理工作量和難度直線升高，而面對(duì)這些系列問題的值班人員對(duì)問題的處理能力存在較為明顯的局限性[1-3]。主要是因?yàn)閼?yīng)用在電網(wǎng)機(jī)房區(qū)域的監(jiān)管系統(tǒng)性能差，盡管有相關(guān)值班人員長(zhǎng)期值守，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)防處理，但效率低、效果差，而且還造成人員的浪費(fèi)。為此，輔助值班系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[4]。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法是計(jì)算機(jī)模擬人類學(xué)習(xí)活動(dòng)，獲得新知識(shí)和技能的一種算法，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。本文建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互電網(wǎng)機(jī)房輔助值班系統(tǒng)，可以有效監(jiān)控管轄區(qū)域內(nèi)的電力調(diào)度，最大限度節(jié)省人力資源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有人機(jī)交互界面，為系統(tǒng)管理人員提供直觀的可視化信息，將人和機(jī)器的優(yōu)勢(shì)有效結(jié)合，及時(shí)處理出現(xiàn)的各種問題。

1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互值班輔助系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

人機(jī)交互值班輔助系統(tǒng)最重要的功能就是電網(wǎng)巡檢。一般而言，電網(wǎng)巡檢包括日常規(guī)定動(dòng)作下的自動(dòng)巡檢和異常報(bào)告處理兩種模式。自動(dòng)巡檢需要對(duì)機(jī)房服務(wù)器硬件等設(shè)施進(jìn)行24 h的在線巡檢，一旦遇到異常情況，可以直接發(fā)起告警流程，由人工參與后續(xù)流程處理。流程為：在異常情況發(fā)生初期，系統(tǒng)上行會(huì)連接所在區(qū)域負(fù)責(zé)的人員，下行連接獨(dú)立報(bào)警終端，若報(bào)警信息被判定為異常信息，系統(tǒng)會(huì)通過語音、短信、推送消息等方式自動(dòng)發(fā)送實(shí)際情況至智慧監(jiān)控中心，不僅可以使機(jī)房管理人員在第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行及時(shí)救援，還可以有效協(xié)助相關(guān)人員了解故障情況，以保障系統(tǒng)安全有效地運(yùn)行[8]。

1.1.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集器、NB-IoT模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)器、用戶終端等共同構(gòu)成了如圖1所示的系統(tǒng)硬件架構(gòu)。系統(tǒng)通過布設(shè)于不同區(qū)域的數(shù)據(jù)采集器采集系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，若采集的電力調(diào)度數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，數(shù)據(jù)會(huì)傳輸至系統(tǒng)處理單元，生成報(bào)警信息，從而引起值班人員注意。NB-IoT模塊在數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)絡(luò)接口處設(shè)置NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片，從而將數(shù)據(jù)采集器與基站進(jìn)行連接，以此實(shí)現(xiàn)基站與數(shù)據(jù)采集器間的數(shù)據(jù)傳輸，將IoT相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳至IoT平臺(tái)進(jìn)行集中處理。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)IoT平臺(tái)上的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)器，依據(jù)對(duì)象的不同需求進(jìn)一步處理[9]。用戶終端包括人機(jī)交互界面、報(bào)警裝置以及智慧信息監(jiān)控中心的顯示系統(tǒng)。用戶終端可利用報(bào)警系統(tǒng)主動(dòng)獲取或被動(dòng)接收服務(wù)器發(fā)送的警告信息或指導(dǎo)操作信息，并利用手機(jī)APP以及終端顯示系統(tǒng)等人機(jī)交互界面可視化展示有關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)應(yīng)滿足以下原則與要求：

1)軟件可用原則。軟件除滿足各功能模塊的要求外，還應(yīng)滿足以下可用性要求：軟件年可用率不小于99.95%；軟件運(yùn)行壽命大于8 a；可以通過人工驗(yàn)證的方式對(duì)軟件計(jì)算結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2)軟件可靠性原則。軟件應(yīng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，在值班設(shè)備無硬件故障和非人工干預(yù)的情況下，軟件不應(yīng)自動(dòng)退出或卡死。軟件MTBF>17 000 h。

3)軟件實(shí)時(shí)性原則。符合《南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)(OS2)省級(jí)主站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)指南》要求。

4)軟件安全性要求。軟件部署及運(yùn)行時(shí)，不對(duì)OCS(online charging system)產(chǎn)生影響；軟件能通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，獲取OCS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

智慧感知層、傳輸通信層、IoT平臺(tái)核心網(wǎng)、物聯(lián)云平臺(tái)以及應(yīng)用服務(wù)層等共同組成了系統(tǒng)的軟件，如圖2所示。系統(tǒng)底層為智慧感知層，主要包括傳感器、低功率器件、電源裝置等基礎(chǔ)單元。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

傳輸通信層建立在智慧感知層之上，用于采集、傳輸、控制智慧感知層中傳感器裝置被觸發(fā)后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)傳感器與基站或外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸[10]。

IoT平臺(tái)核心網(wǎng)可與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)建立有效通信鏈接，其具有成本低、可靠性高、安全性高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)NB-IoT數(shù)據(jù)的有效接入、存儲(chǔ)以及加工，同時(shí)提供對(duì)外推送數(shù)據(jù)的接口。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供多種功能界面，如設(shè)備管理監(jiān)控、設(shè)備檢測(cè)、預(yù)警處理等。

應(yīng)用服務(wù)層為系統(tǒng)的最頂層，利用可視化人機(jī)交互界面展示物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的各項(xiàng)功能和操作，同時(shí)提供設(shè)備監(jiān)控、報(bào)警監(jiān)控、輔助值班監(jiān)控等應(yīng)用功能。

1.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

采用組合機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)系統(tǒng)用戶終端的報(bào)警模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力調(diào)度信息的判斷。由于單個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在進(jìn)行非同種樣本訓(xùn)練時(shí)存在較大誤差的弊端，因此采用支持向量機(jī)(SVM)算法和K-means算法相結(jié)合的組合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警信息檢測(cè)，以便最大限度減少誤差[11-12]。支持向量機(jī)算法是一種分類算法，即使數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量較少，也有較好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)效果且魯棒性較好；而K-means算法具備易于理解、運(yùn)行簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其迭代優(yōu)化功能可有效克服小樣本的隨機(jī)性，降低時(shí)間復(fù)雜度。將二者有效結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電力調(diào)度異常報(bào)警信息檢測(cè)[13]。

1.3 人機(jī)交互界面

1.3.1設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)用戶端通過人機(jī)交互界面直觀、快速展現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，為了給管理人員提供友好、簡(jiǎn)單、操作方便的人機(jī)交互界面，其設(shè)計(jì)需遵循以下原則：

1)簡(jiǎn)潔性。人機(jī)交互界面的菜單欄應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔大方，選擇用戶較為熟悉的專業(yè)術(shù)語，遵循重要程度由前到后的順序排列工具條中的按鈕，圖標(biāo)進(jìn)行形象化處理，通過圖標(biāo)便可直觀展現(xiàn)其能夠?qū)崿F(xiàn)的操作，不常用的菜單欄應(yīng)設(shè)為動(dòng)態(tài)隱藏，呈現(xiàn)出整體簡(jiǎn)潔的操作界面[14]。

2)一致性。系統(tǒng)采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的圖像用戶界面，且操作風(fēng)格、顯示界面、圖形含義、用戶接口標(biāo)準(zhǔn)等均需保持一致，降低用戶以及管理人員的學(xué)習(xí)成本。此外顏色定義也需相同，如紅色表示運(yùn)行，綠色表示停止，黃色表示故障，背景則采用暗灰色等等。

3)報(bào)警表示與處理。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到報(bào)警信息時(shí)，用戶或管理人員可通過人機(jī)交互界面的色彩閃爍以及聲音警報(bào)等多種方式獲取報(bào)警信息，并及時(shí)通知相關(guān)人員作出相應(yīng)處理。同時(shí)人機(jī)交互界面還支持事件的分層處理功能，若同時(shí)產(chǎn)生多處報(bào)警提示，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)采集到的報(bào)警信息按照事件的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行關(guān)鍵報(bào)警信息處理[15]。

4) 安全性。在登錄、退出系統(tǒng)以及執(zhí)行關(guān)鍵動(dòng)作時(shí)，為保障相關(guān)操作的安全性，需進(jìn)行相應(yīng)的身份驗(yàn)證和信息確認(rèn)提示，以避免誤操作,并且后臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)記錄操作人員的操作信息，如操作員名字、操作內(nèi)容、操作時(shí)間等等，以保障清晰的責(zé)任制度。

1.3.2人機(jī)交互接口

設(shè)計(jì)支持鼠標(biāo)與鍵盤雙重操作方式的人機(jī)交互接口，并依照用戶習(xí)慣以及數(shù)據(jù)輸入的前后關(guān)系明確控件焦點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)順序。若某項(xiàng)操作需要較長(zhǎng)處理時(shí)間，則需要有明確的正在操作中的提示信息，以確保系統(tǒng)運(yùn)行正常。采用8條TTL觸發(fā)線進(jìn)行系統(tǒng)人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)，人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文構(gòu)建系統(tǒng)的性能，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某電網(wǎng)機(jī)房監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)該機(jī)房管轄區(qū)域?qū)嵤╇娏φ{(diào)度信息監(jiān)控預(yù)警。布設(shè)于電網(wǎng)機(jī)房監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的信息采集器采集到2 500組有效數(shù)據(jù)，分成5個(gè)測(cè)試集，測(cè)試集1～測(cè)試集5中包含的數(shù)據(jù)量分別為100,300,500,700,900組。選擇基于支持向量機(jī)算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)和基于K-means算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)為對(duì)比系統(tǒng)，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。選擇檢測(cè)率(DR)、準(zhǔn)確率(ACC)以及誤報(bào)率(FAR)作為系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)。檢測(cè)率DR是指正確檢測(cè)到的報(bào)警信息數(shù)量與總信息數(shù)量的比值，檢測(cè)率大小與隨機(jī)誤差具有相關(guān)性，檢測(cè)率值越大表明系統(tǒng)報(bào)警精度越高，表達(dá)式如下：

(1)

式中：TP為報(bào)警信息被正確檢測(cè)的概率；FN為報(bào)警信息被檢測(cè)為非報(bào)警信息的概率。

準(zhǔn)確率ACC是用于描述非報(bào)警信息和報(bào)警信息分別被正常檢測(cè)的數(shù)量與總數(shù)據(jù)數(shù)量的比值，準(zhǔn)確率越高表明系統(tǒng)電力調(diào)度異常信息報(bào)警精度越高，其表達(dá)式為：

(2)

式中：TN為非報(bào)警信息被正確檢測(cè)的概率；FP為非報(bào)警信息被檢測(cè)為報(bào)警信息的概率。

誤報(bào)率FAR為非報(bào)警信息被檢測(cè)為報(bào)警信息的數(shù)量與總數(shù)據(jù)量的比值，誤報(bào)率越低，系統(tǒng)性能越好，誤報(bào)率的表達(dá)式如下：

(3)

3種系統(tǒng)的檢測(cè)率對(duì)比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，本文系統(tǒng)的報(bào)警信息檢測(cè)率最高，均值可達(dá)98.5%，而基于支持向量機(jī)算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)(基于SVM的值班系統(tǒng))和基于K-means算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)(基于K-means的值班系統(tǒng))的檢測(cè)率均值分別為86.4%和92.3%。對(duì)比系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量增加的情況下檢測(cè)率呈逐漸上升的趨勢(shì)，而本文系統(tǒng)即使在數(shù)據(jù)量較小的情況下依舊具備較高的報(bào)警信息檢測(cè)率。綜上可知，本文系統(tǒng)電力調(diào)度異常信息報(bào)警檢測(cè)率較高，性能較好。

圖4 3種系統(tǒng)的檢測(cè)率對(duì)比結(jié)果

3種系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率和誤報(bào)率對(duì)比結(jié)果見表1。從表1中可以看出，隨著數(shù)據(jù)量的增加，3種系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率均有所上升，其中本文系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率均值高達(dá)98.08%，而兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率均值分別為76.82%和89.3%，均小于本文系統(tǒng)；3種系統(tǒng)的檢測(cè)誤報(bào)率均呈下降趨勢(shì)，本文系統(tǒng)的檢測(cè)誤報(bào)率均值僅為2.682%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)比系統(tǒng)的7.314%和5.630%。綜上可知，本文系統(tǒng)的電力調(diào)度異常信息報(bào)警準(zhǔn)確率較高,誤報(bào)率較低，系統(tǒng)實(shí)用性更強(qiáng)。

表1 3種系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確率和誤報(bào)率對(duì)比 %

3 結(jié)束語

提升電力調(diào)度自動(dòng)化值班智能輔助水平可以提高電力調(diào)度異常信息檢測(cè)準(zhǔn)確率，降低誤報(bào)率。為此，本文構(gòu)建了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互輔助值班系統(tǒng)，運(yùn)用組合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度異常信息報(bào)警檢測(cè)，并從系統(tǒng)檢測(cè)率、準(zhǔn)確率和誤檢率3個(gè)方面驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的良好應(yīng)用性。系統(tǒng)可通過人機(jī)交互界面呈現(xiàn)報(bào)警信息，在輔助值班領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。