國網(wǎng)浙江省電力有限公司瑞安市供電公司 周述慶 周健華 徐永強 王德勝 胡云皓 張理淳

現(xiàn)階段社會生產(chǎn)能力不斷提升，對電力等基礎能源的需求量明顯增多，再加之城市化等因素影響，使供電設備在當前運行中承擔著嚴重的過載壓力，成為影響供電服務水平的重要因素，容易造成電網(wǎng)運行不穩(wěn)定等情況。根據(jù)我國相關地區(qū)的經(jīng)驗可發(fā)現(xiàn)，在用電負荷高峰期，電力系統(tǒng)更容易發(fā)生配變電壓器容量不足的情況，該問題的發(fā)生會造成限電等問題，嚴重情況下，較大的負荷影響變壓器功能，產(chǎn)生不良影響。同時從經(jīng)濟效益角度來看，長期的過載狀態(tài)會對系統(tǒng)內(nèi)部相關重要部件的性能產(chǎn)生影響，是影響設備使用壽命、增加電力系統(tǒng)發(fā)生運行事件的重要危險因素[1]。

目前產(chǎn)業(yè)針對配變重過載情況治理的常規(guī)方法是事中監(jiān)控和事后處理。面臨的業(yè)務難題是這種治理方式相對被動，為了強化電網(wǎng)監(jiān)控效果往往需要投入大量資源，這是預防電網(wǎng)運行事件發(fā)生的重要組成部分。需注意的是，配電網(wǎng)的運行受到諸多因素影響，包括線路與設備自身的性能之外，環(huán)境、外部氣候、用戶使用行為等也會影響電力系統(tǒng)功能，其中的數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)變化的特征。

通過數(shù)據(jù)分析技術能對不同時間段的電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行檢測，根據(jù)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果來判斷可能出現(xiàn)的電力系統(tǒng)障礙問題。同時該技術可與電力企業(yè)的其他功能模塊之間實現(xiàn)交互，如利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果監(jiān)控電力系統(tǒng)部門的運行數(shù)據(jù)，并緊急處理系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的故障缺陷等。因此可認為，現(xiàn)階段電力信息系統(tǒng)可借助電力大數(shù)據(jù)的技術優(yōu)勢，不斷整合不同工況下電力系統(tǒng)的運行參數(shù)，并不斷挖掘電力系統(tǒng)的運行資料，最終有效預防風險，達到規(guī)避電力系統(tǒng)的故障缺陷的目標，這對于保證整個電力系統(tǒng)的運行性能具有重要意義[2]。

一方面，電力系統(tǒng)的運行過程會導致系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化，其中的數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)出多樣化變化態(tài)勢，易受到其他風險因素的影響，如居民的電器的使用習慣、氣候變化等，都會影響正常的電力系統(tǒng)負荷，且上述因素多產(chǎn)生的影響存在較大差異。為了能夠進一步提升電力系統(tǒng)管理效果，則需要工作人員能夠快速識別可能發(fā)生的電力系統(tǒng)運行故障問題，不僅要識別其他危險因素對電力系統(tǒng)的影響，也可借助權(quán)重分析的方法選擇影響較大的權(quán)重，并形成預測模型，最終保證負荷監(jiān)測結(jié)果科學、準確；另一方面，目前配電線路的負荷信息統(tǒng)計后不能直觀的進行展示或存在一定的滯后性，業(yè)務人員得到數(shù)據(jù)后不能及時的進行分析，導致重大事故的發(fā)生。

為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，緩解業(yè)務人員線路檢測壓力、解決線路負荷人工預測/預警準確性低和高延遲的問題，本文在綜合考慮了業(yè)務人員的實際需求及配電線路的負載數(shù)據(jù)特性后，充分利用電網(wǎng)多年信息化建設成果，基于變壓器的大量歷史負荷數(shù)據(jù)，采用機器學習方法對配電線路負荷進行預測，使用當前的熱門平臺搭建技術，搭建了一個可視、實時的線路負荷預警平臺系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于變壓器的歷史負荷數(shù)據(jù)，采用Prophet 序列分析方法對配電線路未來的負荷進行預測，采用SpringBoot 后端開發(fā)框架結(jié)合Vue 前端開發(fā)框架，搭建了一個網(wǎng)頁端的可視化實時的配電線路負荷預警信息化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

配電線路負荷預警系統(tǒng)是對區(qū)域各變壓器下配電線路負荷數(shù)據(jù)可視化的平臺。各變壓器下的配電線路會定期采集上傳到服務器中，服務器收集到配電線路數(shù)據(jù)后進行處理，然后持久化到My SQL 數(shù)據(jù)庫。對于需要經(jīng)常訪問的信息，即短期內(nèi)的配電線路負荷數(shù)據(jù)，可存儲到Redis 數(shù)據(jù)庫，以應對頻繁訪問與數(shù)據(jù)處理。

用戶通過在可視化網(wǎng)站點擊相應區(qū)域的變壓器信息發(fā)送請求，通過接口在數(shù)據(jù)庫中查詢到相關數(shù)據(jù)，再返回到網(wǎng)站綁定到相關元素節(jié)點上。對于部分數(shù)據(jù)設置自動刷新，時間間隔內(nèi)自動向后臺發(fā)送請求，刷新數(shù)據(jù)到網(wǎng)頁上。頁面展示變壓器下各配電線路歷史負荷數(shù)據(jù)和預測負荷數(shù)據(jù)，并展示該變壓器的運行狀態(tài)是否正常。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

本系統(tǒng)設計可分為5層：硬件層、數(shù)據(jù)層、組件層、業(yè)務層和應用層。

硬件層提供系統(tǒng)運行時所需要的硬件資源和軟件資源，包括變壓器的智能計量終端、網(wǎng)關傳輸設備和搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺所需要的云服務器等。

數(shù)據(jù)層的性能與電網(wǎng)控制系統(tǒng)功能有直接影響，其中涉及數(shù)據(jù)庫的設計和數(shù)據(jù)存儲，良好的數(shù)據(jù)層設計不僅能保證存儲空間的有效利用，還能提升數(shù)據(jù)庫的反應與相應速度，提升系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)需要處理和收集的信息包括：安裝在各變壓器下的智能測量終端傳輸?shù)皆破脚_的數(shù)據(jù)、預警模塊預測的數(shù)據(jù)、各變壓器和線路的基本信息、用戶的信息以及報警信息，服務器收到變壓器下各線路的數(shù)據(jù)后存儲起來，為下一步業(yè)務分析提供數(shù)據(jù)基礎。因此數(shù)據(jù)層能夠?qū)Σ煌碾娋W(wǎng)數(shù)據(jù)做分層，并借助當前數(shù)據(jù)庫來快速存儲電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，該技術可提供完整的數(shù)據(jù)存儲格式與支持方案，有良好的拓展功能。

組件層具有拓展系統(tǒng)功能的效果，可根據(jù)信息系統(tǒng)功能設定方案來拓展插件功能，將系統(tǒng)功能以插件的方式呈現(xiàn)，簡化用戶添加變壓器或線路信息的操作等，支持復雜情況下的系統(tǒng)功能拓展要求。

業(yè)務層處理系統(tǒng)具有多樣化的業(yè)務功能模塊，該技術的優(yōu)勢是能夠模塊化處理系統(tǒng)業(yè)務，根據(jù)模塊劃分結(jié)果形成不同的業(yè)務架構(gòu)，主要包括歷史負荷數(shù)據(jù)展示模塊、負荷數(shù)據(jù)預測模塊和設備智能管理模塊等。

應用層構(gòu)建系統(tǒng)的軟件平臺和web 網(wǎng)頁平臺，本系統(tǒng)搭建了一個基于web 的可視化變壓器下各線路歷史負荷和未來預測平臺，對變壓器所在區(qū)域地圖進行繪制，通過圖像展示變壓器的狀態(tài)和線路狀況，可給予使用者直觀的體驗，保證用戶服務體驗，提供友好的用戶界面對設備進行管控、合理的操作邏輯，且該系統(tǒng)能夠提供不同量級的系統(tǒng)支持平臺，具有極強的兼容性。

2.2 可視化網(wǎng)站

主要包括了各變壓器基本數(shù)據(jù)展示、變壓器下配電線路負荷數(shù)據(jù)信息展示、變壓器運行狀態(tài)展示模塊。

各變壓器基本數(shù)據(jù)展示模塊包括變壓器名稱、變壓器的地理位置、變壓器的基本運行狀態(tài)、變壓器的配電線路信息；變壓器下配電線路負荷數(shù)據(jù)展示模塊包括配電線路歷史負荷數(shù)據(jù)、配電線路實時運行負荷數(shù)據(jù)、配電線路預測負荷信息；變壓器運行狀態(tài)展示模塊包括：變壓器運行狀態(tài)圖片展示。

2.3 后臺管理網(wǎng)站

主要包括了用戶管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、設備管理模塊和預測模型管理模塊。用戶管理模塊包括用戶的增加、刪除、修改；配電線路負荷數(shù)據(jù)管理模塊包括配電線路負荷數(shù)據(jù)的增加、配電線路負荷數(shù)據(jù)的刪除、配電線路負荷數(shù)據(jù)的修改；設備管理模塊包括變壓器的增加、刪除、修改以及變壓器下的配電線路的增加、刪除、修改。

2.4 負荷預測模型

現(xiàn)階段在電力系統(tǒng)運行過程中，可借助多樣化的預測模型來判斷電力系統(tǒng)負荷，且相關技術手段在經(jīng)過不斷的改進后，其功能也得到進一步完善，目前較為常見的方法包括以回歸分析法、時間序列法等為代表的傳統(tǒng)算法，以及以神經(jīng)網(wǎng)絡法、專家系統(tǒng)法為代表的智能算法技術等。

本系統(tǒng)采用智能算法Prophet 基于配電線路歷史負荷數(shù)據(jù)對未來的負荷數(shù)據(jù)進行預測，進而判斷是否會導致變壓器超負荷運行，智能算法的可簡化傳統(tǒng)算法人工提取特征的步驟，將特征工程轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)工程。Prophet 算法是2017年臉書發(fā)布的開源時間序列預測算法，能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的長度捕捉不同時間維度的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，具有擬合速度快效果好的優(yōu)點，缺點是此方法沒有考慮如氣象、區(qū)域等其它因素對數(shù)據(jù)分布的影響[3]。對于本系統(tǒng)來說，輸入數(shù)據(jù)只有時間點和該時間點的電流值，并無額外的信息可使用，因此Prophet 方法與本系統(tǒng)有著很高的契合度。

首先對輸入的數(shù)據(jù)進行預處理，使得模型能夠接收該數(shù)據(jù)；其次通過歷史數(shù)據(jù)對模型進行擬合，將訓練好的模型嵌入到系統(tǒng)中，設置定時任務對傳入的負荷數(shù)據(jù)進行分析，將分析預測得到的數(shù)據(jù)傳入到前端進行展示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

前端項目部署。前端使用Vue.js 框架構(gòu)建，由于后端分成多個模塊，每個模塊都有不同的接口，所以前端請求全部發(fā)送到同一個端口9001，然后通過Nginx 請求轉(zhuǎn)發(fā)到對象模塊。配置好生產(chǎn)環(huán)境相關信息就可使用相關命令打包項目。只需要把打包好的文件放到服務器上即可運行。

后臺項目部署。后端項目全部使用Spring Boot 構(gòu)建，只需要使用Maven 的package 命令就可生成每個模塊對應的JAR 包，把JAR 包放到服務器上執(zhí)行命令即可運行后端項目。數(shù)據(jù)集成是建立在Hibernate 和Spring 的基礎上，Hibernate 是一個對JDBC 進行輕量級封裝的全自動ORM 框架，可有效提高數(shù)據(jù)層開發(fā)的效率，方便維護；Spring是當前最流行的后端開放框架，大大簡化開發(fā)流程，基于這兩項技術搭建系統(tǒng)后端。

預測模型實現(xiàn)。首先需編寫腳本對傳入的負荷數(shù)據(jù)進行處理，需對數(shù)據(jù)中的異常值、缺失值進行處理，然后對數(shù)據(jù)進行平滑處理和歸一化處理，在準備好數(shù)據(jù)后，還需對Prophet 算法中的一些參數(shù)進行調(diào)優(yōu)。其中對實驗結(jié)果影響較大的參數(shù)有變點數(shù)量，季節(jié)項和趨勢項的平滑度，以正確預警率為指標并人工劃分訓練/測試集以保證時間序列的連續(xù)性，最終使用網(wǎng)格搜索法進行參數(shù)優(yōu)化，即可得到最優(yōu)的參數(shù)配置。

可視化平臺主界面。將可視化技術應用到變壓器下各線路負荷管控當中，可全面促進線路負荷管控工作質(zhì)量和工作效率。界面展示了所有變壓器的列表、變壓器在地圖上的分布情況、歷史預警信息和變壓器下各配電線路的運行情況，可選擇某一具體的變壓器查看具體的信息，也可在該界面選擇上傳數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 系統(tǒng)主界面圖

可視化平臺變壓器負荷數(shù)據(jù)詳細信息模塊。點擊主界面中的變壓器可進入該變壓器的詳細信息頁面，包括變壓器的設備編號、設備生產(chǎn)廠商、投運時間、負責人和歷史狀態(tài)信息，也可查看變壓器下對應線路的運行情況，線路運行情況展示了歷史的負荷數(shù)據(jù)、預測的負荷數(shù)據(jù)，當預測的負荷數(shù)據(jù)達到閾值時會進行預警，變壓器展示的顏色也會相應的發(fā)生改變（圖2）。

圖2 變壓器配電線路詳細信息界面圖

綜上，本文基于Java 語言結(jié)合Spring 和Vue等平臺開發(fā)技術，開發(fā)了一個配電線路負荷數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。傳入平臺的配電線路數(shù)據(jù)存儲到My SQL 數(shù)據(jù)庫中，再使用定時任務對數(shù)據(jù)進行相關預處理、預測分析和展示，處理完畢以后把數(shù)據(jù)再次保存新的存儲庫表中。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實用性好，可幫助業(yè)務人員對處于不同地區(qū)的變壓器進行統(tǒng)一監(jiān)測，大大減輕業(yè)務人員的工作負擔，根據(jù)預測信息及時采取應對措施，避免安全事故的發(fā)生。