黃杰韜，王澤涌

(廣東電力信息科技有限公司，廣東 廣州 510630)

電力生產(chǎn)指的是對一能源實(shí)行轉(zhuǎn)換后形成電能，對其進(jìn)行輸送和分配后，為用戶提供電能服務(wù)的整個(gè)過程，整個(gè)過程中包含多個(gè)環(huán)節(jié)[1]，如發(fā)電、輸電、配電、變電以及電力營銷等。并且電力生產(chǎn)具備高度集中、統(tǒng)一性的特點(diǎn)，表示即使電網(wǎng)里存在的發(fā)電廠數(shù)量較多，其均統(tǒng)一接受電網(wǎng)的調(diào)度[2]，并設(shè)有統(tǒng)一的電能服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；除此之外，電網(wǎng)對于各個(gè)發(fā)電廠的電力技術(shù)具備統(tǒng)一指導(dǎo)和管理，因此，電力生產(chǎn)的調(diào)度、指揮等均由電網(wǎng)的調(diào)度部門完成，并且該部門在一個(gè)供電區(qū)域內(nèi)呈唯一性[3]。在電力生產(chǎn)過程中的安全性，則是電網(wǎng)實(shí)行調(diào)度、管理中的重要內(nèi)容，電力安全生產(chǎn)，能夠最大程度保證電能的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，避免電力安全事故的發(fā)生。依據(jù)能源局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年中，電力生產(chǎn)過程中，發(fā)生數(shù)十起人身傷亡事故，該結(jié)果也表明電力安全生產(chǎn)中的管理依舊存在一定不足，例如安全條例實(shí)行不到位、預(yù)防措施不完善以及預(yù)警的實(shí)時(shí)性較差等[4]。電力生產(chǎn)過程中，各個(gè)影響因素之間存在明顯的關(guān)聯(lián)性、耦合性以及相互誘發(fā)性，因此，對于電力安全生產(chǎn)造成一定隱患[5]。李穩(wěn)等[6]為提升電力生產(chǎn)的安全性，以ToF技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)安全監(jiān)測與預(yù)警；李偉等[7]為準(zhǔn)確判斷電力生產(chǎn)過程中的異常，通過殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成異常檢測；上述系統(tǒng)為電力安全生產(chǎn)提供一定程度的保證，但是由于電力生產(chǎn)過程中，存在多種安全事故，上述系統(tǒng)無法全部兼顧，存在一定的局限性。因此，本文針對電力安全生產(chǎn)的多種安全事故展開分析后，依據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)，對電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判斷是否存在安全事故，及時(shí)掌握安全隱患，全面監(jiān)測電力生產(chǎn)過程，保證電力安全生產(chǎn)。

1 電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 安全生產(chǎn)監(jiān)測目的

電力安全生產(chǎn)監(jiān)測從宏觀上分析包括電網(wǎng)安全監(jiān)測和生產(chǎn)安全監(jiān)測，前者是保證電網(wǎng)運(yùn)行中網(wǎng)絡(luò)的安全，后者是指電力生產(chǎn)中的人身安全[8]，也可理解成安全事件監(jiān)測。該監(jiān)測能夠綜合分析電力生產(chǎn)各個(gè)方面的安全要素，判斷當(dāng)下的安全水平，并且可清楚了解安全條例和相關(guān)規(guī)章制度的執(zhí)行和管理現(xiàn)狀[9]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力生產(chǎn)中安全隱患，提前規(guī)避安全事故的發(fā)生。電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種應(yīng)用型的系統(tǒng)，其需完成電力安全生產(chǎn)過程中的人身安全事故、設(shè)備安全事故以及電網(wǎng)安全事故的監(jiān)測，可靠掌握電力生產(chǎn)的全過程中。人身安全事故監(jiān)測是以電力生產(chǎn)詳情為依據(jù)，對其進(jìn)行多維度分析后，獲取影響人身安全事故的主要因素[10]，分析以及掌握人身安全事故的風(fēng)險(xiǎn)和變化情況，為人身安全事故規(guī)避提供依據(jù)。電力生產(chǎn)設(shè)備安全事故監(jiān)測是對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測，并且可對設(shè)備事故實(shí)行等級劃分，依據(jù)不同等級采取相應(yīng)的處理策略。電網(wǎng)安全事故監(jiān)測是對電網(wǎng)實(shí)行全面監(jiān)測，避免電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模故障，引起電網(wǎng)大范圍癱瘓，并且電網(wǎng)安全事故監(jiān)測水平也是體現(xiàn)電網(wǎng)安全管理水平的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是數(shù)據(jù)處理方法的統(tǒng)稱，其包括數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、數(shù)據(jù)分析方法、數(shù)據(jù)挖掘方法、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及預(yù)測建模等。電力安全生產(chǎn)監(jiān)測過程中，會(huì)產(chǎn)生并獲取海量的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)中包含電力生產(chǎn)安全異常甚至事故數(shù)據(jù)；除此之外，監(jiān)測中心會(huì)收到海量的預(yù)警信息，并且預(yù)警信息連續(xù)呈現(xiàn)給調(diào)度中心預(yù)警處理部門或者相關(guān)人員，但是該預(yù)警信息沒有經(jīng)過篩選和整合，相關(guān)部門和相關(guān)人員無法直接依據(jù)該信息判斷電力安全生產(chǎn)事故情況，導(dǎo)致安全事故不能及時(shí)處理。并且電力安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)具備增長特點(diǎn)，因此，為可靠監(jiān)測電力安全生產(chǎn)情況，實(shí)時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)分析數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，判斷安全事故，本文利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，該技術(shù)貫穿整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)，形成電力安全生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)框架，如圖1所示。

圖1 電力安全生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)標(biāo)簽技術(shù)框架Fig.1 Big data label technology framework of electric power safety production

該技術(shù)框架中，引入數(shù)據(jù)標(biāo)簽理論，對電力安全生產(chǎn)過程中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽分類，提升各類數(shù)據(jù)的辨識(shí)能力，同時(shí)能夠?qū)⑷哂嗷蛘邿o效標(biāo)簽的數(shù)據(jù)刪除。并且，大數(shù)據(jù)技術(shù)框架中，整合了電力安全生產(chǎn)監(jiān)測、調(diào)度管理、視頻等所有數(shù)據(jù)，依據(jù)電力安全生產(chǎn)過程中的不同需求，調(diào)動(dòng)對應(yīng)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。文中利用大數(shù)據(jù)標(biāo)簽技術(shù)快速完成電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、整合、調(diào)用以及分析，完成電力安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)以及事故的量化，提升電力安全生產(chǎn)監(jiān)測可靠性，實(shí)時(shí)掌握電力安全生產(chǎn)情況。

1.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析的電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)包含3個(gè)部分，分別為電力安全生產(chǎn)層、數(shù)據(jù)分析層和監(jiān)控中心層，整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of power safety production monitoring system

(1)電力安全生產(chǎn)層。該層包含所有的電力安全生產(chǎn)單位，在每一個(gè)生產(chǎn)單位部署本地監(jiān)控站、本地管理服務(wù)器、電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單位、視頻數(shù)據(jù)服務(wù)器、本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、本地調(diào)度工作站等，通過交換機(jī)以及光纖網(wǎng)絡(luò)將采集的電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)分析層以及本地監(jiān)控站，本地監(jiān)控站依據(jù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析數(shù)據(jù)后，在管理調(diào)度權(quán)限范圍內(nèi)，可進(jìn)行電力安全生產(chǎn)的調(diào)度和管理；權(quán)限范圍外的則傳送至數(shù)據(jù)分析層。

(2)數(shù)據(jù)分析層。該層設(shè)有大數(shù)據(jù)處理中心、歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)等，主要對采集的電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)行標(biāo)簽分類、存儲(chǔ)、分析等，保證電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，獲取數(shù)據(jù)中的異?；蛘甙踩鹿蕯?shù)據(jù)，將異常結(jié)果發(fā)送至監(jiān)控中心，進(jìn)行電力生產(chǎn)安全預(yù)警。

(3)監(jiān)控中心層。該層為電網(wǎng)統(tǒng)一管理調(diào)度層，主要由調(diào)度指揮中心管理，其可完成所有電力安全生產(chǎn)單位的統(tǒng)一管理和調(diào)度，主要包含應(yīng)用服務(wù)器、管理認(rèn)證服務(wù)器、監(jiān)控顯示服務(wù)器等。該層可依據(jù)電力安全生產(chǎn)事故程度，選擇相應(yīng)的處理方案；同時(shí)該層能夠調(diào)度和管理本地電力安全生產(chǎn)單位。調(diào)度中心能夠通過監(jiān)控顯示服務(wù)器查看監(jiān)測結(jié)果、事故信息以及處理結(jié)果等。

電力安全生產(chǎn)層中生產(chǎn)單位通過數(shù)據(jù)采集單元獲取電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過交換機(jī)和光纖網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳送至本地監(jiān)控站以及數(shù)據(jù)分析層，本地監(jiān)控站對數(shù)據(jù)實(shí)行分析后，實(shí)行權(quán)限范圍內(nèi)的調(diào)度和管理，權(quán)限之外的則傳送至數(shù)據(jù)分析層；數(shù)據(jù)分析層對接收的全部數(shù)據(jù)實(shí)行標(biāo)簽分類以及分析后，獲取數(shù)據(jù)中的異常或者安全事故數(shù)據(jù)，發(fā)送異常預(yù)警至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心則通過監(jiān)控顯示服務(wù)器查看預(yù)警結(jié)果，同時(shí)選擇相應(yīng)的處理方案，按照統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)對電力安全生產(chǎn)單位的電力安全生產(chǎn)情況進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.4 電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單位

電力安全生產(chǎn)層中，每一個(gè)電力安全生產(chǎn)單位均部署電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單位，用于完成生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，采集單元中的核心為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集器在采集過程中，為保證其良好的持續(xù)性，并且最大程度降低電源模塊和數(shù)字信號(hào)之間的干擾，因此采集器設(shè)計(jì)成采集板卡和電源板卡2個(gè)部分。采集板卡包含放大器電路、ZigBee模塊、傳感器等；電源板卡則通過電流互感取電線圈對電池充電，為采集板卡充電；除此之外，采集器中還部署電流互感器測量線圈，部署位置為輸電線路上，其結(jié)合采集板卡采集電力安全生產(chǎn)線路上的電流等信號(hào)，并經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)器將現(xiàn)場信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至ARM處理器，該處理器則將信號(hào)進(jìn)行處理后傳送至本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。

圖3 電力安全生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器Fig.3 Power safety production site data collector

1.5 電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議

電力安全生產(chǎn)監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)通信過程中，為保證數(shù)據(jù)通信的安全性，均需采用一定的通信協(xié)議完成。本文在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)主要以交換機(jī)、光纖網(wǎng)絡(luò)為主，結(jié)合電力安全生產(chǎn)監(jiān)測需求以及數(shù)據(jù)量的情況，本文采用IEC61850作為本文監(jiān)測系統(tǒng)的通信協(xié)議，保證電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全通信，該協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.4 Communication protocol structure

IEC61850通信協(xié)議為3層結(jié)構(gòu)，其分別為過程層、間隔層以及站控層，協(xié)議的每一層均具備相應(yīng)的功能，并且該協(xié)議的每一層中均包含不同數(shù)量的通信接口，用于完成不同層之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)能夠依據(jù)通信數(shù)據(jù)的情況，控制通信鏈路和帶寬，同時(shí)能夠完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方保護(hù)。各個(gè)接口的詳情如下：①接口1用于保護(hù)間隔和站控2個(gè)層之間的數(shù)據(jù)通信安全；②接口2用于保護(hù)間隔和遠(yuǎn)方保護(hù)之間的數(shù)據(jù)通信安全；③接口3用于保護(hù)所在層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信安全；④接口4用于保護(hù)不同層之間互感器之間信號(hào)通信安全；⑤接口5用于控制間隔和過程2個(gè)層之間的數(shù)據(jù)通信安全；⑥接口6用于控制間隔和站控兩個(gè)層之間的數(shù)據(jù)通信安全；⑦接口7用于保護(hù)站控和遠(yuǎn)方控制之間的數(shù)據(jù)通信安全；⑧接口8用于保護(hù)所在層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信安全；⑨接口9用于保護(hù)所在層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信安全；⑩接口10用于保護(hù)變電站和遠(yuǎn)方控制之間的數(shù)據(jù)通信安全。

1.6 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析

大數(shù)據(jù)分析方法是一種能夠?qū)?shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律實(shí)行挖掘分析的方法，因此，本文采用大數(shù)據(jù)分析方法完成電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，其依據(jù)采集的電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及歷史時(shí)間序列數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析自回歸模型，通過該模型反映電力安全生產(chǎn)的運(yùn)行規(guī)律，判斷數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，則階數(shù)為m的模型表達(dá)式為：

Xi=λi(Xi-1+Xi-2+…+Xi-p)+βi

(1)

式中，λi為異常數(shù)據(jù)影響強(qiáng)度，i=1，2，…，m，其對應(yīng)電力安全生產(chǎn)的各個(gè)時(shí)刻；Xi為電力安全生產(chǎn)參數(shù)；βi為噪聲。

由于模型的階數(shù)為m，那么上述公式中的參數(shù)均具備m階記憶性。因此，如果電力安全生產(chǎn)發(fā)生變化和異常時(shí)，模型中的參數(shù)λi會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)電力安全生產(chǎn)存在異常時(shí)，則依據(jù)均值和方法的似然比判斷是否為安全事故，其似然比的計(jì)算公式為：

LR=2f(Y)-2E

(2)

式中，E為最大似然估計(jì)值；f(Y)為概率密度函數(shù)。

依據(jù)式(2)的計(jì)算結(jié)果對電力安全生產(chǎn)存在的安全事故風(fēng)險(xiǎn)實(shí)行判斷和預(yù)警。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測試對象為某地區(qū)域的電網(wǎng)調(diào)度部門，該電網(wǎng)調(diào)度共存在發(fā)電單位8家，將本文系統(tǒng)部署以及安裝在電網(wǎng)的調(diào)度部門以及所有的發(fā)電單位，運(yùn)行系統(tǒng)對其電力安全生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)以及分析本文系統(tǒng)的監(jiān)測效果。系統(tǒng)安裝以及部署完成后，需先對系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)對象的應(yīng)用需求為系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均能夠正常運(yùn)行，并且準(zhǔn)確完成功能的執(zhí)行，獲取系統(tǒng)各項(xiàng)功能的運(yùn)行結(jié)果，見表1。

表1 系統(tǒng)各功能運(yùn)行測試結(jié)果Tab.1 Test results of each function of the system

依據(jù)表1測試結(jié)果可知：系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，均能夠滿足應(yīng)用需求，電力安全生產(chǎn)監(jiān)測、監(jiān)測結(jié)果查詢、安全預(yù)警等功能不存在無法響應(yīng)情況，因此，系統(tǒng)具備電力安全生產(chǎn)監(jiān)測能力。

系統(tǒng)監(jiān)測需依據(jù)電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成，數(shù)據(jù)的完整性越好則監(jiān)測結(jié)果越可靠，因此，系統(tǒng)的通信效果與數(shù)據(jù)的完整性有一定關(guān)聯(lián)。通信過程中緩存隊(duì)列越短則表示傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性越高，數(shù)據(jù)的損壞或者丟失率越低。獲取本文系統(tǒng)在不同傳輸帶寬下，傳輸不同大小數(shù)據(jù)時(shí)的緩存隊(duì)列長度結(jié)果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的通信測試結(jié)果Fig.5 Communication test results of system

由圖5測試結(jié)果可知，隨著通信數(shù)據(jù)量的逐漸增加，在不同的數(shù)據(jù)量大小下，緩存隊(duì)列長度沒有發(fā)生明顯增加現(xiàn)象，隊(duì)列長度均處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使數(shù)據(jù)量為100 GB、傳輸帶寬為50 Kbit/s時(shí)，緩存隊(duì)列長度依舊在0.52 Kbit左右。因此，本文系統(tǒng)通信效果良好，能夠完成電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，避免緩存時(shí)間較長導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者損壞。

為分析本文系統(tǒng)對于電力安全生產(chǎn)監(jiān)測的應(yīng)用效果，獲取系統(tǒng)對各個(gè)電力生產(chǎn)單位監(jiān)測視頻的查詢結(jié)果、電力安全生產(chǎn)過程中人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果、參數(shù)預(yù)警結(jié)果以及歷史預(yù)警查詢結(jié)果，分別如圖6—圖9所示。依據(jù)圖6—圖9的測試結(jié)果可知，本文系統(tǒng)能夠統(tǒng)一對所有的電力生產(chǎn)單位進(jìn)行管理，可查看所有單位的電力生產(chǎn)情況，同時(shí)能夠查看生產(chǎn)單位的電力生產(chǎn)監(jiān)控畫面，統(tǒng)計(jì)所有電力生產(chǎn)單位的生產(chǎn)事故數(shù)據(jù)；并且能夠完成電力安全生產(chǎn)過程中人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警以及電力生產(chǎn)設(shè)備預(yù)警，除此之外可查詢歷史預(yù)警結(jié)果，分析各個(gè)電力生產(chǎn)單位的詳細(xì)生產(chǎn)情況。

3 結(jié)論

電力安全生產(chǎn)的實(shí)時(shí)、全面監(jiān)控，能夠保證所有的電力生產(chǎn)單位實(shí)時(shí)關(guān)注電力安全生產(chǎn)情況，同時(shí)電網(wǎng)調(diào)度中心能夠按照統(tǒng)一的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、能源質(zhì)量、生產(chǎn)制度等對所有的生產(chǎn)單位的安全生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，在監(jiān)測電力生產(chǎn)設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人身安全事故監(jiān)測以及整個(gè)電網(wǎng)的安全事故監(jiān)測。

圖6 電力生產(chǎn)單位監(jiān)測視頻的查詢結(jié)果Fig.6 Query results of monitoring video of electric power production unit

圖7 電力安全生產(chǎn)過程中人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果Fig.7 Warning results of personnel operation risk in process of electric power safety production

圖8 電力生產(chǎn)設(shè)備預(yù)警結(jié)果Fig.8 Warning results of power production equipment

圖9 歷史預(yù)警查詢結(jié)果Fig.9 Query results of historical warnings

本文則以上述內(nèi)容為目標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析的電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，多方面利用大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)電力安全生產(chǎn)監(jiān)測以及異常預(yù)警。測試結(jié)果顯示：本文系統(tǒng)能夠完成信息化與自動(dòng)化的結(jié)合，最大程度保證電力安全生產(chǎn)信息采集以及通信的實(shí)時(shí)性，保證信息的完整性，實(shí)現(xiàn)電力安全生產(chǎn)的可靠分析，全面檢測電力安全生產(chǎn)情況。