顧金梅

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司阜平縣供電分公司，河北 保定 073200）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展和電力需求的增加，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)逐漸面臨著多種挑戰(zhàn)[1]。但是，電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)架構(gòu)在面對(duì)不斷增加的能源需求和新興技術(shù)時(shí)，顯得不夠靈活和高效，且電力系統(tǒng)涉及多種類型的數(shù)據(jù)，包括電力負(fù)荷、電力質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等，如何有效地采集、存儲(chǔ)和分析這些多樣性的數(shù)據(jù)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此構(gòu)建智慧化電網(wǎng)成為電力行業(yè)的重要發(fā)展方向[2-4]。智慧化電網(wǎng)的構(gòu)建面臨以下問(wèn)題：智慧化電網(wǎng)需要高效可靠的通信架構(gòu)，以便實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和指令，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)影響電力系統(tǒng)的信息處理效果[5]。合理設(shè)計(jì)通信架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還有助于減少能源浪費(fèi)和成本。數(shù)據(jù)預(yù)處理可以提高電力數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少噪聲和異常數(shù)據(jù)的影響，從而更準(zhǔn)確地分析電力系統(tǒng)的狀態(tài)和性能。基于此，研究在結(jié)合電力和用電信息采集的技術(shù)背景下，提出使用預(yù)處理技術(shù)和優(yōu)化通信架構(gòu)的智能化電網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)，以期為電力行業(yè)提供可行的技術(shù)參考。

1 電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)

1.1 智能化電網(wǎng)中用電信息采集數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)逐漸向智能化發(fā)展[6-7]。智能化的電網(wǎng)系統(tǒng)中，電力和用電信息是不可缺少的關(guān)鍵信息[8]。但是用電信息數(shù)據(jù)通常體積較大，且在大量數(shù)據(jù)中存在缺乏價(jià)值的冗余數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行預(yù)處理[9]。文章在用電信息采集過(guò)程的基礎(chǔ)上考慮通信方式，設(shè)計(jì)用電信息采集數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，流程如圖1 所示。

圖1 用電信息采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程

由圖1 可見，用電信息采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理可以分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)探索和數(shù)據(jù)預(yù)處理3 大環(huán)節(jié)。收集數(shù)據(jù)時(shí)，由配電變壓器端的集中器完成數(shù)據(jù)采集和主站傳輸。由系統(tǒng)初步判斷所采集到中數(shù)據(jù)包含的異常情況和潛在關(guān)系，之后進(jìn)行重復(fù)值、缺失值和異常值的處理。電壓數(shù)據(jù)缺失值填補(bǔ)計(jì)算的公式為

式中：Ui表示缺失的電壓數(shù)據(jù)；i-1 表示缺失數(shù)據(jù)所處時(shí)刻的前一時(shí)刻；i+1 表示缺失數(shù)據(jù)所處時(shí)刻的下一時(shí)刻。電流數(shù)據(jù)缺失值填補(bǔ)的計(jì)算公式為

式中：Ii表示缺失的電壓數(shù)據(jù)。預(yù)處理數(shù)據(jù)后，電網(wǎng)系統(tǒng)能夠以更高的效率完成相關(guān)任務(wù)。

1.2 電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

智能化電網(wǎng)系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的操作者提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息和更便捷的操作手段[10]。在分析電網(wǎng)系統(tǒng)作用的基礎(chǔ)上，提出電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)系統(tǒng)方案。其中，采集層由計(jì)量設(shè)備和采集終端完成對(duì)數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理；通信層使用無(wú)線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、無(wú)線專網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)通信，將采集層數(shù)據(jù)傳輸主站層中；主站層依靠通信層傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。智能化電網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)架構(gòu)由支撐數(shù)據(jù)域、客戶數(shù)據(jù)域和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)域組成主架構(gòu)，由組織數(shù)據(jù)域、電網(wǎng)數(shù)據(jù)域、量測(cè)數(shù)據(jù)域組成副架構(gòu)。智能化電網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主網(wǎng)絡(luò)接入千兆以太網(wǎng)，以確保系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^低時(shí)延。運(yùn)行時(shí)需要確保各級(jí)使用節(jié)點(diǎn)接入通信信道。智能化電網(wǎng)的通信架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能化電網(wǎng)系統(tǒng)通信架構(gòu)

由圖2 可見，構(gòu)建的智能化電網(wǎng)系統(tǒng)的通信架構(gòu)由前置通信模塊與通信平臺(tái)層相結(jié)合構(gòu)成。通信平臺(tái)層包括規(guī)約解析層、通信控制層和通信適配層3 個(gè)子層。設(shè)置額外空余結(jié)構(gòu)以方便多重通信方式的接入，通信平臺(tái)層中各子層都是動(dòng)態(tài)連接。通信適配層將底層數(shù)據(jù)的鏈路連接起來(lái)。規(guī)約解析層提供解析動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)以適配不同種類通信。通信控制層在接口位置將未運(yùn)行的通信方式進(jìn)行返回。為提升系統(tǒng)的拓展能力，在新的通信終端接入時(shí)需要判斷通信底層架構(gòu)。如果底層架構(gòu)不是傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網(wǎng)絡(luò)，則需要在底層動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中加入支持規(guī)則。通過(guò)所構(gòu)建的系統(tǒng)通信架構(gòu)結(jié)合編程語(yǔ)言框架完成對(duì)智能化電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在電力結(jié)合用電信息技術(shù)下的電網(wǎng)管理。

2 電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)有效性分析

為分析電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)的有效性，研究選取使用不同通信類型的阿爾法集群和布拉沃集群目標(biāo)點(diǎn)集群作為測(cè)試對(duì)象。獲取文章設(shè)計(jì)方法的智能化電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性測(cè)試

由圖3 可見，智能化電網(wǎng)系統(tǒng)在針對(duì)不同目標(biāo)點(diǎn)集群和不同通信類型時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率有所差別。由圖3（a）可知，40 s 的傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸速率在490 Mb/s 附近波動(dòng)，最高達(dá)到521 Mb/s，最低為454 Mb/s。由圖3（b）可知，40 s 的傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸速率在380 Mb/s 附近波動(dòng)，最高達(dá)到406 Mb/s，最低為352 Mb/s。雖然數(shù)據(jù)傳輸速率存在差別，但是2 種通信類型下的數(shù)據(jù)傳輸速率波動(dòng)幅度都保持在100 Mb/s 以內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)具有較強(qiáng)穩(wěn)定性。提取阿爾法集群的典型功率特征，結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型功率特征提取結(jié)果

由圖4 可見，在阿爾法集群中，電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)方法從多條所收集的數(shù)據(jù)中成功提取出3 類典型功率特征。第一類數(shù)據(jù)整體保持較低功率，在第47 個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到功率谷值，約0.12 kW；第二類數(shù)據(jù)整體保持較低功率，較第一類數(shù)據(jù)稍高，在第75 個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到功率峰值，約1.09 kW；第三類數(shù)據(jù)有較大波動(dòng)，在第43 個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到功率峰值，約4.01 kW。系統(tǒng)成功提取不同類型數(shù)據(jù)特征，說(shuō)明研究方法能夠有效處理電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

性能優(yōu)秀的智慧電網(wǎng)系統(tǒng)能夠幫助系統(tǒng)操作者做出更準(zhǔn)確的判斷。文章利用電力結(jié)合用電信息采集構(gòu)建智慧化電網(wǎng)系統(tǒng)。過(guò)程中以3 個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了智慧電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，將系統(tǒng)所采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行分析計(jì)算的數(shù)據(jù)，之后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主要運(yùn)行方案，并在方案基礎(chǔ)上搭建了智能化電網(wǎng)系統(tǒng)通信架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究方法在阿爾法集群和布拉沃集群中的數(shù)據(jù)傳輸速率都保持在352 Mb/s 以上；在提取典型功率特征時(shí)，電力結(jié)合用電信息采集的智能化電網(wǎng)構(gòu)建方法提取出了3 類特征，并繪制出特征曲線表現(xiàn)特征的數(shù)值走向。結(jié)果說(shuō)明研究方法構(gòu)建智慧電網(wǎng)系統(tǒng)具有較好的性能，但是研究?jī)H搭建了框架，后續(xù)將針對(duì)技術(shù)手段展開研究，以提升方法的性能。