泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統設計

趙 俊，蔡勛偉，馬 叢，馬龍剛

（國網湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南長沙 410004）

電力系統中泛在電力物聯網具有全面的感知狀態(tài)和有效的信息處理能力[1]。就電力系統而言，泛在電力物聯網的建設將極大地改善配電網絡運行狀態(tài)的整體感知，滿足用戶多樣化的需求。泛在電力物聯網的建設和發(fā)展以及與電網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、網架結構不靈活、配電網設備規(guī)模大、標準化程度低、能源供應不均衡、負荷容量變化大、用戶需求與服務能力不足等問題。文獻[2]考慮到電力信息物理系統的安全，面向協同信息攻擊，提出一種ECPS 風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上，提出了協同信息攻擊的概率表達，同時給出了ECPS 風險計算公式，然后綜合考慮信息攻擊的成功率與破壞程度進行有限防御資源分配優(yōu)化，為并網工作的順利開展提供一定的技術支撐。文獻[3]按不同電壓等級、不同容量，歸納了接入系統的方法，結合工程設計的實際需求與就地消納、多點接入的特點，設計并優(yōu)化接入典型方案，為電力系統自動化帶來了較大的便捷。文獻[4]為降低電力工作人員的壓力和負擔，在電力系統自動化使用中進行全面的研究和分析，并在電力系統運行過程中應用計算機技術，降低電力系統的運行效率，有效提高了電力系統的安全性和穩(wěn)定性。

基于已有的研究成果，文中對泛在電力物聯網的概念、體系結構和關鍵技術進行研究，設計了泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統，爭取為今后的研究提供一定的參考價值。

1 系統架構設計

通過建立遠程智能數據挖掘系統，以數據挖掘為基礎，結合電力系統自動化技術、信息技術和計算機編程技術，充分利用電力系統的運行信息和電網設備的生產管理知識[5-7]，為區(qū)域電網和變電站提供安全、可靠、經濟運行的保障。

對變電站信息流/信息源、一次/二次系統信息綜合格式以及專家知識/程序進行深入挖掘后，將搜索引擎工具與數據庫管理工具相結合[8]，將傳統的搜索引擎轉變?yōu)樽ト【W頁、處理網頁、提供檢索服務，負責電力系統專業(yè)數據搜索引擎系統的設計和建設工作，從而確保在運營信息數據挖掘系統時，實現電力系統數字化服務信息智能挖掘[9]。

系統總體架構主要分為原始數據采集、數據提取、數據倉庫、數據挖掘和數據表現層，如圖1所示。

通過對變電站的運行信息進行查詢和統計，從而使變電站管理和運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行統計[10]。

圖1 泛數字化服務信息資源挖掘系統架構

依據數據挖掘中的關聯規(guī)則理論，從大量數據中提取強關聯規(guī)則，以達到最小置信閾值。文中結合網絡控制人員的操作經驗，對提取結果進行比較和修正，以此為基礎建立專家知識系統[11]。應用專家知識系統識別出電網運行中的故障特征信息，幫助電網操作員獲得服務信息和可能的故障原因[12]。

為實現該系統的總體結構，構建了主要的技術框架，主要分為原始數據采集、數據提取、數據倉庫、數據挖掘和數據表現5 大部分。

原來的數據采集主要是把變電站的報警監(jiān)控數據以一定的方式采集到一個固定的物理環(huán)境中，而數據提取的本質是對采集到的數據進行分類、去噪和填充，因此要在數據抽取精化之后，將數據倉庫轉移到調度中心數據倉庫進行備份和分區(qū)。數據挖掘層主要包括專家數據庫、規(guī)則查詢和歷史故障數；資料顯示層主要包括基本資料查詢及統計分析功能[13]。

2 系統硬件設計

泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統硬件由感知層、網絡層、平臺層和應用層4 大部分組成，逐層深入，由感知層感知信息，網絡層和平臺層負責處理信息，從而實現數字化服務信息的深入挖掘。

2.1 感知層結構設計

感知層的主要功能是通過各種滲透傳感器設備實現全感知。感知層設備包括初級系統電壓、電流互感器、次級系統安培計、集中器以及用戶端各種智能電器[14]。在此基礎上，通過數據感知、控制決策單元，對電網各個環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)進行分析，使電網能夠同時面對斷續(xù)的新能源電網連接、隨機負荷開關、時空聚集效應[15]。

2.2 網絡層設計

按照安全級別和數據類型，網絡層分為內部私有網絡和外部互聯網，可根據實際工況、傳輸距離、費用經濟性等靈活選擇具體的通信方式，包括移動架空網絡、傳統因特網、短距離無線傳輸、短距離有線傳輸等，網絡層結構如圖2 所示。

圖2 網絡層結構

用戶端應用層平臺和內部網需要進行中間件協議轉換、數據清洗、安全保護等操作[16-26]。

2.3 平臺層設計

平臺層統一存儲和管理大量電網運行數據、用戶側能耗數據等能源系統數據。它的作用在于解決傳統能源生產運行模式下信息存儲的碎片化，打破信息孤島，實現信息的互聯共享。在高層數據存儲和分析技術的基礎上，為電力系統提供跨域共享數據資源，同時開發(fā)各種先進的電力數據應用。

2.4 應用層設計

在電力系統中，應用層是集成化、平臺化、共享化的表征。它以大量的電網運行數據和用戶側能耗數據為基礎，為電網運行業(yè)務、用戶能耗業(yè)務和能源系統集成運營業(yè)務構建多種目標明確的應用平臺，實現對系統的感知和交互。應用層電路結構如圖3所示。

圖3 應用層電路結構

3 系統軟件設計

為更好地服務用戶，指導用戶合理使用能源，增加用戶參與分配網絡的深度和廣度，文中設計了閉環(huán)優(yōu)化分配網絡中的操作技術，集成了電力物聯網和深度分配系統，并通過發(fā)展個性化能源使用服務，調動用戶積極參與分配網絡優(yōu)化操作。

根據泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統硬件，設計軟件流程如圖4 所示。

圖4 系統軟件流程

挖掘系統工作步驟具體如下：

1）對數據進行編碼，由于數據受到電壓、脈沖等干擾，所以會存在干擾信號，要對數據進行逐一編碼，將數據映射成黑白二值圖像。

2）分析不同數字化服務信息數據的擾動圖像特性，根據黑白二值圖像映射波形，確定質量擾動結果。

3）通過數據挖掘計算數據源之間的臨近距離，設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個像素的坐標值，(xj,yj)表示第j個像素的坐標值，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值。

5）挖掘數字化服務信息的平均幅值，計算公式為：

其中，M為挖掘到的平均幅值，n為挖掘次數。

6）根據數字化服務信息的平均幅值提取數字化服務信息特征，實現挖掘。

4 實驗研究

為精準評估文中泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統設計的信息資源挖掘性能，設置相應的實驗環(huán)境進行性能檢驗，將文中泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統設計的效果與文獻[2]和文獻[3]的設計效果進行實驗對比。

針對泛在電力物聯網研究的困難性以及數字化服務信息資源挖掘的操作復雜性，需對其實驗環(huán)境進行數據篩選，根據挖掘信息的前提分析挖掘資源的存儲位置，研究電力系統運行過程中產生的數據問題，并進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，并確定數據收集時間在系統操作范圍內，配置電路圖，檢測各線路的電壓及電量數值。

2）集中采集36 條電力支線，每隔15 分鐘進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，確保挖掘數據的純潔度，并設置相應的實驗參數，如表1 所示。

3）交叉檢驗資源信息挖掘數據，與傳統方法進行對比，獲取對比結果。

圖5 和圖6 分別顯示出在實驗參數條件下，泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統設計與其他方法的檢測挖掘準確率及挖掘所需時間對比圖。

根據圖5、6 可知，文獻[2]檢測挖掘準確率較高，而挖掘所需時間較長；文獻[3]設計挖掘所需時間較短，但檢測挖掘準確率較低。而該文泛在電力物聯網中數字化服務信息資源挖掘系統設計的檢測挖掘時間均短于其他兩種傳統系統設計，檢測挖掘準確率均高于其他兩種傳統設計。

表1 實驗參數

圖5 檢測挖掘準確率對比圖

圖6 挖掘所需時間對比圖

5 結束語

國內泛在電源物聯網的實施還處于起步階段，設計泛在物聯網技術數字化服務信息資源挖掘系統對于開發(fā)先進的應用服務有重要意義。文中設計的系統從硬件和軟件上進行了優(yōu)化處理，通過調整挖掘信息狀態(tài)，優(yōu)化系統內部結構操作，完整劃分內部存儲空間，促使各挖掘數據能夠得到更好的開發(fā)，為后續(xù)的數字服務信息資源開發(fā)提供了參考。