基于小波變換的電力系統數據傳遞一致性分析

郭仁超，舒 彧

(貴州電網有限責任公司，貴州 貴陽 550000)

“十三五”期間，電力行業部門隨著我國工業化進程的發展獲得了飛速的發展，但是離綠色、節能、環保的要求還有不小的差距[1]。隨著電力行業信息化的快速發展，國家電網對電力行業提出了新的標準和要求[2]，通過軟件實現電力行業數據的“電子化移交”帶來了新的運作機制，也更符合電力信息產業高質量發展的要求[3]。

1 電力企業電子化移交現狀及問題

電子化移交是電力行業部門實現營配信息化、數字化、規范化以及系統化管理的重要手段，同時也是全面落實信息化建設發展的重要表現[4]。在電力企業跨系統協同數據傳遞流程中，數據電子化移交在提升企業信息資源共享水平，提高企業營配管理質量上發揮著至關重要的作用，可以說電子化移交已成為電力企業信息集成系統建設工程與應用方面最為基礎，同時也是最重要的工作，它基本上貫穿了電網建設的全生命周期過程[5]。

自電力行業營配一體化數據工程建立之后，數據電子化移交已經發展了很長一段時間，這期間隨著行業需求的發展，電子化移交也進行了相應的更新和完善，電子化移交隨時間沉淀下來的主要流程有起單、繪圖、審核以及發布等4個環節。在日常生產和工作中，電子化移交往往因為系統數據與現場不符合、無法操作等原因，使得電力生產無法正常開展[6]，目前電力行業電子化移交問題在生產和流程操作上主要存在以下幾個方面的問題。

(1)無法保證提供的資料符合規范。以設備資料為例，一般是在項目發起工單時作為附件提交給施工單位，但由于施工單位對項目設備資料無法做到完全熟悉，或者由于工期等原因對設備資料并沒有完全了解，導致工單到施工單位時造成多次退單修改。這對發起工單的影響是造成繪圖環節的重復修改，多次修改則增加了中間文件傳遞過程出現差錯的可能性，使得人力無力耗費大幅增加，影響了電子化移交的進程。

(2)電子化移交流程不明確。目前電子化移交已在電力行業建立了相應的流程及規范，但是并不是每一個電力從業者對電子化移交流程都很明確，有些施工人員只是對施工流程較為熟悉，對電子化移交知之甚少，這種不了解電子化移交流程的情況往往造成工單退單、重走流程，耽誤了整個工單的閉環時間。電子化移交流程如圖1所示。

圖1 電子化移交流程

(3)電子化移交的流程不完善。目前電子化移交雖然已有相應的管理制度進行規范和制約，但是相對來講仍然不是很完善。項目工單發起和施工方往往因為項目工期、減少退單等原因，有時并不嚴格按照電子化移交流程執行，而監管方也會出現不能嚴格審核和把關的情況。

2 跨系統協同流程電子化移交

電子化移交的數據傳遞主要包括電網工程項目中的營配、資產、GIS、主數據以及財務系統數據等，現就電力企業跨系統協同流程中電子化移交一致性的治理進行分析。

2.1 加強電子移交過程中的細節管理

基于協同數據統一規范處理原則，創建統一的數據命名、數據定義、數據類型、賦值規則等，并以此作為數據一致性檢驗規則；統一的規則建立后，后續電子化移交過程中的全流程就可以對各個環節進行跟蹤，不論是起單還是退單，均可以通過初始的命名進行定位，每一項更改也有其完善的定義規則。在此基礎上，完全可建立電子化流程追蹤表格制度，在全生命周期內對各個流程進行識別和定位，很明晰地知道當前文件、項目所處的位置和進度，對每一項的更改都在系統內進行記錄方便歷史查詢，知道曾經對其進行了哪些修訂。

2.2 制定完善的數據監控和抽檢制度

通過常態化的自動化監控工具，將電子化移交和賬卡物協同流程涉及的營銷、資產、GIS、主數據、財務等系統的業務數據以及SOA服務報文數據進行抽取、清洗、轉換、檢查，也為數據整改提供指導監督，從而達到數據有效處理、快速解決的作用[7]。將生產數據與營銷客戶數據全面對應與共享，可以利用應用集成及圖形化展現的方式，達到營配數據、業務的貫通，實現故障定位、停電范圍分析、線損統計、業擴報裝等業務。同時提高整個電子化移交過程中的數據完整性、真實性和準確性，從而提高電子化轉移效率。

數字移交自動監控系統的圖元組態和單元組態構成了主控模塊，而主控模塊同時又與數據狀態檢測、實時圖片、綜合信息控制、事件記錄查看器以及報表系統相通。自動監控系統除了主控模塊以外，系統所儲存的數據庫與主控模塊之間通過數據庫接口進行通信，終端電力系統智能化設備與主控模塊間通過通信接口進行數據傳輸。數字移交自動監控系統如圖2所示。

圖2 數字移交自動監控系統

針對自動化監控系統中主控模塊從數據庫中提取相應數據這一過程，可由主控模塊中的特定數據挖掘程序進行特征分析、數據遍歷和數據獲取[8]。

2.3 做好電子化移交的全局監控

依托先進的科學技術，制定跨系統協同流程數據傳遞的全局監控制度，電力企業組織專業人員進行移交過程中的全局監控，通過定期或者不定期的檢查制度，了解數據傳遞過程的工作進程，確保電子化移交過程的全面性和及時性，從而不僅可以發現工單逾期、電子資料錯誤、資料缺陷等問題，也可以通過檢查制度明確責任制，通過發現問題、解決問題機制，建立獎懲制度，提高從業人員的責任意識，調動從業人員的積極性。

電子化移交流程全局監控工具將數據傳遞過程中涉及的各子系統進行串聯，通過收集站內各子系統的數據，采用數據采集轉換模塊形成系統內可識別的數據形式，通過數據傳遞模塊傳遞至終端并顯示。從流程全局監控系統功能可知，該系統主要分為界面顯示、報警處理、在線監測、實時監控、數據分析、協議轉換6大模塊。數字移交全局監控系統如圖3所示。

圖3 數字移交全局監控系統

3 跨系統協同數據傳遞準確性研究

跨系統數據傳遞過程中，電力系統需要傳輸海量的數據，需要對數據進行壓縮后再進行傳遞。近年來較為流行的是在電力系統數據傳輸過程中采用多核小波并行的算法進行數據壓縮[9]。采用小波變換數據壓縮算法的優點是：在程序的時域和頻域都具有良好的局部化的性質，在對高頻信號進行處理時能夠提供更為精確的分解，從而得到大量的高頻信息。因此，小波包變換算法在跨系統協同數據傳遞(多小波)過程中具有無可比擬的優勢[10-12]。

多小波的尺度函數和多小波函數需要滿足2個尺度矩陣方程組：

(1)

(2)

式中，Hk和Gk為r×r維系數矩陣；r∈N為多小波的維數。多小波快速分解和重構公式為：

(3)

(4)

(5)

式中，n，k∈Z，cj，k=(c1，j，k，…，cr，j，k)，dj，k=(d1，j，k，…，dr，j，k)。

多小波的數據壓縮原理為，設置某一尺度j下的閾值為：

ηj=λ×max{|dj(n)|}，n=1，2，…，N/2j

(6)

信號經過J級壓縮后重構信號的小波細節為

(7)

其中，j=1，2，…J。

為了便于對數據壓縮前后進行比較，定義數據信號壓縮比為：

(8)

式中，Nc為數據信號壓縮后保留的個數；N為原始數據庫中采集樣本數。

定義信號重構后的平均誤差e；定義信號重構后的均方誤差u；定義信號重構后的賦范均方誤差enorm。

(9)

以數據庫中的低頻數據信號220個8字節雙精度，高頻數據信號19個8字節雙精度數據為例，經過數據轉換模塊后變為256個雙字節整數類型和19個雙字節整型位置數據，存儲空間減少了1 362個字節存儲空間。再次將數據進行編碼后，低溫信號分量需要保存的數據為413個字節，高頻分量需要保存數據量為20個字節。經過上述數據處理后壓縮比為11.3%，數據處理后的賦范均方誤差1.94。

賦范均方誤差enorm越小，說明壓縮比越小，即數據失真度越小，數據處理后與原始數據一致性越高，數據壓縮效果越好。

4 數據傳遞一致型模型驗證

采用多小波的尺度函數和多小波函數模型完成對跨系統協同流程中的傳輸數據后，需要進行模型驗證。在對10萬組電力數據進行跨系統傳輸后，對傳輸結果進行整理分析，得到傳輸數據效率對比如圖4所示。

圖4 傳輸數據效率對比

首先在跨系統協同流程的數據傳輸效率上，采用多小波的尺度函數和多小波函數模型的傳輸時間要優于傳統數據的傳輸方式。從圖4中可以看出，隨著數據量的增加，采用優化的多小波函數傳輸模型的優勢愈加明顯，在傳輸8萬數據組時相對于傳統傳輸時間要提高33%，全部傳輸過程整體上要提高22%左右。傳輸數據準確率對比如圖5所示。

圖5 傳輸數據準確率對比

從圖5可以看出，在傳輸準確性方面，采用多小波的尺度函數和多小波函數模型的準確率(一致性)一直在99%以上，并不會隨著數據傳輸量的增大而有所差異，反而會略有提高；而對于傳統數據傳輸方式，數據傳輸一致性隨著數據量的增大而下降，優化后的傳輸模型數據傳輸一致性總體上提高15%以上。

5 數據傳遞一致性在電力環保方面的影響

電力營配在各大供電公司中都是一項重要工作，電力營配對于客戶的用電大數據有強烈的需求，此外精確的電力營配對于加強能源資源節約利用、增強社會可持續發展能力，建設科學合理的能源利用體系發揮關鍵效能。近些年來隨著大數據挖掘技術，數據傳遞在電力營配方面發揮著越來越重要的作用。一般地，電力公司用“電能有效利用率”來評價客戶的用電節能情況。電能有效利用率計算公式如下：電能有效利用率=一定時期所使用的電量÷一定時間的產值。可發現，電能有效利用率可以在一定程度上反映某企業的電能使用效率。供電公司在電力生產、電力傳輸、客戶電力使用情況方面的數據傳遞一致性的獲取上占據優勢，則表示能夠在電力數據傳遞鏈條上占據了主動地位，從而能夠更合理、有優化地配置和使用電力資源，實現能源利用的最優化，間接達到環保的效果。

不同類型的用電企業在電力方面對環境污染、對電能的依賴程度矩陣如圖6所示。每一個同心圓的外圓為對環境的污染程度，內圓表示對電能的依賴程度；外圓面積越大對環境污染程度越大，內圓越大表示對電能的依賴程度也越大。可以看出右上角類型的企業對電能需求比例最大，同時對環境的污染程度也越大；而相反的是，左下角類型的企業為低依賴、低污染類型企業。

圖6 電力客戶電能依賴性/環境污染程度矩陣

供電公司通過數據傳遞獲得的大數據進行分析，很容易獲得不同類型的客戶在上述矩陣圖中對應的類型，然后對客戶的“電能依賴程度”和“對環境的污染程度”進行評估，建立指標評價體系，對社會環境評價提供很高的參考價值。

某電力分公司針對某石油化工企業現場調研及數據分析情況，提出并應用了一種非甲烷總烴氣體在線監測系統，它屬于高溫抽取式的一種，系統中的色譜分析儀表采用色譜FID原理進行苯系化合物、非甲烷類總烴等氣體進行在線監測和數據分析[13-15]。系統由采樣模塊、預處理模塊、數據分析單元等組成，數據分析總成模塊完成數據處理后統一發送至數據協同處理中心，經過大數據分析后形成局部地區的環保數據樣本，經過長時間的數據連貫性和一致性累積，可以為該地區的生產環保效能提供參考。此外，某SO2及NOx在線實時監測裝置主要針對系統中的環保數據進行監測，這種在線監測設備在脫硫系統中猶如系統的“眼睛”，主要針對不同區域采用不同的環境監測策略，能夠低能耗、高效率地對環境進行監控，及時發現污染狀況。

此外，數據傳遞在綠色能源分配方面，曾有面向邊緣計算的數據回傳的綠色能源分配方法，具體數據傳遞方法是首先需要建立無線網絡傳輸模型[16]，通過引入數據收集器以及租賃頻譜用于傳遞數據，這些采集的數據從每個中繼節點向邊緣節點進行傳輸時，中繼節點從數個綠色能源供應者中選擇其中一個作為唯一的能量提供者并作為其唯一的節點，對于綠色能量供應者來說，其通過無線網絡價格方案作為依據作為確定能量儲存價格的依據。采用兩階算法實現網絡數據傳遞商和綠色能源供應者之間的動態平衡，在這個過程中，數據傳遞扮演著實現在運營商數據網絡傳遞價格確定的情況下綠色能源最佳分配的角色。

通過以上分析可知，不論是在環保在線監測領域，數據監測在線獲取環保數據通過一致性傳遞的過程，還是在綠色能源分配領域，數據在網絡運營商和綠色能源供應商之間的傳遞過程，都能夠體現數據傳遞的一致性在這個過程中發揮的重要作用，以及對環境保護所起到的不可替代的效果。

6 結論

為適應新形勢下國家對電力行業高標準發展、高質量的要求，電力企業內基于跨系統協同流程中數據傳遞一致性，也即電子化移交的準確性是提升企業信息資源共享水平，提高企業營配管理質量上發揮著至關重要的作用。電力行業電子化移交應做好工作流程的管控，制定完善的流程監控制度，運用科學數據處理技術，并加強電子移交過程中的細節管理，為電力企業轉型升級奠定良好的信息化管理基礎。對數據傳輸過程中的壓縮，數據傳輸效率以及一致性進行了深入的研究，分析表明采用多小波的尺度函數和多小波函數模型在跨系統的協同數據傳遞過程中不僅在傳輸效率上有優勢，而且在數據傳輸準確性方面有很大的提高。

數據傳遞的治理同時為電力大數據庫提供了重要支撐，為電力更加節能環保、綠色發展創造了更加有利的條件。不論是在石油、煤炭傳統能源行業，還是在風能、核電、水電等清潔再生能源領域，數據傳遞一致性都起著非常重要的作用，能夠保障數據傳遞的可靠與準確，以及對制定相應的政策和制度起著關鍵參考作用。