基于多屬性群決策算法的智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建方法

孫 猛，鄧志成，方 超

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 引言

智慧電站是互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等現(xiàn)代化技術(shù)與發(fā)電站相結(jié)合的產(chǎn)物，以此來(lái)提升發(fā)電站數(shù)字化、信息化和智能化水平。《國(guó)家能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》將“積極推動(dòng)‘互聯(lián)網(wǎng)+’智能能源發(fā)展”列為重點(diǎn)工作；《中國(guó)制造2025 能源裝備實(shí)施方案》將燃煤電廠智能化列為清潔高效煤電領(lǐng)域的主要任務(wù)。目前，全國(guó)各大發(fā)電集團(tuán)均有智慧電站項(xiàng)目啟動(dòng)，建設(shè)完畢和逐步實(shí)施的智慧電站已經(jīng)達(dá)到了數(shù)十個(gè)，標(biāo)志著中國(guó)電力行業(yè)電站領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入全面的智能化建設(shè)時(shí)代。智慧電站的建設(shè)以及推廣雖然提高了發(fā)電企業(yè)的數(shù)字化水平，在很大程度上提高了中國(guó)發(fā)電企業(yè)的工作效率，但是在數(shù)據(jù)共享和決策服務(wù)方面還存在一定的提升空間，其中搭建智慧電站知識(shí)中臺(tái)是提升智慧電站數(shù)據(jù)共享和決策服務(wù)水平的一種有效途徑。目前，大部分電力企業(yè)已經(jīng)具備了一定的數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)，并且智慧電站每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息量比較大，電力企業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)并沒(méi)有完全有效地把握，對(duì)于數(shù)據(jù)信息中隱藏的價(jià)值沒(méi)有形成知識(shí)，未深一層次地進(jìn)行深度挖掘，不利于智慧電站的建設(shè)和發(fā)展，知識(shí)中臺(tái)的深度應(yīng)用和開(kāi)發(fā)可以有力支撐智慧電站各項(xiàng)業(yè)務(wù)的開(kāi)展。雖然一部分企業(yè)針對(duì)企業(yè)需求已經(jīng)開(kāi)始著手搭建智慧電站知識(shí)中臺(tái)，但是搭建的智慧電站知識(shí)中臺(tái)效果并不明顯，其決策與預(yù)期的電站運(yùn)維決策偏差較大，Sig 值較低，傳統(tǒng)方法已經(jīng)無(wú)法滿足智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建需求，為此提出基于多屬性群決策算法的智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建方法。

1 智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建方法

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到智慧電站的信息需求和功能需求，智慧電站知識(shí)中臺(tái)的構(gòu)建需要從智慧電站業(yè)務(wù)決策的角度出發(fā)，充分考慮數(shù)字化技術(shù)和信息化技術(shù)在智慧電站知識(shí)中臺(tái)中的應(yīng)用，從而更好地實(shí)現(xiàn)智慧電站數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)以及決策[1]。此次采用層次法對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共由應(yīng)用層、數(shù)據(jù)中心層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層4 部分組成，圖1 為智慧電站知識(shí)中臺(tái)總體框架圖。

圖1 智慧電站知識(shí)中臺(tái)總體框架圖Fig.1 Overall framework of knowledge platform of smart power station

通過(guò)服務(wù)層的數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)電站設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行日常監(jiān)控。智慧電站知識(shí)中臺(tái)的數(shù)據(jù)中心層可以提供完整的電站整體系統(tǒng)、設(shè)備、部件的狀態(tài)、參數(shù)，這些數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)服務(wù)層的數(shù)據(jù)分析操作后，成為了設(shè)備遠(yuǎn)程控制和維修的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。為保證電站的日常運(yùn)維所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠高效率地上傳到應(yīng)用層，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用5G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了知識(shí)中臺(tái)中數(shù)據(jù)的高速傳輸[3]。此次根據(jù)知識(shí)中臺(tái)需求構(gòu)建了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、EDI 服務(wù)、設(shè)備樹(shù)部件架構(gòu)、故障預(yù)警、故障診斷、故障知識(shí)庫(kù)7 項(xiàng)應(yīng)用，表1 為智慧電站知識(shí)中臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用層功能介紹。

此次將傳統(tǒng)的智慧電站知識(shí)中臺(tái)的數(shù)據(jù)層分成了數(shù)據(jù)中心層和數(shù)據(jù)服務(wù)層兩部分，其中數(shù)據(jù)中心層是智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)管理層，用于對(duì)智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)[4]，并且根據(jù)智慧電站知識(shí)中臺(tái)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范程序?qū)χ腔垭娬舅袛?shù)據(jù)進(jìn)行交換、處理和管理，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心層的功能[5]。數(shù)據(jù)中心層將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)層，數(shù)據(jù)服務(wù)層通過(guò)接口向外提供服務(wù)，此次對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)層設(shè)計(jì)了6 個(gè)接口，其具體接口名稱(chēng)和服務(wù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)服務(wù)層接口及服務(wù)Table 2 Interface and service of data service layer

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)中心層和數(shù)據(jù)服務(wù)層連接，為整個(gè)智慧電站知識(shí)中臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸提供通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[6]，實(shí)現(xiàn)智慧電站知識(shí)中臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸和交換。通過(guò)以上5 個(gè)組織層的設(shè)計(jì)，構(gòu)建成智慧電站知識(shí)中臺(tái)總體架構(gòu)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)部署

智慧電站知識(shí)中臺(tái)運(yùn)行需要海量的數(shù)據(jù)支撐，這就需要智慧電站知識(shí)中臺(tái)具備一定的數(shù)據(jù)采集能力[7]，為了有效采集到智慧電站所有網(wǎng)站、平臺(tái)以及系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)，對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格部署。考慮到智慧電站平臺(tái)與知識(shí)中臺(tái)之間數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分區(qū)和安全隔離，既要實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，還要保證智慧電站知識(shí)中臺(tái)數(shù)據(jù)信息的安全性，具體部署如下：

將不同區(qū)域的智慧電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度[8]，將數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)，獲取到與智慧電站有關(guān)的所有數(shù)據(jù)，其中包括來(lái)自智慧電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、同步向量數(shù)據(jù)、電能計(jì)量數(shù)據(jù)以及智慧電站設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、模型和圖片[9]。將調(diào)度來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)智慧電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到智慧電站知識(shí)中臺(tái)的主站上，通過(guò)以上網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)的數(shù)據(jù)采集。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

通過(guò)部署智慧電站知識(shí)中臺(tái)網(wǎng)絡(luò)采集到智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)后，知識(shí)中臺(tái)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效保存[10]，用于后續(xù)知識(shí)中臺(tái)決策計(jì)算。此次根據(jù)智慧電站知識(shí)中臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，采用了OP 數(shù)據(jù)庫(kù)[11]，將采集到的智慧電站數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到OP 數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中包括每個(gè)智慧電站數(shù)據(jù)集的框架、規(guī)則以及屬性數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單表格[12]，OP 數(shù)據(jù)庫(kù)以表格的形式將智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與存儲(chǔ)。根據(jù)智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建需求，OP 數(shù)據(jù)庫(kù)主要數(shù)據(jù)表包括設(shè)備部件名稱(chēng)、測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)與類(lèi)型、故障預(yù)警信息、故障知識(shí)、歷史信息等數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表3。

表3 智慧電站配置信息表Table 3 Configuration information of smart power station

智慧電站設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)表主要包括電流、進(jìn)口壓力、出口壓力、流量、軸承溫度、軸承振動(dòng)等信息，具體見(jiàn)表4。

表4 智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)表Table 4 Operation data of smart power station

智慧電站度電成本信息數(shù)據(jù)表主要用于存儲(chǔ)電站相關(guān)數(shù)據(jù)，比如電量、電價(jià)、年度成本、燃料成本、物料成本等[14]，以表格的形式對(duì)智慧電站度電成本信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)，為基于多屬性群決策算法的智慧電站知識(shí)中臺(tái)決策提供數(shù)據(jù)計(jì)算支撐。

1.4 智慧電站知識(shí)中臺(tái)決策

為了實(shí)現(xiàn)智慧電站知識(shí)中臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)計(jì)算和分析，提出符合實(shí)際要求的決策，此次采用多屬性群決策算法對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算分析，假設(shè)智慧電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為：

公式（1）中，S表示智慧電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；S1表示電流狀態(tài)；S2表示壓力；S3表示流量情況。3 個(gè)狀態(tài)參數(shù)要么為1，要么為0。當(dāng)數(shù)值為1 時(shí)表示狀態(tài)正常，當(dāng)數(shù)值為0 時(shí)表示狀態(tài)非正常。使用ID 表示電站設(shè)備編號(hào)，多屬性群決策算法推理的知識(shí)匹配輸入數(shù)據(jù)表示如式（2）：

公式（2）中，I 表示預(yù)警診斷知識(shí)匹配算法系數(shù)；e表示設(shè)備部件編碼；d 表示預(yù)警診斷參數(shù)，1 為正常，0 為異常；n 表示預(yù)警診斷對(duì)應(yīng)的知識(shí)編碼。多屬性群決策算法推理的輸入數(shù)據(jù)表示如式（3）：

公式（3）中，D表示多屬性群決策算法推理的輸入數(shù)據(jù)集合；I表示電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下總電流量。當(dāng)輸入以上格式的數(shù)據(jù)后，智慧電站知識(shí)中臺(tái)通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)確定使用的規(guī)則[15]，并將公式（3）中的輸入作為多屬性決策算法的輸入。Q為智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)聚合信息量。運(yùn)用公式（4）對(duì)智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)聚合信息量進(jìn)行計(jì)算：

公式（4）中，A表示符合規(guī)則的數(shù)據(jù)集合中子節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Y表示多屬性決策群決策次數(shù)。根據(jù)智慧電站運(yùn)行數(shù)據(jù)聚合信息量對(duì)智慧電站數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，得到可以滿足電站正常運(yùn)行要求的最佳決策，其計(jì)算公式如式（5）：

公式（5）中，γ表示智慧電站知識(shí)中臺(tái)最終決策知識(shí)。多屬性群決策算法綜合考慮了電站運(yùn)行的需求以及聚合信息量，計(jì)算出符合要求的決策作為結(jié)果。以此完成基于多屬性群決策算法的智慧電站知識(shí)中臺(tái)決策計(jì)算，進(jìn)而完成了基于多屬性群決策算法的智慧電站知識(shí)中臺(tái)的搭建。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)以某智慧電站為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)范圍為該智慧電站的設(shè)備65 臺(tái)，采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法搭建該智慧電站的知識(shí)中臺(tái)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)如下：操作系統(tǒng)選用Windows 2008，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選用基于SOKLHN25.6 框架，在Visual Studio2010 下采用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用Arc 26.4。實(shí)驗(yàn)向智慧電站知識(shí)中臺(tái)發(fā)送100 個(gè)決策服務(wù)請(qǐng)求，隨機(jī)選取10 個(gè)決策進(jìn)行執(zhí)行，對(duì)決策執(zhí)行后智慧電站運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行記錄，并利用軟件總結(jié)多方面對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)決策Sig 值進(jìn)行計(jì)算，Sig 值用于衡量計(jì)算決策與要求的符合度，Sig 值取值范圍在1～2 之間，Sig 值越接近2 則表示決策與預(yù)期效果更加貼合，與要求相符程度越高；反之Sig 值越接近1，則表示決策與預(yù)期效果不符，與要求相符程度越低。實(shí)驗(yàn)根據(jù)Sig 值計(jì)算結(jié)構(gòu)繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表，見(jiàn)表5。

從表5 中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用設(shè)計(jì)方法搭建的知識(shí)中臺(tái)決策Sig 值比較高，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的知識(shí)中臺(tái)決策與預(yù)期的電站設(shè)備運(yùn)維決策更為貼近，而傳統(tǒng)方法搭建的知識(shí)中臺(tái)決策Sig 值比較低，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)方法搭建的知識(shí)中臺(tái)。因此，實(shí)驗(yàn)證明了本次提出的基于多屬性群決策算法的智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建方法可靠性和適用性更高，相比較傳統(tǒng)方法更適用于智慧電站知識(shí)中臺(tái)的搭建。

表5 兩種知識(shí)中臺(tái)決策Sig值對(duì)比Table 5 Comparison of SIG values in decision making between two kinds of knowledge

3 結(jié)論

此次根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和技術(shù)資料，采用多屬性群決策算法對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)進(jìn)行搭建，提出了一種新的智慧電站知識(shí)中臺(tái)搭建方法，提高了智慧電站的信息化、數(shù)字化以及智能化水平，同時(shí)為智慧電站知識(shí)中臺(tái)的搭建提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)智慧電站知識(shí)中臺(tái)的優(yōu)化和完善。由于此次研究篇幅有限，研究?jī)?nèi)容可能存在不足，今后有待對(duì)智慧電站知識(shí)中臺(tái)優(yōu)化和創(chuàng)新，以及智慧電站知識(shí)中臺(tái)實(shí)踐應(yīng)用等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，推進(jìn)智慧電站的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。