變電站安全信息集成嵌入式系統設計

吳元忠，林 菁，王國平

(1.福建省電力有限公司泉州技能研究院，福建 泉州 362000；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100192)

0 引言

根據集成的定義，變電站安全信息集成就是將一些孤立的信息通過融合或聚類的方式，改變初始分散的狀態，將分散安全信息集中在一起，并利用各個信息之間的內部邏輯關系，構成一個有機整體[1]。變電站安全信息集成主要針對的是變電站運行信息、設備信息和繼電保護信息等，根據整個流程實現變電站安全信息的集成與調度。要滿足在日益激烈的市場競爭中提高運行效率的要求，迫切需要建立一體化的變電站安全信息執行層控制系統，實現變電站安全信息的可控和實時管理。

與傳統的變電站安全信息運行模式相比，變電站安全信息集成具有周期短和效率高的特點。收集國內外的相關研究文獻和資料，發現現階段發展得較為成熟的變電站安全信息集成系統包括基于遺傳算法的集成系統、基于TOC理論的集成系統以及基于Web倉儲技術的集成系統。然而傳統的變電站安全信息集成系統在實際的應用工作中，在集成功能和應用性能方面都存在一定的缺陷。為此，本文通過數據挖掘技術的應用，實現對變電站安全信息集成嵌入式系統的優化設計，間接地提升變電站的工作效率。

1 變電站安全信息集成嵌入式硬件系統設計

基于數據挖掘的變電站安全信息集成嵌入式系統為保證電網安全穩定運行，需要全面地掌握變電站設備的運行狀態，并提供前提條件。該系統硬件主要由變電站安全信息智能采集器、集成處理器、集成存儲器和A/D轉換等組成。圖1為該集成系統總體結構。

圖1 總體結構

1.1 變電站安全信息智能采集器

采用32位高速ARM單片機構成的數據采集模塊。采集器按程序設定的采集周期采集各個通道的數據，存儲后通過GPRS傳輸到監控中心[2]。系統選擇的變電站安全信息智能采集器的基本結構如圖2所示。

圖2 數據采集器組成結構

1.2 集成處理器

選取ARMCortexTM-M4型處理器作為變電站安全信息集成系統的數據處理器，該處理器的內核是哈佛體系結構，以3條運行線為基礎[3]。

1.3 變電站安全信息集成存儲器

根據變電站安全信息集成運行程序的要求，分別設計變電站運行信息、設備信息、繼電保護信息的寫控電路，以及存儲陣列和讀控電路，通過專用軟件將FPGA所需的組態變電站安全信息并入組態存儲器的變電站安全信息存儲矩陣中，編寫了軟件和變電站安全信息處理控制方案，共同實現了FPGA組態文件的配置變電站安全信息讀控電路[4]。

1.4 系統電路設計

1.4.1 變電站安全信息寫入控制電路

主控變電站安全信息寫入的主體結構，控制電路在不同狀態下產生所需測試的時鐘和控制信號工作測試接入端口控制器，再由指令解碼器接收到指令寄存器，解碼指令用于控制和操作邊界寄存器，實現各種功能操作邊界掃描[5]。并根據IEEE1532協議，結合Flash陣列的特點和電氣特性，設計了相應的編程方案。該裝置通過JTAG接口實現對內置處理器和系統的邏輯控制，讀取、記錄和擦除應用于變電站安全信息存儲電路的時間信號，實現系統程序的編碼。

1.4.2 電源模塊電路

變電站安全信息集成嵌入式硬件系統中的各個元件需要穩定的電路支持。電壓為3.3 V和8.0 V。在系統中，核心電壓為1.8 V，鎖相環電壓為3.3 V，具體的電源電路連接情況如圖3所示。

圖3 系統電源電路

5.0 V系統電源通過穩壓片后，分別輸出電壓為3.3 V和1.8 V，穩壓片采用SPX1117系列，具有800 mA電流驅動能力。

1.4.3 時鐘發生電路

時鐘發生電路的作用是向系統各部件外部提供鐘表運行信號。選擇30 MHz的有源晶振作為外部時鐘源，為DSP芯片和其他外部設備提供運行時鐘信號[6]。

1.4.4 復位與初始化電路

變電站安全信息集成嵌入式系統中的上電復位電路設計結果如圖4所示。

圖4 系統復位電路

圖4中的復位電路與單片機相連，當單片機上相應的引腳檢測到信號時，就會自動恢復。初始化方案的主要功能是在完成功率轉換后，設備自動工作芯片中指定的地址，并將變電站安全信息存儲在存儲陣列中，讀入信息存儲區[7]。在FPGA儀器中將OE/RESET引腳連接到INIT引腳后，自動讀取存儲陣列中的第1個地址信息，以獲得輸出變電站安全信息，較低的輸出電平可以保持在原始狀態。

2 變電站安全信息集成嵌入式系統數據庫設計

系統數據庫是系統開發工作中的重要環節，數據庫是系統軟件功能運行的數據根基，直接影響變電站安全信息集成嵌入式系統軟件功能的實現效果。數據庫設計的最終目的是實現系統實時產生數據的高效管理與存儲[8]。根據運行工作中涉及的各個工藝流程和設備，確定數據庫的物理模型，如圖5所示。

圖5 系統數據庫物理模型

圖5中顯示的數據庫中，變電站安全信息路線數據表設計結果如表1所示。

表1 智能變電站安全信息路線數據表

根據表1的獲取流程，可以得出數據庫中物料和計劃等變電站安全信息集成嵌入式系統數據庫表。最終按照圖5中表示的各個數據庫表之間的關系形成鏈接，實現數據庫中數據的動態更新。

3 變電站安全信息集成嵌入式系統軟件功能設計

3.1 利用數據挖掘技術收集實時變電站安全信息

根據數據挖掘技術原理，變電站安全信息實時數據收集的過程就是利用關聯規則進行頻繁項集合采集的過程。在智能變電站安全信息運行環境中，定義任意一個數據項均為候選項集的集合C1中的元素，掃描數據庫并利用式(1)得到C1中各元素的支持度。

(1)

c(X∪Y)為運行事務X和Y同時出現概率值；|D|為關聯規則挖掘的數據集。設置最小支持度閾值為η，在C1中選擇支持度不小于η的項集組成頻繁項集的集合，記為L1，同理可以得頻繁項集合L2。根據生成的關聯規則將其裁剪得到壓縮過后的C3；之后再一次遍歷數據庫，并得到C3中各元素的支持度[9]；在C3中挑選支持度不小于η的項集組成頻繁項集的集合L3；最后對L3進行自連接，以數據包的形式輸出變電站安全信息頻繁項集的挖掘結果。

3.2 實時變電站安全信息聚類

將挖掘的實時變電站安全信息作為輸入對象，記為X。在初始變電站安全信息中隨機選取k個初始聚類中心，利用式(2)衡量數據集合中任意數據與聚類中之間的距離。

(2)

按照式(2)計算輸入數據對象中所有安全信息點與k個聚類中心的距離，并通過比對式(2)的計算結果，將xi分配到離它最近的聚類中心所代表的類中。更新聚類簇中心，將新的聚類中心表示為

(3)

Cj為第j個聚類簇；nj為Cj聚類簇中所包含的變電站安全信息點數量；xm為Cj中的第m個點[10]。通過多次聚類與迭代，當變電站安全信息的聚類中心不再發生變化時，輸出聚類結果為

(4)

變量xi和cj分別為初始變電站安全信息中的第i個樣本和Cj的中心。

3.3 實現變電站安全信息集成

3.3.1 變電站安全運行跟蹤

處理變電站安全運行跟蹤最重要的部分是區分處理開始、處理結束、處理中斷和返回處理等關鍵狀態轉換時刻點，從而判斷當前處理狀態。變電站在運行過程中，隨著節點坐標值的實時變化，主軸功率曲線的形狀也在隨著運行過程而變化，并可通過一些人工輸入信息推斷出設備的當前運行狀態，其變化規律為

(5)

g(w)為w個連續點形成的當前運行軌跡形態；Λψ和δψ分別為功率曲線的形態和人工輸入信息；G[N,e(l,f)]為實際運行軌跡；Pκ和Cκ分別為前一時刻與當前時刻的安全運行狀態信息。利用各種狀態信息的變化特征，可對每一個關鍵點作出具體的判斷規則，確定目標的跟蹤過程中，最重要的是判斷是否存在異常節點，并與判斷規則進行匹配比對，以實現連續跟蹤。

3.3.2 變電站安全信息集成調控

按照變電站運行所需信息的重要程度排序所有的信息。然而在實際的調控過程中，會出現加急處理異常或缺少信息數據的情況，此時需要結合變電站安全信息實時運行數據進行集成調度處理，變電站安全信息調度的最終目的是將設備所需信息平穩地分配給每一臺設備，以保證在一定的指標集內完成變電站安全信息安排[11]。將變電站安全信息計劃分為：計劃分工制、設備與安裝信息分成制和日計劃分成制。計劃分配結構，分為2個層次，能夠加強整個計劃系統對運行波動的反應能力，當變電站安全信息計劃或現場控制發生較大變化時，能夠使運行隨外部環境變化而保持相對穩定，從而在一定程度上提高變電站信息計劃的可執行性。定義環境中的任意一個變電站信息t的運行時間為

(6)

W(i,j)和M(k,x)均為任意一個變電站信息子任務完成所需要的時間；Nm和Nr為變電站信息初始隊列中的排序。當滿足變電站信息調度的啟動條件時，為了保證作用總完成時間的最小化，可以得出變電站信息調度的目標函數為

(7)

υ為變電站安全信息子任務數量。在式(7)的驅動下，按照圖6流程完成變電站安全信息的調度。

圖6 變電站信息集成調控流程

在實際的智能變電站信息調控過程中，根據運行計劃制定變電站信息調度計劃，通過運行控制模塊分配具體運行任務。定期將工藝或設備情況輸入遠程計算機，遠程計算機將工件或設備情況發送給控制模塊[12]。在發生設備故障等突發事件時，修正變電站安全信息計劃與實際情況的偏差。

4 系統測試

以測試設計的基于數據挖掘的變電站安全信息集成嵌入式系統的集成功能和應用性能為目的，設計系統測試實驗。

4.1 系統測試環境

以某110 kV變電站作為實驗場所，在不影響變電站正常運行工作的前提下，安裝并配置計算機以及其他硬件設備，實現硬件系統測試環境的搭建。在系統開發中，要求編程語言能夠支持動態數據的挖掘與運行。結合目前市面上各種編程語言的運行特征，最終選擇Microsoft Visual Basic 6.0 作為系統的開發工具。系統測試中使用的操作系統可以分為基本操作系統和網絡操作系統2個部分，為了保證數據之間的格式統一，2個操作系統均選擇Widows NT。另外，由于設計的變電站安全信息集成嵌入式系統應用了數據挖掘技術，該技術提取關聯規則環節需要調用大量的歷史數據，中小型數據庫無法滿足數據挖掘技術的運行要求，因此在系統測試實驗中統一后臺數據庫的運行環境。最終按照運行原理連接硬件設備，并配置軟件運行環境的相關參數，保證設計變電站安全信息集成嵌入式系統的軟件功能程序能夠在實驗環境中正常運行。

4.2 準備變電站安全信息樣本

分別從歷史變電站安全信息和實時變電站安全信息2個方面準備實驗數據樣本，其中歷史變電站安全信息的主要來源是變電站的數據管理系統以及相關檔案。利用掃描儀設備將紙質運行數據轉換成電子版，并保證歷史變電站安全信息的格式相同。將硬件設備安裝在變電站的相關設備上，通過實時數據的采集，得出實時變電站安全信息的準備結果。將準備的數據樣本按照時間順序進行排序，并以數據包的形式存儲到系統數據庫中，為變電站安全信息集成功能的運行提供數據支持。

4.3 設置系統測試指標與對比項

根據系統測試目的，分別設置集成度、變電站安全信息調度時間作為實驗的2個量化測試指標，其中集成度是系統整體劃分出子系統的復合程度，集成度量化指標標記為?，該指標的取值區間為[0,1]，取值越大證明集成度越高，需處理的變電站安全信息量越少。而變電站安全信息調度時間為系統應用性能的量化測試指標，可以通過調取主測計算機后臺的相關運行數據直接得出測試結果。

4.4 系統測試過程與結果分析

為了體現出本文設計的變電站安全信息集成嵌入式系統的功能與應用優勢，設置文獻[1]提出的干散貨碼頭散貨變電站安全信息智能控制系統和文獻[4]提出的多載具自動化變電站安全信息調度集成系統作為實驗的2個對比系統，以相同的方式將3個集成系統進行編碼，并導入到配置好的系統環境中。通過實時變電站安全信息的采集與運行，得出變電站安全信息集成運行結果。

通過相關數據的統計，得出最終的系統測試結果如表2所示。

表2 系統測試結果數據表

從表2中可以看出，3個集成系統的平均集成度指標分別為0.86、0.90和0.97，即本文系統的變電站安全信息集成度更高。從應用性能方面可知，3個系統的應用變電站安全信息的平均完成時間分別為1.88 min、1.60 min和1.22 min。由此可見，通過本文系統的應用，完成變電站安全信息調度的速度更快，證明本文系統的應用性能更優。

5 結束語

變電站安全信息集成嵌入式系統對于保證變電站的穩定運行具有重要的研究意義，能夠在一定程度上降低運行中的操作誤差，提高變電站安全信息運行效率。從系統測試結果中可以看出，通過數據挖掘技術的應用，能夠從功能和性能2個方面提升集成系統的價值。然而由于數據挖掘技術的應用，提升了對系統運行環境的要求，尤其是存儲空間，增加了硬件方面的投入成本，針對這一問題還需要在今后的研究工作中進一步完善。