基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)

楊繼黨，李 哲，左娟娟

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000）

0 引 言

我國電網(wǎng)較為龐大，具有裝機(jī)容量最大、電壓等級(jí)最大、新能源并網(wǎng)容量最大以及輸送容量最大的特點(diǎn)。為了保障電網(wǎng)能夠安全運(yùn)行，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行定期的檢查。同時(shí)，隨著新能源的接入以及電力市場的改革，增大了電力系統(tǒng)的安全隱患，迫切需要對(duì)電網(wǎng)智能管理。當(dāng)前，雖然有許多學(xué)者研究了電網(wǎng)安全校核方法，但是不能夠滿足當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行管理的需求。

人工智能技術(shù)是結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息論等學(xué)科的綜合學(xué)科，其能夠模仿人類的智能行為，基于該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)，期望解決當(dāng)前存在的問題，為電網(wǎng)安全校核提供技術(shù)支持。

1 電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 IPMC模塊

智能平臺(tái)管理控制器（Intelligent Platform Management Controller，IPMC）模塊采用三星32位ARM9 （S3C2440）和周邊設(shè)備為核心。S3C2440系統(tǒng)外部設(shè)備資源豐富，功率消耗小，主頻率可達(dá)到533 MHz，滿足了對(duì)智能管理和監(jiān)視的要求。這個(gè)模塊的主要作用如下：

（1）在機(jī)架上讀出單板的硬件地址[1]；

（2）采用 Handle Switch接口，完成了單板的熱插、上、下兩種電源；

（3）采用I2C界面進(jìn)行管理指令交互；

（4）在各種條件下，實(shí)現(xiàn)控制指示燈的亮和熄滅；

（5）可調(diào)整機(jī)架風(fēng)機(jī)的速度；

（6）與負(fù)荷進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

（7）監(jiān)控單板關(guān)鍵線路的電壓及核心芯片的溫度值；

（8）采用網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測；

（9）通過 GPIO發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

S3C2440包含27條地址線ADDR，8條選擇信號(hào)nGCS0～nGCS7，與BANK0～BANK7相對(duì)應(yīng)。目前市場上僅有32 bit寬的 同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM），通常采用兩個(gè)16 bit SDRAM來擴(kuò)充32 bit SDRAM。

所選 SDARM為HY57V561620F，4 bit×16，32 Mbyte，SDRAM的內(nèi)部是一組存儲(chǔ)器，可以將其視為一張表。與表格的查找原則相同，確定數(shù)據(jù)行與數(shù)據(jù)列，這樣就能精確地查找到所需的數(shù)據(jù)。此表被稱作“邏輯連接”。當(dāng)前 SDRAM的主要特點(diǎn)是4個(gè) BANK，首先指定 BANK，其次是行，最后是列，這是 SDRAM地址的基本原則[2]。

1.2 通信模塊

AD9361是 ADI公司開發(fā)的高性能、高集成度RF捷變接收機(jī)，是目前應(yīng)用軟件無線電通信的一個(gè)很好的選擇，其特點(diǎn)如下：

（1）能夠同時(shí)完成發(fā)射與接收的功能，也就是說，能夠支持二次發(fā)射和二次接收；

（2）DAC及 ADC具有12位寬；

（3）覆蓋70 MHz～6.0 GHz的廣泛操作頻率；

（4）有兩種工作方式，即時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）以及頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）；

（5）發(fā)射與接收信道帶寬在200 kHz～56 MHz（受限于模擬濾波器的帶寬）[3]；

（6）數(shù)字界面支持低電平差分信號(hào)（Low Voltage Differential Signal，LVDS）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）兩種方式；

（7）模擬界面包括兩個(gè)接收機(jī)，12路單端輸入，兩個(gè)發(fā)送器；

（8）在接收信道的增益控制中，有兩種方式，一種是人工增益控制（Manual Gain Control，MGC），另一種是自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control，AGC）；

（9）一種用于產(chǎn)生本振的內(nèi)部集成了一個(gè)小數(shù)N分頻頻率合成器，它具有2.4 Hz的最大步進(jìn)。

AD9361內(nèi)置有高密度的功放、混頻器、本振產(chǎn)生、濾波器、 ADC/DAC等功能，要想讓AD9361具有足夠的靈活性，首先要了解AD9361的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它包括發(fā)射信道、接收信道、 PLL模塊。PLL部分主要是將外部晶振輸入到時(shí)鐘，經(jīng)數(shù)控晶體振蕩器（Digitally Canpensate Crystal Oscille，DCXO），由內(nèi)部的小數(shù)N分頻機(jī)構(gòu)產(chǎn)生發(fā)射與接收所需要的本振信號(hào)，再將一條線路送至 BBPLL ，用于生成 ADC/DAC所需要的取樣時(shí)鐘，和接收端的 DATACLK、RXFRAME等。

它被分成RX信道1和 RX信道2，各自對(duì)I、Q信號(hào)進(jìn)行處理，從左至右可以看到，所接收的模擬信號(hào)經(jīng)過選擇器進(jìn)入LNA，再進(jìn)入混合器，用PLL部件輸入的本振信號(hào)，將I、Q兩個(gè)信號(hào)分別解調(diào)，隨后再進(jìn)行相同的工作，再經(jīng)過一個(gè)放大器和一個(gè)模擬低通濾波器（最大帶寬是56 MHz），然后進(jìn)入ADC，進(jìn)行模-數(shù)變換，在此，ADCclk是BBPLL提供的，后面的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過3個(gè)半帶濾波器和FIR濾波再輸出，所有的數(shù)字濾波器都能被不同地抽取，從而減少取樣速度，從而使所輸出的數(shù)據(jù)具有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)率[4]。

1.3 FPGA模塊

IPMC與單板上的核心設(shè)備FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可以了解到系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程和設(shè)備的工作狀態(tài)。EP2S90F1020是阿爾特拉公司生產(chǎn)的Stratix II系列 FPGA芯片。Stratix II是90納米系列的第2代高性能 FPGA。EP2S90F1020采用先進(jìn)的FPGA架構(gòu)，其主要包括：

（1）自適應(yīng)邏輯模塊36384個(gè)；

（2）擁有72768個(gè)可調(diào)整的查詢表；

（3）有90960個(gè)邏輯單位；

（4）RAM存儲(chǔ)器空間為4520488字節(jié)；

（5） DSP組件48個(gè)；

（6）具有192 bit乘以18 bit的倍數(shù)；

（7）最多存在902個(gè)輸入/輸出管腳。

自適應(yīng)邏輯模塊主要包括自適應(yīng)查詢表、寄存器、專用完全加法器、寄存器、進(jìn)位鏈、共享算術(shù)鏈和直接連接等。EP2S90F1020具有4種工作模式，分別為擴(kuò)充查詢表模式、普通模式、算術(shù)模式和分項(xiàng)算術(shù)模式，擴(kuò)展的查詢表方式有7 bit的輸入。

2 人工智能技術(shù)的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 電網(wǎng)安全校核智能管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

運(yùn)用人工智能技術(shù)，可以充分利用其低成本、高能效和網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢。利用人工智能構(gòu)建的平臺(tái)無須服務(wù)器，節(jié)省了服務(wù)器的采購和維護(hù)費(fèi)用；通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算和數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，降低了人工的操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化[5]。人工智能的模型如圖1所示。

圖1 人工智能模型

該系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)，對(duì)工程項(xiàng)目的審計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、重組，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、方法庫、模型庫。此數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的目的是加強(qiáng)現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，減少員工操作風(fēng)險(xiǎn)，確保現(xiàn)場作業(yè)的安全運(yùn)行。首先要改進(jìn)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，雖然數(shù)據(jù)庫中的信息數(shù)據(jù)的增刪處理經(jīng)常發(fā)生，而且數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的變化也很大，但數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，而以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)一般采用3層結(jié)構(gòu)模式，通過對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，從而確定哪些工作場所有較大的危險(xiǎn)，哪些時(shí)段有可能發(fā)生違規(guī)，將電力現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分為模式、模式以及外模式等3級(jí)抽象模式。

為減少員工在工地上的工作危險(xiǎn)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)多個(gè)表，如電網(wǎng)設(shè)備型號(hào)表、狀態(tài)表、用戶基本信息表等，這些表并不是獨(dú)立的，而是由各個(gè)關(guān)鍵字連接起來，組成了一個(gè)現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。其中，用戶基礎(chǔ)資料信息表主要用于存儲(chǔ)用戶的詳細(xì)資料和存取權(quán)限，而電力設(shè)備的基礎(chǔ)資料則是用于存儲(chǔ)某些設(shè)備的基礎(chǔ)資料。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)判定

通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的過濾，采用人工智能技術(shù)將電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)分成幾個(gè)子集，然后對(duì)各個(gè)子集進(jìn)行分析，選出影響最大的一個(gè)，再對(duì)選定的單元進(jìn)行分割，如此反復(fù)，直至最終的子集僅含有特定的數(shù)據(jù)。

將樣本信息期望值表示為：

式中：pi代表第i個(gè)類別。

將信息增益計(jì)算公式表示為：

式中：E(Q)代表期望信息的計(jì)算值；A1、A2、Ax分別代表每個(gè)信息的增益值。

基于上述過程能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)增長的信息，然后實(shí)時(shí)處理這些信息，以此完成電網(wǎng)安全校核智能管理。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證所提出的基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)的有效性，將傳統(tǒng)系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要對(duì)比兩種系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全校核的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 電網(wǎng)異常校核的實(shí)時(shí)性對(duì)比

通過表1可以看出，本文提出的基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)間在2 min之內(nèi)，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)用時(shí)更快，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)異常情況。

準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 異常發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確性對(duì)比

通過表2可知，所提出的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常準(zhǔn)確性能夠保持在98%以上，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性更高，有效提高了校核的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)安全提供幫助。

4 結(jié) 論

基于上述過程完成基于人工智能技術(shù)的電網(wǎng)安全校核智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的方法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，滿足設(shè)計(jì)需求。然而由于時(shí)間有限，所提出的方法還有不足之處，在后續(xù)研究中還需要進(jìn)一步優(yōu)化。