解瑩

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省太原市 030006）

智能化是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，隨著智能電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中占比提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)運維管理方式得到系統(tǒng)性革新，信息化、智能化的管理手段融入到電網(wǎng)運維當(dāng)中，給運維管理帶來極大便利。較早的信息化運維管理系統(tǒng)基于異常分析算法設(shè)計，存在算法應(yīng)用復(fù)雜、占系統(tǒng)內(nèi)存較大、CPU 運行速率減低等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能發(fā)揮并不理想。針對該問題，大數(shù)據(jù)聚類分析算法被提出，其能夠幫助解決算法運算困難、迭代次數(shù)過多的問題，進(jìn)一步提高運維系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。

1 大數(shù)據(jù)聚類分析理論

物聯(lián)網(wǎng)包括基本事件、對象事件、交易事件、聚合事件和數(shù)量事件五個事件類型，這些事件基本概括了工業(yè)領(lǐng)域中可能產(chǎn)生的全部事件。大數(shù)據(jù)聚類分析過程即為工業(yè)領(lǐng)域各類事件的分析處理過程，可大致分為事件解析、事件定義、模式分析及量化處理等環(huán)節(jié)，以量化的事件間距作為聚類分析依據(jù)。

1.1 事件解析及事件定義

將事件解析為原子事件，并定義原子事件，基于定義后的原子事件明確各事件間的相互關(guān)系，以便于量化分析事件屬性。首先，將事件定義為＜ID;Domain;Alias;Type;Times;Stimulation;Location＞，其中，ID 表示事件唯一標(biāo)識符；Domain 表示交易事件問題域所在位置；Alias 為事件名稱；Type 為事件類型；Time 為事件發(fā)生時間節(jié)點；Stimulation 為事件觸發(fā)條件；Location 為事件發(fā)生地理位置[1]。其次，確定事件間相互關(guān)系，主要包括因果關(guān)系、協(xié)同關(guān)系和同生關(guān)系三類。最后。對原子事件作排列組合，形成新的事件數(shù)據(jù)流，該事件數(shù)據(jù)流用以事件模型關(guān)系處理。該事件流為排列組合，因此無先后順序和序號差異，能夠適應(yīng)多種業(yè)務(wù)類型。

1.2 模式分析及量化處理

進(jìn)行相關(guān)屬性量化；將商品屬性值編碼前8 位的二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制1-255；將時間二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制；依照地點位置將數(shù)據(jù)按大小順序劃分為0-15。然后對數(shù)據(jù)作規(guī)格化處理，方便后期計算。數(shù)據(jù)規(guī)格化的方法為：式中，maxai、minai分別為元素第i 項屬性的最大值和最小值。

2 電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 框架構(gòu)建

考慮到電網(wǎng)信息化運維對系統(tǒng)規(guī)模、集成化程度、智能化程度的要求，決定使用ExtJs+Spring+iBatis 型架構(gòu)。該架構(gòu)為B/S 架構(gòu)，由展示層、控制層、業(yè)務(wù)層、持久層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成，利用IE 瀏覽器、FireFox 等進(jìn)行系統(tǒng)測試，以確保系統(tǒng)UI 具備足夠的兼容性。另外，該系統(tǒng)可同時支持J2EE1.5 和Servlet3.0 規(guī)范，確保系統(tǒng)可擴(kuò)展性和綜合性能。系統(tǒng)框架設(shè)計中充分融入MVC 思想，形成更加清晰、層次分明的架構(gòu)。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 感知芯片

選用集成芯片類型，將用電采集、系統(tǒng)調(diào)度、故障診斷等功能模塊整合到同一自定義系統(tǒng)當(dāng)中。感知芯片采用12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，集成速率在1MHz、輸入方式為16 路單端或8 路差分組合，采用RS232 和RS485 雙獨立串口作為通信接口，通信協(xié)議包括自定義ASC Ⅱ協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議和用戶配置協(xié)議。芯片精度級在0.1%，采用1500V DC 的電源通訊接口，電源與模擬量輸入端為3000V DC[2]。

2.2.2 中央控制器

中央控制器通過既定協(xié)議，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備的狀態(tài)控制，其在硬件系統(tǒng)內(nèi)占據(jù)核心位置。電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)中央控制器將CPU 與其他電路相集成，形成完整的微計算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括RAM、ROM、串行接口、并行接口等結(jié)構(gòu)。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊與各單片機(jī)、通信設(shè)備、PLC 設(shè)備及各類儀器儀表相連接，使用觸摸屏或PLC 完成信息通信。數(shù)據(jù)傳輸模塊支持PLC 間的無線傳輸、一對多或多對多等多種通信類型，可滿足TCP/IP、UDP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的使用要求，以HTTP POST 形式完成設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳遞。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊同樣采用融合處理器，將數(shù)據(jù)整合后，進(jìn)行去量綱、去噪、壓縮、轉(zhuǎn)換等一系列處理。電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理器采用單芯片CPU 的微處理器類型。

2.2.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊為系統(tǒng)可視化顯示窗口，可顯示系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)監(jiān)控情況，提供參數(shù)調(diào)整功能，考慮到運維管理人員操作的便捷性，使用觸摸屏可視化設(shè)備。本文研究設(shè)計方案所使用的觸摸屏設(shè)備基本參數(shù)為：分辨率：800×800；存儲容量：200MB；功率：≤5W；運行溫度要求：-10～70℃；運行濕度要求：≤85%。

2.3 軟件設(shè)計

大數(shù)據(jù)聚類分析分為多種類型，如分層聚類、模糊聚類、k 均值聚類等。本文研究的電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)采用系統(tǒng)聚類的形式，完成電網(wǎng)異常數(shù)據(jù)的跟蹤監(jiān)控，其聚類原理為：計算各組數(shù)據(jù)間距離，將距離相近的數(shù)據(jù)歸為一類，距離較遠(yuǎn)的為另一類，循環(huán)計算完成全部數(shù)據(jù)的聚合，從電網(wǎng)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確篩選異常數(shù)據(jù)[3]。從以上原理可以看出，聚類分析的重點在于數(shù)據(jù)間距離的計算，常見距離有歐氏距離、曼哈頓距離、馬氏距離等。

2.4 功能實現(xiàn)

2.4.1 電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控

基于大數(shù)據(jù)聚類分析的電網(wǎng)自動化運維系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運行狀況作實時監(jiān)控，使運維管理人員能夠隨時隨地了解電網(wǎng)中各類設(shè)備的運行狀態(tài)，以便第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行異常，并開展相應(yīng)的檢修維護(hù)工作。在電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控功能的輔助下，電網(wǎng)故障風(fēng)險防控帶有明顯的事前預(yù)防屬性，可提高運維管理人員對電網(wǎng)運行風(fēng)險的敏感程度，及時將故障風(fēng)險扼殺，避免影響系統(tǒng)的正常運行。

電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控由以下三個功能模塊構(gòu)成：

（1）電力設(shè)備狀態(tài)實時評估。系統(tǒng)實時采集電網(wǎng)各類設(shè)備的運行狀態(tài)信息、故障信息及設(shè)備臺賬信息，通過大數(shù)據(jù)聚類分析，對某一時刻電網(wǎng)中各類設(shè)備的運行狀態(tài)做可靠評價，對比設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，確定其是否處于正常、高效的運行狀態(tài)，以結(jié)合判斷結(jié)果給出報警提示。該功能啟用后，電網(wǎng)設(shè)備運行穩(wěn)定性和安全性顯著提高。

（2）設(shè)備荷載水平實時評估?；诖髷?shù)據(jù)聚類分析的電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)借助遙感技術(shù)，對處于系統(tǒng)各層級、模塊的設(shè)備做綜合監(jiān)控，實時了解設(shè)備負(fù)載率、空載、過載等情況，并確定各類荷載狀況的產(chǎn)生原因、發(fā)展趨勢等。若系統(tǒng)檢測到設(shè)備荷載激增的現(xiàn)象，可對其原因作深入分析，確定荷載激增所帶來的負(fù)面影響，以此為出發(fā)點制定系統(tǒng)運維管理改進(jìn)方案，盡可能避免超負(fù)荷運行的現(xiàn)象。

（3）設(shè)備運行缺陷剖析。電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)借助PMS2.0設(shè)備缺陷流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信息，可對電網(wǎng)設(shè)備本身存在的缺陷作出全方位分析和自動化預(yù)警，找出缺陷產(chǎn)生原因，直到缺陷被消除后，預(yù)警解除。

（4）設(shè)備跳閘動作控制。電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)采集與電網(wǎng)運行有關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息，以此為基礎(chǔ)，可對電網(wǎng)各層級產(chǎn)生的跳閘動作、跳閘頻次、斷線等問題及產(chǎn)生的負(fù)面影響做有效監(jiān)督，統(tǒng)計跳閘動作發(fā)生的時間、位置、持續(xù)時長、主要原因等，以輔助跳閘風(fēng)險防控方案的優(yōu)化制定，通過運維管理強(qiáng)化，有效減少跳閘故障的發(fā)生。

2.4.2 電網(wǎng)運維監(jiān)管

電網(wǎng)運維管理工作開展情況與電網(wǎng)運行質(zhì)量密切相關(guān)，因此在電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)中，融入運維管理工作狀態(tài)監(jiān)管及評價功能，形成完善的運維管理系統(tǒng)，不斷改進(jìn)運維管理工作方式。

（1）停電搶修。輸電線路跳閘、配網(wǎng)搶修、投訴處理等工作均可在大數(shù)據(jù)聚類分析的輔助下進(jìn)行，詳細(xì)呈現(xiàn)故障狀態(tài)，并通過關(guān)鍵信息監(jiān)控，實現(xiàn)停電搶修過程的可視化。

（2）日常檢修。依照系統(tǒng)給出的電網(wǎng)故障信息和檢修過程數(shù)據(jù)，可對檢修工作作全方位統(tǒng)計，確定檢修次數(shù)、頻率、取得成果、成本消耗等。對比標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，客觀分析是否存在過度檢修、超期限檢修或檢修不到位的問題，配合績效考核、獎懲機(jī)制等措施，以督促檢修人員嚴(yán)格依照電網(wǎng)檢修規(guī)范的要求開展日常檢修工作，確保電網(wǎng)高質(zhì)量運行。

（3）帶電作業(yè)。以電網(wǎng)帶電作業(yè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析帶電作業(yè)過程中是否存在人力資源分配不當(dāng)或資源緊缺的問題。

2.4.3 電網(wǎng)指標(biāo)監(jiān)測

電網(wǎng)指標(biāo)監(jiān)測即對電網(wǎng)運行過程中，各類設(shè)備設(shè)施、工程活動的有關(guān)指標(biāo)做動態(tài)化跟蹤和分析，預(yù)先設(shè)置各項指標(biāo)的合理區(qū)間，由系統(tǒng)自動進(jìn)行指標(biāo)走勢跟蹤，若發(fā)現(xiàn)超區(qū)間問題及時給出報警提示并進(jìn)行異常診斷。

電網(wǎng)指標(biāo)監(jiān)測的對象主要包括以下幾點：

（1）電網(wǎng)規(guī)模。電網(wǎng)規(guī)模指標(biāo)包括電纜化率、聯(lián)絡(luò)率、平均供電半徑等，系統(tǒng)可將以上指標(biāo)可視化，跟蹤觀察指標(biāo)實際值的變化情況，若發(fā)現(xiàn)某指標(biāo)數(shù)值達(dá)到臨界點，及時進(jìn)行預(yù)警，并幫助運維管理人員進(jìn)行檢修方案制定[4]。

（2）電網(wǎng)檢修。檢修指標(biāo)包括計劃檢修完成率、檢修時長、帶電作業(yè)率等，跟蹤指標(biāo)變化情況，開展超限預(yù)警工作。

（3）電網(wǎng)搶修。搶修指標(biāo)指的是到場及時率、派單及時率、搶修時長等，跟蹤指標(biāo)變化，監(jiān)控超限情況，對指標(biāo)異常原因做深入分析，并輔助制定處理方案。

（4）電網(wǎng)運行。運行指標(biāo)指的是設(shè)備消缺率、供電可用系數(shù)、低電壓率等，觀察電網(wǎng)運行指標(biāo)變化，對超限情況做監(jiān)控預(yù)警，以輔助故障診斷及檢修維護(hù)工作的開展。

（5）電網(wǎng)自動化。電網(wǎng)自動化指標(biāo)有自動化覆蓋率、供電損失降低量、故障自動處理頻次等。

3 電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)應(yīng)用案例

仿真測試：

為評估基于大數(shù)據(jù)聚類分析電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)性能，以某電網(wǎng)低壓端用電信息為樣本，對系統(tǒng)作仿真測試，該樣本數(shù)據(jù)集中包括有效數(shù)據(jù)56570550 條。

以算法迭代次數(shù)、運行內(nèi)存、CPU 頻率三項指標(biāo)，衡量信息化運維系統(tǒng)性能高低。其中，算法迭代次數(shù)指的是單次運算中算法循環(huán)次數(shù)，該數(shù)值越低，說明系統(tǒng)性能越好。運行內(nèi)存即支持系統(tǒng)運行所需的內(nèi)存空間。CPU 頻率指的是CPU 時鐘頻率，及CPU 運算過程的工頻。

選取基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹的信息化運維系統(tǒng)，與基于大數(shù)據(jù)聚合的系統(tǒng)做對比分析，得到如下測試結(jié)果：

（1）迭代次數(shù)。基于大數(shù)據(jù)聚合的運維系統(tǒng)算法迭代次數(shù)在5.5次，而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹的運維系統(tǒng)，算法迭代次數(shù)分別達(dá)到7.1 次和7.7 次，要明顯多于前者。

（2）運行內(nèi)存?；诖髷?shù)據(jù)聚合的運維系統(tǒng)運行過程中，占用運行內(nèi)存為1.3MB，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運維系統(tǒng)運行內(nèi)存為2.0MB，決策樹為2.4MB。

（3）CPU 頻率?；诖髷?shù)據(jù)聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹的電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)運行中，CPU 頻率分別達(dá)到6.5Hz、5.6Hz 和4.6Hz[5]。

通過對比分析可以清晰地發(fā)現(xiàn)，基于大數(shù)據(jù)聚類分析進(jìn)行電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)設(shè)計，其性能水平得到顯著提升，說明前文介紹設(shè)計方案有較高的可行性。

4 結(jié)論

相較于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹等算法，大數(shù)據(jù)聚類分析算法可有效提高電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)運行性能，進(jìn)而達(dá)到縮短電網(wǎng)運維檢修平均時長、節(jié)約人力和物理資源、提高電網(wǎng)運行質(zhì)量的目的。相關(guān)企業(yè)在構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)聚類分析的電網(wǎng)信息化運維系統(tǒng)時，應(yīng)從自身運維管理需求出發(fā)，預(yù)留足夠的系統(tǒng)升級空間，以更好應(yīng)對電網(wǎng)智能化對運維水平提出的要求。