基于大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)狀態(tài)實驗仿真

謝科軍

摘要：本文在電力系統(tǒng)仿真實驗室的基礎(chǔ)上依靠電力系統(tǒng)仿真軟件，組建了基于大數(shù)據(jù)分析方法的電力系統(tǒng)狀態(tài)仿真平臺。其中包括了組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的軟件和硬件部件，整體組合結(jié)構(gòu)以及基于大數(shù)據(jù)分析的接口技術(shù)和軟件系統(tǒng)。通過對風(fēng)電系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)仿真分析，得出相應(yīng)的分析結(jié)果。該平臺可用于廣大科研院所的教學(xué)研究和仿真分析，并可以將傳統(tǒng)結(jié)果與大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行結(jié)合用以進(jìn)一步的研究。

Abstract： Based on the power system simulation laboratory， this paper builds up the power system simulation platform based on the big data analysis method with the power system simulation software， which includes the software and hardware components that make up the system architecture， the overall composite structure， and the interface technology and software system based on big data analysis. Through the simulation analysis of the big data of the wind power system， the corresponding analysis results are obtained. The platform can be used for teaching research and simulation analysis of scientific research institutes， and can combine traditional results with big data analysis for further research.

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)分析；電力系統(tǒng)；狀態(tài)實驗仿真

Key words： big data analysis；power system；state experiment simulation

中圖分類號：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）35-0173-02

0 引言

如今隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析作為一種成熟的分析手段已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)系統(tǒng)中。其中基于大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)分析早已開始發(fā)展。而國內(nèi)在該方面的研究卻處于初始起步階段，特別是將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)特性分析方法與大數(shù)據(jù)分析方法，分析算法和理論分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。就目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展來看，還處于理論儲備階段，僅僅是對大數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用開發(fā)、調(diào)整和二次開發(fā)，以及對平臺組建與平臺架構(gòu)的探索等階段，并沒有找到將理論轉(zhuǎn)化為具體應(yīng)用的結(jié)合點。就大數(shù)據(jù)而言，該方法并沒有對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行任何縮減處理，而是在最原始的數(shù)據(jù)層面對數(shù)據(jù)進(jìn)行原始信息的挖掘與處理。大數(shù)據(jù)并不像傳統(tǒng)的分散數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而是將各孤立信息組合成復(fù)雜的數(shù)據(jù)集合進(jìn)行分析算法的處理與加工，達(dá)到實現(xiàn)目標(biāo)結(jié)果分析的目的。其內(nèi)容簡要概括如下：①數(shù)據(jù)預(yù)處理。實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的初步選擇與處理，并進(jìn)行相應(yīng)的存儲。②數(shù)據(jù)分析。對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)形式、原始特征、分析邏輯關(guān)系、研究分析算法。③分析性能。對分析算法進(jìn)行研究，論證算法的優(yōu)劣及相應(yīng)的改進(jìn)措施。④算法優(yōu)化設(shè)計。基于以上的分析對算法進(jìn)行優(yōu)化。⑤仿真評估。對分析理論和平臺進(jìn)行論證研究。

當(dāng)前國內(nèi)高校的大數(shù)據(jù)分析更多的是對算法的分析優(yōu)化，并沒有將大數(shù)據(jù)分析的手段很好的應(yīng)用于實際的系統(tǒng)研究中，而且缺乏相應(yīng)的平臺可以使用。所以，對校園中組建基于大數(shù)據(jù)分析的仿真平臺是進(jìn)一步研究的必然趨勢。當(dāng)然這需要將實驗室得到的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行很好的結(jié)合。

1 傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)狀態(tài)仿真

要進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析首先要有大量的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)原，由于當(dāng)前院校中實驗數(shù)據(jù)缺乏且以往數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行很好的存儲保存，所以要將校內(nèi)電網(wǎng)中的實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，以作為主要數(shù)據(jù)源。實驗室中的仿真軟件已經(jīng)可以得到與真實實驗數(shù)據(jù)較為擬合的結(jié)果，并可以根據(jù)所研究的需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。以下分別介紹了傳統(tǒng)實驗方法和軟件仿真方法。

①電力系統(tǒng)實驗室模擬。電力系統(tǒng)實驗室往往是根據(jù)相似原理組建的實驗仿真平臺。它能動態(tài)模擬電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況和擾動，并與真實狀態(tài)擬合度較高，是常用的實驗分析手段。實驗室由模擬的發(fā)電機(jī)組和交、直流模擬輸電線路、無窮大的電源，負(fù)載和相應(yīng)的控制設(shè)備，并通過微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測、存儲、錄波和遙視等功能。實驗室平臺可以對電力系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)以及暫態(tài)運(yùn)行進(jìn)行模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作和自定義設(shè)置。對實驗結(jié)構(gòu)可以通過監(jiān)控平臺進(jìn)行全過程輸出。

因此，通過實驗室產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)是理想的數(shù)據(jù)來源，但是一方面限于實驗室的規(guī)模，通過實驗得到的數(shù)據(jù)量小，無法滿足大數(shù)據(jù)的需求.另一原因，實驗室得到的數(shù)據(jù)僅僅是電網(wǎng)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，缺少外部數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。故需要將其與其他數(shù)據(jù)源組合使用。

②電力系統(tǒng)仿真軟件PSD-BPA。PSD-BPA是PSD電力系統(tǒng)中分析軟件包中的一個分析軟件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各大研究單位和科研高校。PSD-BPA的程序規(guī)?？蛇_(dá)10000個節(jié)點、40條兩端直流線路、15200條支路、25條多端直流線路，以及120個功率交換區(qū)域。PSD-BPA包括了潮流計算程序、暫態(tài)穩(wěn)定程序、短路電流程序、小干擾穩(wěn)定分析程序等程序功能模塊。endprint

③電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器RTDS（Real Time Digital Simulator）。RTDS（實時數(shù)字仿真器）是一種實時全數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，由加拿大曼尼托巴HVDC研究中心下屬的RTDS公司開發(fā)。RTDS的算法與EMTP仿真程序相同，但其運(yùn)算速度要強(qiáng)勁的多，這歸因于其強(qiáng)大的計算能力。同時RTDS仿真系統(tǒng)可以處理廣泛的頻率范圍，因此RTDS可以理想的處理和分析電力系統(tǒng)的各種問題。

RTDS電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)由功能強(qiáng)勁的計算機(jī)硬件和大量的處理分析軟件組成。其主要特點有：頻率特性范圍大、建模周期短、處理方便靈活、計算速度和精度高。其中，RTDS硬件基于DSP（數(shù)字信號處理器）和并行計算，所以RTDS的計算速度很高，可以實現(xiàn)實時輸出。其次，RTDS可以實現(xiàn)在維持實時條件下連續(xù)運(yùn)行，能夠針對電力系統(tǒng)方程進(jìn)行快速求解，并連續(xù)輸出實際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。從這點來看，RTDS仿真系統(tǒng)除了能實現(xiàn)對保護(hù)系統(tǒng)的閉環(huán)試驗，還能針對保護(hù)設(shè)備的整體性能進(jìn)行校驗分析。

以上簡述了3種常見的用于仿真電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的商用軟件系統(tǒng)，這些系統(tǒng)均可以很好的實現(xiàn)對電力系統(tǒng)實際運(yùn)行狀況的仿真且具有良好的仿真效果。在這些系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)之上就可以進(jìn)行基于大數(shù)據(jù)分析方法的分析和處理。當(dāng)然不足之處也在于這些通過數(shù)學(xué)模型得出的數(shù)據(jù)畢竟與真實系統(tǒng)存在差異，這需要進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化。

2 基于大數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)仿真平臺的架構(gòu)

電力系統(tǒng)模擬實驗室和仿真軟件系統(tǒng)是電力系統(tǒng)專業(yè)中常用到的研究設(shè)備。其不僅可以很好的仿真現(xiàn)實中電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以產(chǎn)生大量的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些狀態(tài)數(shù)據(jù)為進(jìn)一步的大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。故將他們相互結(jié)合統(tǒng)一就可以得到可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的更高平臺，即基于大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)狀態(tài)仿真平臺。

具體仿真過程分為以下四個步驟：

①組合電力系統(tǒng)狀態(tài)的基本數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)分析的特征就在于有大量的實際狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，只有數(shù)據(jù)具有大量的全面真實的信息量，才可以得出有用的信息特征。所以首先要做的就是對信息的收集和整合。具體來說就是采用相應(yīng)的方法將不同系統(tǒng)、不同時域、不同顆粒度、不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后將各來源的數(shù)據(jù)按照國際規(guī)定格式CIM進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成大數(shù)據(jù)仿真平臺所需的格式。

②數(shù)據(jù)預(yù)處理。對數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、刪減、整合，使之形成用以表征目標(biāo)狀態(tài)的空間向量模型。它包括兩道關(guān)鍵工序，首先是針對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和預(yù)處理，其次是基于所分析問題的目標(biāo)形成數(shù)據(jù)向量空間，包括訓(xùn)練集和隨機(jī)測試向量集。

③大數(shù)據(jù)分析處理。該部分就是對電力系統(tǒng)中運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，其中主要的分析處理方法分為有目標(biāo)和無目標(biāo)兩種。這兩種方法都包含了相同的處理步驟：基于大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)科技進(jìn)行降維、聚類、線性或非線性判別，歸納總結(jié)狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，再針對狀態(tài)信息的隨機(jī)行為通過馬爾科夫模型、貝葉斯估計等分析方法進(jìn)行深入研究，借助組合多學(xué)習(xí)器深入挖掘各種非線性關(guān)系。該步驟的分析過程可以以商用的大數(shù)據(jù)分析軟件包為依托，也可以根據(jù)需要在仿真軟件平臺上編寫自己的算法進(jìn)行分析處理。

④分析結(jié)果可視化。該部分的主要內(nèi)容是對大數(shù)據(jù)分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和驗證與電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否符合結(jié)果，若出現(xiàn)與電力系統(tǒng)狀態(tài)、機(jī)理或經(jīng)驗不一致的情況，首先要分析是否發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，其次要判斷是否是因為結(jié)果出錯。該步驟要將結(jié)果與電力系統(tǒng)基本知識基本原理相結(jié)合以進(jìn)行糾錯與梳理。最后將結(jié)果通過可視化步驟直觀的表現(xiàn)出來。

綜上，搭建大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)平臺由實驗室及仿真軟件接口、大數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、可視化輸出系統(tǒng)構(gòu)成，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、可視化表達(dá)等一系列過程。大數(shù)據(jù)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示包括：服務(wù)器、中央處理器、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)接口和電源、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口。軟件框架包括：操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)、虛擬操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等。

3 風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)TTC信息和調(diào)度規(guī)程的算例分析

由于風(fēng)電的接入會對TTC數(shù)值分布和調(diào)度規(guī)則產(chǎn)生影響。所以要通過電力系統(tǒng)仿真軟件對聚類風(fēng)電出力和負(fù)載水平進(jìn)行多場景運(yùn)行狀態(tài)的故障和潮流仿真，并生成大數(shù)據(jù)。計算TTC風(fēng)險閾值可以對調(diào)度安排提供依據(jù)。TTC受載荷特性、風(fēng)電場特性、風(fēng)電出力等系統(tǒng)狀態(tài)的影響，故場景聚類中心的TTC數(shù)值可以很好的表征不同場景所對應(yīng)的TTC信息。單一場景TTC風(fēng)險閾值計算包括：基態(tài)潮流計算、初始化故障序列、TTC計算等步驟。

當(dāng)前輸電斷面安全標(biāo)準(zhǔn)為率小于某固定預(yù)設(shè)功率的斷面實際傳輸功。沒有考慮到TTC受系統(tǒng)的影響，故無法很好利用。由于電力系統(tǒng)的高度非線性性，故通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對輸電斷面與運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行分析提取。主要步驟包括：建立數(shù)據(jù)樣本空間、選擇特征屬性、規(guī)則提取與表達(dá)。

4 結(jié)語

本文通過將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與現(xiàn)有電力系統(tǒng)仿真平臺有機(jī)整合提出基于大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)狀態(tài)仿真平臺，并給出了詳細(xì)的分析處理過程和相應(yīng)的軟、硬件架構(gòu)。該平臺以科研院校電力專業(yè)的仿真實驗室和仿真軟件提供的狀態(tài)數(shù)據(jù)為支撐，通過相應(yīng)的大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)可視化的表達(dá)目標(biāo)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上提取含風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)信息和調(diào)度規(guī)則的方法的算例，對平臺的操作過程進(jìn)行了初步解析。該平臺不僅能很好的繼承傳統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)，而且可以結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

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