基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的電能系統(tǒng)集成及應(yīng)用研究

李 揚(yáng)，李紅霞，劉 飛，喬新輝，李 楠，黃存強(qiáng)

（1.北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海西寧 810000）

新興的信息技術(shù)如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算迅速發(fā)展。各國(guó)都在積極推進(jìn)大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推動(dòng)各類數(shù)據(jù)資源開放共享[1]。美國(guó)在2012 年啟動(dòng)了大數(shù)據(jù)研究與發(fā)展項(xiàng)目，并在2014 年建立了猶他州大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了因特網(wǎng)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理。這些數(shù)據(jù)可由各部門根據(jù)其職責(zé)和需要進(jìn)行分析、處理和使用[2]。如今，大數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面，特別是在商業(yè)技術(shù)、教育、醫(yī)療、環(huán)境、交通、地理信息等領(lǐng)域，正在孕育著各行各業(yè)不斷變化[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)大數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用首先是在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)前，大數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、市場(chǎng)營(yíng)銷、視頻監(jiān)控、人工智能、金融服務(wù)等領(lǐng)域，此外，全國(guó)測(cè)繪地理信息行業(yè)同樣非常重視大數(shù)據(jù)的研究和應(yīng)用[4]。我國(guó)原始地理信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)存在問(wèn)題，如復(fù)雜的電力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和應(yīng)用服務(wù)，管理效率低下，電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的整合困難，這些問(wèn)題都無(wú)法滿足快速的信息數(shù)據(jù)收集和不斷涌現(xiàn)的新數(shù)據(jù)類型，以及不斷增加的個(gè)性化應(yīng)用需求[5]。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的電力能源系統(tǒng)集成技術(shù)及應(yīng)用研究。

1 基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的電能系統(tǒng)集成方法

1.1 時(shí)空大數(shù)據(jù)框架建設(shè)

在青海電力系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)是信息時(shí)空大數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重點(diǎn)。時(shí)空數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)資源主要有4 個(gè)部分：匯聚數(shù)據(jù)庫(kù)、資源數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、目錄數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)[6]。收集、整合地理信息時(shí)空數(shù)據(jù)并輸出，時(shí)空大數(shù)據(jù)框架如圖1 所示。

圖1 時(shí)空大數(shù)據(jù)框架

1）匯集數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)數(shù)據(jù)源將未構(gòu)建的數(shù)據(jù)組織起來(lái)，通過(guò)收集、分類和排序構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換和訪問(wèn)，直接將構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果納入數(shù)據(jù)庫(kù)池中，由此奠定數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)基礎(chǔ)[7]。

2）資源數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)所收集到數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較、整合、規(guī)范，形成資源數(shù)據(jù)庫(kù)[8]?；跀?shù)據(jù)類型和應(yīng)用服務(wù)的需求來(lái)組織數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，該數(shù)據(jù)庫(kù)作為時(shí)空大數(shù)據(jù)的核心，其作用是提供覆蓋全省的多時(shí)段數(shù)據(jù)支持服務(wù)[9]。地理空間要素?cái)?shù)據(jù)需要實(shí)現(xiàn)匯總數(shù)據(jù)、整合地理國(guó)情信息數(shù)據(jù)和市縣基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的地形要素，這是構(gòu)建資源庫(kù)的核心[10-11]。

3）服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)用戶需要對(duì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步進(jìn)行處理，形成多種地理信息數(shù)據(jù)，按地圖類型組織服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，以更好地發(fā)揮時(shí)空大數(shù)據(jù)資源的價(jià)值[12-13]。

4）目錄與元數(shù)據(jù)庫(kù)

在青海電力系統(tǒng)成果網(wǎng)、配電網(wǎng)與國(guó)家地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)全面對(duì)接的基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的管理、應(yīng)用和服務(wù)資源目錄系統(tǒng)，用元數(shù)據(jù)描述時(shí)空大數(shù)據(jù)的各種資源，并編制標(biāo)準(zhǔn)目錄內(nèi)容[14]。

1.2 基礎(chǔ)地理平臺(tái)建設(shè)

按照電能系統(tǒng)現(xiàn)階段的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)信息模型共享和系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，提出了電能系統(tǒng)信息建設(shè)、服務(wù)發(fā)布、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)瀏覽等方面二次開發(fā)的解決方案[15]。其主要功能包括：大容量、多源數(shù)據(jù)集成，三維網(wǎng)格模型的精細(xì)繪制，三維空間的專業(yè)分析，多攝像機(jī)的瀏覽，多層次矢量數(shù)據(jù)融合的實(shí)時(shí)繪制，多對(duì)象繪制等[16]。

圖2 基礎(chǔ)地理平臺(tái)

在三維GIS 平臺(tái)中，數(shù)據(jù)是一個(gè)重要組成部分。電網(wǎng)三維GIS 平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，為提高平臺(tái)建設(shè)效率，每個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)生成、采集、處理，以便平臺(tái)分析和展示，促進(jìn)三維GIS 在電力行業(yè)的應(yīng)用。

1.3 電力能源數(shù)據(jù)集成

電力數(shù)據(jù)集成的核心任務(wù)是集成分布的、相互聯(lián)系的、異構(gòu)的數(shù)據(jù)源，使用戶可以對(duì)其進(jìn)行透明地訪問(wèn)。建立一個(gè)數(shù)據(jù)集成模型，如圖3所示，向用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源訪問(wèn)接口，執(zhí)行用戶的訪問(wèn)請(qǐng)求。

圖3 數(shù)據(jù)集成模型

建立模型時(shí)，將每個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)視圖集成到全局模型中，這樣用戶就可以根據(jù)全局模型對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行透明地訪問(wèn)。該中間件在硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間提供公共服務(wù)。這類服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的編程接口和協(xié)議。針對(duì)不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，可以根據(jù)接口和協(xié)議規(guī)范提供多種服務(wù)。

1.4 能源數(shù)據(jù)挖掘

利用空間協(xié)方差矩陣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，具體步驟如下：

針對(duì)能量系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征向量的在線學(xué)習(xí)行為，計(jì)算離散矩陣：

式（1）中，表示總均值；T表示計(jì)算周期。通過(guò)對(duì)離散矩陣的降序處理，得到相應(yīng)的特征向量，通過(guò)大規(guī)模數(shù)據(jù)特征壓縮器獲得壓縮結(jié)果。

該方法的具體挖掘過(guò)程是：首先，記錄青海電力系統(tǒng)用戶行為信息，收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理；然后，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，使之跳躍到正常網(wǎng)頁(yè)，將信息存儲(chǔ)到知識(shí)庫(kù)中。再提取數(shù)據(jù)，及時(shí)分析當(dāng)前用戶的行為特征。在數(shù)據(jù)入侵分析中，將行為特征作為一種數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，才能獲得高度偽裝的數(shù)據(jù)。

1.5 綜合應(yīng)用及展示

當(dāng)下需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是新能源發(fā)電中電能的轉(zhuǎn)換，即由發(fā)電設(shè)備通過(guò)電源轉(zhuǎn)換裝置輸出電能，與現(xiàn)有電氣設(shè)備在形式、質(zhì)量、滿足用戶要求等方面相匹配。

1.5.1 風(fēng)力發(fā)電集成

風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓的振幅和頻率會(huì)發(fā)生變化。所以，對(duì)電力電子變流器進(jìn)行配置是十分必要的。變換器采用換相控制，輸出電壓及頻率不變。將變頻器與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)集成的方案有兩種：直接輸出(直接饋電)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1.5.2 太陽(yáng)能供電集成

利用太陽(yáng)能電池陣列的光電轉(zhuǎn)換將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器把太陽(yáng)能電池輸出的直流能量轉(zhuǎn)換為用戶所需的功率形式。電力變換器根據(jù)用戶的要求，可選擇直流斬波器進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換，也可選擇逆變器進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換。

1.5.3 燃料電池供電集成

為了滿足用戶的需求，燃料電池供電系統(tǒng)采用由直流斬波器和逆變器組成的功率轉(zhuǎn)換裝置來(lái)匹配燃料電池的輸出電壓。由于燃料電池的輸出特性比較柔軟，即使是由直流負(fù)載供電，DC-DC 轉(zhuǎn)換連接也需要輸出直流電源或開關(guān)電源，但是不能直接由燃料電池供電。

2 系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)驗(yàn)

以青海電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)及規(guī)劃數(shù)據(jù)應(yīng)用為例，對(duì)基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的電能系統(tǒng)集成及應(yīng)用研究的合理性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理集成和邏輯集成是不同的，對(duì)于每種集成模式，都可以優(yōu)化集成系統(tǒng)。圖4 為集成數(shù)據(jù)庫(kù)的體系架構(gòu)。

圖4 集成數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)架構(gòu)

將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊煞?wù)器后，根據(jù)相關(guān)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換、合成，最后傳輸?shù)侥繕?biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 竊電行為數(shù)據(jù)集成分析

在綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)竊電用戶進(jìn)行準(zhǔn)確地防盜分析，提高分析和管理能力。利用采集到的大量電能數(shù)據(jù)，對(duì)青海S1～S6 電網(wǎng)中6 個(gè)機(jī)組的線損情況進(jìn)行了分析，找出了臺(tái)區(qū)線損高的原因。A1～A6 單位高損耗統(tǒng)計(jì)分析如表1 所示。

從表1 中可以看出，青海市區(qū)電網(wǎng)損耗較大，其中竊電比例最高。因此，其主要原因是存在居民竊電。根據(jù)S1～S6 機(jī)組的異常原因，對(duì)2019 年的抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。竊電事件主要發(fā)生在電壓、電流等異常情況時(shí)，竊電事件統(tǒng)計(jì)分析見表2。研究結(jié)果顯示，開蓋事件所占比例最高。

表1 A1～A6單位高損耗統(tǒng)計(jì)分析表

表2 竊電事件統(tǒng)計(jì)分析

由表2 可知：通過(guò)電能系統(tǒng)集成功能，查詢竊電行為，可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到疑似竊電用戶地址、事件發(fā)生與否和發(fā)生次數(shù)，精準(zhǔn)定位竊電用戶。

2.2.2 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析

統(tǒng)計(jì)2019 年青海電力系統(tǒng)負(fù)荷期望數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 青海電力系統(tǒng)負(fù)荷期望數(shù)據(jù)

對(duì)表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使用線性回歸分析方法，通過(guò)式（2）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到的標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)結(jié)果為：

式（3）中：M1表示時(shí)空大數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫(kù)個(gè)數(shù)；a、b分別表示系統(tǒng)輸出和輸入數(shù)量；λ表示常數(shù)。

使用時(shí)空大數(shù)據(jù)電能系統(tǒng)集成方法得到的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與誤差如表4 所示，將其與表3 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可得到誤差分析結(jié)果。

表4 基于時(shí)空大數(shù)據(jù)集成方法的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與誤差分析

由表4 可知：使用時(shí)空大數(shù)據(jù)電能系統(tǒng)集成方法數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與表3 結(jié)果雖然有誤差，但誤差較小，因此，使用該方法集成效果較好。

2.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

對(duì)于竊電行為數(shù)據(jù)集成分析可知：使用該方法可快速查詢竊電行為，由此精準(zhǔn)定位竊電用戶。

對(duì)于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析可知，使用該方法預(yù)測(cè)誤差在100 kW 范圍內(nèi)，具有良好的集成效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

電力能源大數(shù)據(jù)應(yīng)用的開發(fā)和應(yīng)用是推動(dòng)電力能源系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，加強(qiáng)對(duì)電力數(shù)據(jù)的收集，提高電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和智能化服務(wù)水平。構(gòu)建時(shí)空大數(shù)據(jù)模型，提高電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并能與家庭網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域共享收集的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘能源大數(shù)據(jù)價(jià)值，服務(wù)于社會(huì)、民生和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。