基于數(shù)據(jù)挖掘的電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸方法

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局 梁雪青 杜舒明 劉超 趙小凡

為提高電力數(shù)據(jù)的調(diào)度傳輸速率,引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),開(kāi)展對(duì)其傳輸方法的設(shè)計(jì)研究。通過(guò)基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸模型、電力數(shù)據(jù)傳輸流向調(diào)度模擬、生成電力數(shù)據(jù)傳輸方案,提出一種全新的調(diào)度傳輸方法。通過(guò)將其與基于SDN技術(shù)的傳輸方法應(yīng)用到相同的電網(wǎng)環(huán)境當(dāng)中證明,新的傳輸方法電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸速率得到明顯提高。

0 引言

電力數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)是當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中十分重要的組成部分,該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度的自動(dòng)化發(fā)展提供更加可靠的基礎(chǔ)條件。在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中,其質(zhì)量直接受到電力數(shù)據(jù)網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)的調(diào)度傳輸影響。因此,針對(duì)電力數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)當(dāng)中的傳輸問(wèn)題,已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一[1]。當(dāng)前電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的規(guī)模得到了進(jìn)一步擴(kuò)大,相應(yīng)承受的業(yè)務(wù)量也逐漸增加,其在整個(gè)電力系統(tǒng)當(dāng)中的日常運(yùn)行維護(hù)與管理作用逐漸凸顯。現(xiàn)有的調(diào)度傳輸方法已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前規(guī)模不斷擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并在實(shí)際應(yīng)用中逐漸出現(xiàn)了傳輸效率低、傳輸質(zhì)量差、傳輸安全性低等問(wèn)題,嚴(yán)重威脅著電力企業(yè)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展。因此,針對(duì)這一問(wèn)題,本文結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),開(kāi)展對(duì)電力數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)中傳輸方法的設(shè)計(jì)研究。

1 電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸方法設(shè)計(jì)

1.1 基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸模型

將電力數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境模擬為一個(gè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)和鏈路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)可作為電網(wǎng)的上位機(jī)結(jié)構(gòu)或用于對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行通信傳輸?shù)目刂铺幚頇C(jī)。節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)完成對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送,將其傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)上,其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)為起始節(jié)點(diǎn),接收節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)[2]。在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模型構(gòu)建前,還需要利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),對(duì)電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述,通過(guò)對(duì)電網(wǎng)環(huán)境當(dāng)中的海量電力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘得出。假設(shè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新數(shù)據(jù)時(shí)的概率為λ,得出在某一節(jié)點(diǎn)i上,其緩存區(qū)域在某一時(shí)刻當(dāng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包量應(yīng)為:

公式(1)中,Li(t)表示為某一節(jié)點(diǎn)i在某一時(shí)刻t的存儲(chǔ)電力數(shù)據(jù)包量;Li(t-1)表示為下一時(shí)刻的存儲(chǔ)電力數(shù)據(jù)包量;x ji(t)表示為在某一時(shí)刻t從相鄰節(jié)點(diǎn)j到該節(jié)點(diǎn)i之間傳輸?shù)碾娏?shù)據(jù)包量;Ki表示為在特定傳輸時(shí)間當(dāng)中,節(jié)點(diǎn)i能夠完成轉(zhuǎn)發(fā)的電力數(shù)據(jù)包數(shù)量。根據(jù)上述公式,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)包的挖掘。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)利用數(shù)據(jù)包擁塞率實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸堵塞情況的量化,從而完成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模型的構(gòu)建[3]。數(shù)據(jù)包擁塞率的表達(dá)式為:

公式(2)中,η表示數(shù)據(jù)包的擁塞率;t0表示電力數(shù)據(jù)傳輸起始時(shí)刻;N表示電網(wǎng)當(dāng)中電力數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);L i(Ts)表示完成電力數(shù)據(jù)傳輸時(shí)某一節(jié)點(diǎn)i的緩存區(qū)域當(dāng)中剩余的數(shù)據(jù)包數(shù)量表示某一節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻t產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)包量。將上述公式(2)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?將該模型應(yīng)用到電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中,針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以及各級(jí)電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集,并形成具備一定規(guī)模且結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),并在模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,集中向各業(yè)務(wù)模塊提供信息和數(shù)據(jù)服務(wù)。同時(shí),本文構(gòu)建的基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸模型也可作為各個(gè)業(yè)務(wù)模塊之間電力數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)所以及數(shù)據(jù)總線。通過(guò)基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸模型的運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同業(yè)務(wù)模塊在進(jìn)行電力數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)包擁塞率的計(jì)算,并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)在電網(wǎng)傳輸通道當(dāng)中擁塞程度的直觀評(píng)價(jià),從而為后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸方案的制定提供調(diào)度依據(jù)。

1.2 電力數(shù)據(jù)傳輸流向調(diào)度模擬及傳輸方案生成

由于在電力行業(yè)當(dāng)中,二次安防對(duì)于安全區(qū)域有著十分嚴(yán)格的定義,位于不同安全區(qū)域中的數(shù)據(jù)在進(jìn)行相互訪問(wèn)時(shí)會(huì)受到一定限制。因此,為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸,還需要對(duì)電力數(shù)據(jù)的傳輸流向進(jìn)行模擬調(diào)度,并根據(jù)得出的模擬結(jié)果,判斷調(diào)度傳輸是否具備安全條件和要求。在確定調(diào)度模擬結(jié)果為安全事件后,再生成相應(yīng)的傳輸方案,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)安全區(qū)域的綜合部署。根據(jù)電力數(shù)據(jù)在電網(wǎng)當(dāng)中的傳輸方向,以及網(wǎng)絡(luò)層次的劃分,針對(duì)電力數(shù)據(jù)的傳輸流向進(jìn)行調(diào)度模擬。針對(duì)電力數(shù)據(jù)的傳輸方向進(jìn)行模擬,采用已知電力數(shù)據(jù)包量的起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn),在明確核心層中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、骨干層中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)后,以垂直信息流作為傳輸模型,對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸流向調(diào)度進(jìn)行模擬[4]。在模擬的過(guò)程中電網(wǎng)當(dāng)中各個(gè)電力數(shù)據(jù)包的起始節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)滿足如下條件:電力數(shù)據(jù)包的起始節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在接入層當(dāng)中,電力數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在核心層當(dāng)中或電力數(shù)據(jù)包的起始節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在核心層當(dāng)中,目的節(jié)點(diǎn)在接入層當(dāng)中[5]。在滿足上述條件后,進(jìn)一步得出隨機(jī)信息傳輸?shù)恼{(diào)度方式任意電力數(shù)據(jù)包的起始節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)滿足如下條件:

公式(3)中,PSNi表示為電力數(shù)據(jù)包i的起始節(jié)點(diǎn);PDNi表示為電力數(shù)據(jù)包i的目的節(jié)點(diǎn);H表示為電網(wǎng)核心層節(jié)點(diǎn)集合;G表示為電網(wǎng)骨干層節(jié)點(diǎn)集合;J表示為電網(wǎng)接入層節(jié)點(diǎn)集合。在模擬的初期階段,所有的傳輸節(jié)點(diǎn)在緩存區(qū)域當(dāng)中都會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電力數(shù)據(jù)包。在模擬開(kāi)始后,在單位時(shí)間當(dāng)中電力數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)會(huì)以固定的概率生成全新的電力數(shù)據(jù)包,并根據(jù)該電網(wǎng)的實(shí)際規(guī)模以及傳輸內(nèi)容,將緩存區(qū)域當(dāng)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到與之相鄰的節(jié)點(diǎn)上,完成對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸流向調(diào)度模擬。

完成對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸流向調(diào)度模擬后,結(jié)合上述基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)傳輸模型,對(duì)各個(gè)調(diào)度流向模式下的電力數(shù)據(jù)包傳輸擁塞率進(jìn)行計(jì)算,并通過(guò)計(jì)算結(jié)果之間的比較,得出傳輸擁塞率最低的一組調(diào)度流向模式。根據(jù)該調(diào)度流向模式,將其電網(wǎng)環(huán)境中各個(gè)層次結(jié)構(gòu)的電力數(shù)據(jù)通過(guò)順序作為傳輸順序,初步完成對(duì)傳輸方案中流程的設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提高電力數(shù)據(jù)在調(diào)度傳輸過(guò)程中的安全性,還需要在傳輸方案當(dāng)中增加安全防護(hù)的內(nèi)容。在防護(hù)過(guò)程中,首先需要遵循安全分區(qū)、數(shù)據(jù)傳輸專用、橫向隔離以及縱向認(rèn)證的基本防護(hù)原則。在對(duì)安全區(qū)域進(jìn)行劃分時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)電力數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行劃分,原則上應(yīng)當(dāng)劃分為生產(chǎn)控制區(qū)域和管理信息區(qū)域兩部分。為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步細(xì)化分區(qū),還可根據(jù)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)以及電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其自身造成的影響程度進(jìn)行分區(qū),確保電力系統(tǒng)中的所有電力數(shù)據(jù)都能夠被分配到相應(yīng)的安全分區(qū)當(dāng)中,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸?shù)闹攸c(diǎn)保護(hù)。假設(shè)在某一電力企業(yè)當(dāng)中包含兩個(gè)安全分區(qū),分別為I區(qū)和II區(qū),而I區(qū)和II區(qū)需要進(jìn)行電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸,則需要通過(guò)電力專用的安全隔離模塊對(duì)傳輸環(huán)境以外的區(qū)域進(jìn)行隔離,同時(shí),針對(duì)安全I(xiàn)區(qū)當(dāng)中的電力數(shù)據(jù),在傳輸時(shí)需要結(jié)合電力數(shù)據(jù)專用的正向物理隔離設(shè)備將電力數(shù)據(jù)同步到安全I(xiàn)I區(qū),以此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域之間的電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸。其次,在對(duì)廠站與廠站之間的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí),需要通過(guò)縱向加密認(rèn)證的方式,在將電力數(shù)據(jù)輸入到傳輸環(huán)境前,需要結(jié)合對(duì)稱或非對(duì)稱加密算法對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,并由發(fā)送方保留加密密鑰和私鑰,由接收方保留加密私鑰。在傳輸過(guò)程中由發(fā)送方進(jìn)行加密,當(dāng)加密的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮辗綍r(shí),由接收方通過(guò)私鑰對(duì)其進(jìn)行解密處理,最終得到電力數(shù)據(jù)。通過(guò)這樣的傳輸方案能夠進(jìn)一步提高電力數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性,從而確保電力企業(yè)隱私數(shù)據(jù)不會(huì)被非法攻擊者攻擊,實(shí)現(xiàn)安全傳輸。

將其匯總生成最終的電力數(shù)據(jù)傳輸方案。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過(guò)本文上述論述,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸方法的理論設(shè)計(jì),為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的實(shí)際應(yīng)用效果,并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用驗(yàn)證,選擇以某電力企業(yè)作為依托,針對(duì)該企業(yè)現(xiàn)有的電力系統(tǒng),引入本文提出的傳輸方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)其電力數(shù)據(jù)的調(diào)度傳輸。為了確保最終得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性,選擇將基于SDN技術(shù)的傳輸方法同時(shí)應(yīng)用到該實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中,完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在該電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中選擇5個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道,并分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào)為TD001、TD002、TD003、TD004和TD005。在五個(gè)傳輸通道當(dāng)中,分別完成一次利用本文傳輸方法的電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸和一次利用基于SDN技術(shù)的傳輸方法的電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸。在利用本文提出的傳輸方法進(jìn)行對(duì)上述選擇的電力企業(yè)進(jìn)行電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸時(shí):(1)基于本文上述內(nèi)容,構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸模型,計(jì)算實(shí)驗(yàn)過(guò)程中緩存區(qū)域當(dāng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包量;(2)再對(duì)電力數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)包擁塞率進(jìn)行計(jì)算;(3)按照該電力企業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸形式,對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸流向調(diào)度進(jìn)行模擬;(4)生成傳輸方案,按照該方案完成電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸。在利用基于SDN技術(shù)的傳輸方法時(shí),首先結(jié)合SDN技術(shù)對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃阅Ｐ瓦M(jìn)行構(gòu)建,其次選擇可靠性更高的功能鏈,最后,在基于彈性故障恢復(fù)與保護(hù)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸并為其提供保護(hù)。按照上述流程,完成兩種傳輸方法的電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸后,為了方便對(duì)兩種傳輸方法應(yīng)用效果的檢驗(yàn),本文選擇將傳輸速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),電力數(shù)據(jù)的傳輸速率計(jì)算公式為:

公式(4)中,V表示為電力數(shù)據(jù)在電網(wǎng)通道中的傳輸速率;W表示為每個(gè)通道當(dāng)中傳輸?shù)碾娏?shù)據(jù)傳輸量;δ表示為在電力網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?t表示為每個(gè)傳輸通道當(dāng)中電力數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間;N表示為電力數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的有效離散值。按照上述公式(4)在確保數(shù)據(jù)傳輸波特率、數(shù)據(jù)傳輸離散值等參數(shù)均相同的情況下,記錄兩種傳輸方法的電力數(shù)據(jù)傳輸速率,并將其計(jì)算結(jié)果繪制如表1所示。

表1 兩種傳輸方法電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸速率Tab.1 Power data dispatching transmission rate of two transmission methods

結(jié)合實(shí)驗(yàn)及得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,本文提出的傳輸方法在應(yīng)用到實(shí)際電力系統(tǒng)當(dāng)中,可確保電網(wǎng)中電力數(shù)據(jù)的調(diào)度傳輸速率在10.00Mbit/s以上,而基于SDN技術(shù)的傳輸方法其電力數(shù)據(jù)的調(diào)度傳輸速率僅在1.00Mbits～Mbit/s范圍內(nèi)。因此,通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明,本文提出的傳輸方法應(yīng)用到實(shí)際能夠有效提高電力數(shù)據(jù)的傳輸速率,加快電力企業(yè)的智能化發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

電能是人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ魃a(chǎn)中不可或缺的能源之一,電力的生產(chǎn)和傳輸過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資源,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)利用價(jià)值的進(jìn)一步提升,本文在結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)電力數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。通過(guò)本文研究,在構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸模型的基礎(chǔ)上,提出一種全新的傳輸方法。將本文提出的傳輸方法應(yīng)用到實(shí)際還可以通過(guò)采用數(shù)據(jù)包擁塞率的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)信息擁塞程度的量化,從而為調(diào)度傳輸提供更加可靠的調(diào)度依據(jù)。但由于研究能力有限,在研究過(guò)程中仍然存在某些方面的問(wèn)題,例如,在對(duì)調(diào)度傳輸方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到未來(lái)電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展需要,因此當(dāng)前調(diào)度傳輸方法還無(wú)法適用于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)量急劇增加的情況下對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度。因此,在今后的研究中,還將針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行更加深入研究,并生成更加完備的傳輸方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)的高效利用,促進(jìn)電力企業(yè)的運(yùn)行與發(fā)展。

引用

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