基于大數(shù)據(jù)的變電站智能告警信號(hào)事件化研究與應(yīng)用

蘇波， 程鵬， 丁曉輝， 侯娟， 鄭亞楠

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司， 寧夏， 銀川 750011； 2.國網(wǎng)銀川供電公司， 寧夏， 銀川 750011)

0 引言

隨著人們用電量的上升，變電站的數(shù)目也不斷增加，同時(shí)變電站也開始了智能化管理，變電站智能告警信號(hào)仍然需要改進(jìn)，在面對(duì)一個(gè)大數(shù)據(jù)的平臺(tái)，如果沒有高技術(shù)的告警監(jiān)控系統(tǒng)的排查，那么變電站的監(jiān)控人員將會(huì)承受多么重的任務(wù)。文獻(xiàn)[1]采用支持向量機(jī)(Support Vector Machines， SVM)對(duì)采集到的告警信號(hào)進(jìn)行分類，從中提取重要信息，并對(duì)發(fā)生故障可能性較高的信息進(jìn)行報(bào)警并處理，此方法雖然對(duì)告警信號(hào)分類，但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中告警信息的正確率將會(huì)對(duì)告警信號(hào)產(chǎn)生影響，給監(jiān)控人員造成信息排查的困難。文獻(xiàn)[2]采用均值聚類法對(duì)信息的篩選過濾，提取發(fā)生故障或異?？赡苄暂^高的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示，該方法未能對(duì)采取的信號(hào)進(jìn)行分類處理，大量的信息直接導(dǎo)入控制中心調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)排列混亂，沒有可讀性。

1 變電站的告警信號(hào)分類及數(shù)據(jù)采集

依據(jù)變電站發(fā)生故障的嚴(yán)重性可將告警信號(hào)分為5個(gè)等級(jí)，即故障、異常、越限、變位和告知[3]。告警信號(hào)分類如表1所示。

表1 告警信號(hào)分類

第1～4級(jí)是需要實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)處理的重要信息，此類信息需要調(diào)控中心24小時(shí)實(shí)時(shí)控制不間斷監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常并立即處理，同時(shí)立即向運(yùn)維部門通知。第5級(jí)主要反映變電站各設(shè)備的運(yùn)行狀況，由運(yùn)維部門的工作人員定期檢查。

調(diào)控中心監(jiān)測(cè)人員根據(jù)告警信號(hào)的等級(jí)進(jìn)行先后處理事故需要有條理有序的告警信號(hào)提示，以便監(jiān)測(cè)人員能快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常并立即解決，確保變電站的安全[4]。智能告警系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 智能告警信號(hào)模型

智能告警信號(hào)共分為信息生成、信息一級(jí)處理、信息二級(jí)處理和信息輸出4個(gè)部分。采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，該系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制單元、可編程邏輯控制器、通信基礎(chǔ)設(shè)施和人機(jī)界面5部分組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集與監(jiān)督并上傳調(diào)度等；可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的事件分類，此外若想實(shí)現(xiàn)其他功能，可自由編寫程序；通信基礎(chǔ)設(shè)施是將各個(gè)部分相聯(lián)系以便能夠及時(shí)快速地得到數(shù)據(jù)信息，將告警信息快速處理；人機(jī)界面是監(jiān)測(cè)人員所控制的窗口，上面顯示故障信息、發(fā)生故障的原因、針對(duì)故障給出相應(yīng)的解決措施及其報(bào)警信號(hào)，在人機(jī)界面還可以查詢歷史告警信息，并對(duì)此做出總結(jié)，以便監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與處理[5]。

2 變電站智能告警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于上述的不足，本研究對(duì)告警信號(hào)系統(tǒng)有新的改進(jìn)。該告警信號(hào)系統(tǒng)由輸入信號(hào)模塊、信號(hào)處理模塊、報(bào)警模塊和人機(jī)界面顯示模塊4大模塊組成。總體架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 變電站智能告警信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究中采用基于單片機(jī)的告警系統(tǒng)，告警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的整個(gè)流程如下，首先，SCADA采集到的數(shù)據(jù)輸入到告警系統(tǒng)，輸入信號(hào)經(jīng)過隔離濾波進(jìn)行信號(hào)篩選，將篩選出需要告警的信息進(jìn)行分類、分等級(jí)，再根據(jù)等級(jí)的不同做出相應(yīng)的告警信號(hào)[6]。

該告警系統(tǒng)采用輸入信號(hào)接口為18位的并行接口，可以同時(shí)輸入大量信息，確保輸入信號(hào)的不遺漏。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于大量的輸入信號(hào)不是直接涌入，而是經(jīng)過隔離濾波進(jìn)行篩選，將重要的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸至可編程電子開關(guān)，再由單片機(jī)循環(huán)采集信息，判斷是否有需要告警。若需要告警，就從存儲(chǔ)器里調(diào)出相應(yīng)的告警信號(hào)，再將告警信號(hào)傳遞給報(bào)警芯片進(jìn)行聲光報(bào)警，聲音告警經(jīng)過集成放大電路，能夠有效地?cái)U(kuò)大告警的音量，同時(shí)告警信號(hào)傳遞給人機(jī)界面顯示，顯示發(fā)生故障的位置、原因以及解決措施[7]。

告警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合共同完成了告警的整個(gè)功能，此硬件設(shè)計(jì)采用功能性強(qiáng)、可編程的芯片，在硬件電路完成后，可以編寫程序?qū)崿F(xiàn)想要實(shí)現(xiàn)的功能，在后期如果想要增加新功能，不需要修改電路，焊接元器件，直接在開發(fā)系統(tǒng)上修改程序即可。

3 基于FP-growth算法告警信號(hào)事件化研究

本研究中采用了FP-growth 算法，該算法的優(yōu)點(diǎn)既能節(jié)約時(shí)間，又能節(jié)約空間，該算法的原理是通過建造一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(FP-tree),然后將原來的數(shù)據(jù)庫壓縮，存放壓縮的頻繁模式信息FP-樹如圖3所示。

圖3 存放壓縮的頻繁模式信息FP-樹

此算法在掃描數(shù)據(jù)庫的過程中，包含了項(xiàng)集的全部信息，在下次處理時(shí)就不用重新掃描數(shù)據(jù)庫，并且FP-樹在執(zhí)行命令時(shí)刪除了不經(jīng)常出現(xiàn)故障的信息，減小了FP-樹中存儲(chǔ)的信息，從而提高了FP-樹掃描的速度[8]。

下面通過步驟進(jìn)行該算法的說明。

步驟一：FP-樹的構(gòu)建。通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，出現(xiàn)檢修記錄頻繁項(xiàng)目C和支持度，出現(xiàn)頻繁的項(xiàng)目生成頻繁項(xiàng)目集合記為L(zhǎng)。

L={C1,C2,C3,…,CN}

(1)

式中，L表示檢修數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)比較頻繁的事件集合，C表示出現(xiàn)頻繁的項(xiàng)目，其中L集合中出現(xiàn)頻繁的項(xiàng)目是按照支持度從大到小的順序排列的。

步驟二：對(duì)采集到的檢修記錄進(jìn)行正向計(jì)算，即:

(2)

(3)

Cj(n)[1-Cj(n)]

(4)

式中，對(duì)vj(n)正向計(jì)算的結(jié)果求偏導(dǎo)函數(shù)，若j屬于第一個(gè)頻繁項(xiàng)，此時(shí)l=1，則：

(5)

若j屬于輸出的告警數(shù)據(jù)，此時(shí)l=L，則：

(6)

式中，Oj(n)表示第幾層輸入，ej(n)表示每層節(jié)點(diǎn)的迭代次數(shù)。

步驟三：對(duì)需要告警的信號(hào)進(jìn)行反向運(yùn)算，即：

(7)

步驟四：得出修正權(quán)值，并輸出告警信號(hào)，即：

(8)

式中，n=n+1,加入新的頻繁項(xiàng)時(shí)，定義為EAV,若E≤EAV,則加入頻繁項(xiàng)的數(shù)據(jù)C重新排序。

4 告警信號(hào)處理

該告警系統(tǒng)采用了分類、分等級(jí)的告警模式，依據(jù)事故所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性，將1～5級(jí)分為3個(gè)等級(jí):緊急告警、一般告警和提示告警。緊急告警是需要工作人員立即處理的突發(fā)事件，能夠危害到變電站正常穩(wěn)定的運(yùn)行，此類告警需工作人員立即處理；一般告警是小部分的損壞，不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但會(huì)影響變電站的局部運(yùn)轉(zhuǎn)，此類告警也需要工作人員立即處理；提示告警是小零器件的長(zhǎng)時(shí)間老化、開關(guān)的變動(dòng)等，此類告警需要工作人員不定期的檢修。告警信號(hào)處理流程圖如圖4所示。

圖4 告警信號(hào)處理流程圖

該告警系統(tǒng)設(shè)置了2種告警形式，一種是聲音告警，一種是指示燈閃爍告警。告警信號(hào)分為3個(gè)等級(jí)，如果3個(gè)等級(jí)使用同一種告警聲音和同一種顏色的指示燈，很難讓工作人員覺察到告警信號(hào)的緊急程度。所以根據(jù)告警重要的程度，分為3種頻率的告警聲音，緊急告警的聲音頻率最大，容易讓工作人員警覺并立即處理該故障；一般告警和提示告警的聲音頻率依次減小。聲音告警與指示燈告警流程圖如圖5所示。

圖5 聲光告警流程圖

指示燈告警3個(gè)等級(jí)分為不同顏色的3種燈光，緊急告警紅色指示燈閃爍，一般告警橙色指示燈閃爍，提示告警黃色指示燈閃爍。不同顏色的燈光提醒工作人員事故的緊急程度。

總結(jié)上述告警信號(hào)的處理，該告警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1) 不同聲音的頻率和不同顏色的指示燈能夠直接辨別告警信號(hào)的緊急程度；

(2) 分為2種模式告警，其中一種告警模式損壞，不影響另外一種模式告警，這樣避免了告警系統(tǒng)部分損壞的突發(fā)狀況發(fā)生。

5 告警信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度更高，測(cè)得的數(shù)據(jù)具有可讀性，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了24種故障類型，其中包括電壓互感器故障、直流系統(tǒng)接地故障、避雷器故障、母線故障、電容器故障、斷路器拒絕合閘故障等。實(shí)驗(yàn)中故障是隨機(jī)發(fā)生的，高度模擬了生活中突發(fā)狀況的發(fā)生，使系統(tǒng)更有實(shí)際應(yīng)用性。故障類型如表2所示。

表2 變電站故障類型

在模擬實(shí)驗(yàn)中，共有540組數(shù)據(jù)，其中有400組數(shù)據(jù)信號(hào)用于練習(xí)，剩下的140組數(shù)據(jù)信號(hào)用來實(shí)驗(yàn)。利用FP-growth 算法進(jìn)行測(cè)試，得到各種故障類型發(fā)生以所測(cè)得的準(zhǔn)確度為標(biāo)準(zhǔn)。下面是練習(xí)和用來實(shí)驗(yàn)的具體步驟。

(1) 初始化告警系統(tǒng)，設(shè)置練習(xí)步數(shù)為2 000次，采用式(8)進(jìn)行權(quán)值修正。

(2) 將練習(xí)的400組數(shù)據(jù)信號(hào)輸入到告警信號(hào)系統(tǒng)中，使用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，再根據(jù)式(2)計(jì)算告警信號(hào)的輸出。此時(shí)FP-growth 算法對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)生成頻繁項(xiàng)集。

(3) 結(jié)合式(5)計(jì)算出誤差值，再由式(6)、式(7)計(jì)算出局部梯度δ。

(4) 由式(8)得出權(quán)值修正值，輸出告警信號(hào)。

(5) 若掃描及計(jì)算結(jié)束，則返回步驟(1)重復(fù)此過程。

均值聚類法對(duì)信息的篩選過濾，提取發(fā)生故障或異常可能性較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示，此方法在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的準(zhǔn)確度和損失函數(shù)如圖6所示。

(a) 準(zhǔn)確度曲線

(b) 損失函數(shù)曲線圖6 均值聚類法準(zhǔn)確度曲線和損失函數(shù)曲線

經(jīng)過FP-growth 算法實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出的準(zhǔn)確度以及損失函數(shù)如圖7所示。

(a) 準(zhǔn)確度曲線

(b) 損失函數(shù)曲線圖7 FP-growth 算法實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度曲線和損失函數(shù)曲線

從上述兩圖對(duì)比中明顯可以看出,基于FP-growth算法的告警系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高于均值聚類法的準(zhǔn)確度，均值聚類法的準(zhǔn)確度最高了達(dá)到98%，然而本文所設(shè)計(jì)的告警系統(tǒng)準(zhǔn)確度高達(dá)100%。

6 總結(jié)

變電站智能告警信號(hào)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)變電站故障的重要基礎(chǔ)。本文研究了一種基于FP-growth 算法的智能告警系統(tǒng)，使用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不同于傳統(tǒng)的告警系統(tǒng)，本系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分等級(jí)，該系統(tǒng)將告警信號(hào)分為了3個(gè)等級(jí)：緊急告警、一般告警和提示告警。根據(jù)不同的等級(jí)有不同的告警模式，緊急告警使用聲音頻率最大的告警模式，并且伴有紅色的指示燈閃爍；一般告警使用聲音頻率相對(duì)較小的告警模式，并且伴有橙色的指示燈閃爍；提示告警使用聲音頻率最小的告警模式，同時(shí)伴有黃色的指示燈閃爍。這樣不僅可以警示工作人員，還可以讓工作人員知道出現(xiàn)故障的緊急程度，高效快速地去解決故障。