基于數(shù)據(jù)挖掘算法的命令票可視化快速成票系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱丹驊，蔡新雷，吳龍騰，梁升洪，黎嘉明

（1.廣東電網(wǎng)調(diào)度控制中心，廣東廣州 510600；2.肇慶供電局電力調(diào)度控制中心，廣東肇慶 526201）

由于通用性差、用戶可維護(hù)性差、功能單一、圖形用戶界面不友好等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的命令票成票系統(tǒng)整體應(yīng)用效果較差，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、操作規(guī)劃、操作術(shù)語發(fā)生變化時(shí)，無法根據(jù)相關(guān)協(xié)議進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理，如文獻(xiàn)[1]方法。因此，需要提出一種新的命令票成票系統(tǒng)，使其可以同時(shí)滿足不同主線、操作任務(wù)和運(yùn)行方式的要求；具有可視化功能，幫助用戶實(shí)時(shí)跟進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行情況；以錯誤提示和在線幫助功能，減少用戶查找錯誤的時(shí)間，提高工作效率，該文提出了基于數(shù)據(jù)挖掘算法的命令票可視化快速成票系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的管理和存儲，以及界面圖形的編輯，系統(tǒng)軟件部分則利用數(shù)據(jù)挖掘算法尋找網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中存在關(guān)聯(lián)的設(shè)備，并建立鄰接矩陣，得到相對應(yīng)的命令票操作任務(wù)，對關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行一次操作和二次保護(hù)，由此構(gòu)建了命令票成票系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總架構(gòu)

變電站命令票可視化快速成票系統(tǒng)主要由配置管理模塊、設(shè)備管理模塊、流程管理模塊和典型命令票管理模塊四部分組成[2-3]，將可視化技術(shù)和可編譯技術(shù)引入其中[4]，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的革新。設(shè)置好可編輯的邏輯模型后，也要考慮到可能發(fā)生的突發(fā)情況，預(yù)留一定的系統(tǒng)處理能力。在電力系統(tǒng)中，命令票錄入人員需要將詳細(xì)的變電站屬性信息、一次操作結(jié)果和二次保護(hù)壓板等信息設(shè)置完畢，成票系統(tǒng)就可以在倒閘操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行情況分析、快速處理，最終得到一份完整的命令票。

根據(jù)變電站命令票的管理規(guī)定，生成的命令票需要經(jīng)過審核、復(fù)審和核對最終成票[5]，確保命令票內(nèi)容的準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)意外。在這三個(gè)環(huán)節(jié)中，任意環(huán)節(jié)都可對命令票進(jìn)行修改操作，得到新的命令票，但會有記錄顯示，以防后期出現(xiàn)錯誤時(shí)可以及時(shí)找到個(gè)人。在該文設(shè)計(jì)的成票系統(tǒng)中，加入了數(shù)據(jù)庫模塊，可在此模塊中對命令票進(jìn)行存儲、扭轉(zhuǎn)、添加/刪除和查看屬性信息等操作。

2 電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及命令票操作拓?fù)浔硎?/h2>

與以往的電網(wǎng)表示方法（圖1（a））不同，該文用節(jié)點(diǎn)來表示變電站中的元件[6]（如斷路器、隔離開關(guān)和變壓器等），以各個(gè)元件之間的連接線作為支路，以此構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（圖1（b））。圖1（b）中，拓?fù)鋱D中的節(jié)點(diǎn)表示線段的頂點(diǎn)，而連接節(jié)點(diǎn)的線段，則表示拓?fù)鋱D的邊。

圖1 電氣主接線圖

圖1 中，倒閘操作就是將電氣設(shè)備從電力系統(tǒng)中接入或斷開[7]。例如，假設(shè)要將電氣設(shè)備L1與系統(tǒng)斷開連接，那么L1就會在電網(wǎng)絡(luò)中以孤立的狀態(tài)存在，由此也會產(chǎn)生一個(gè)孤立的節(jié)點(diǎn)T1。在圖中，對所有與T1 存在聯(lián)系的頂點(diǎn)進(jìn)行挖掘，將所有與T1 存在聯(lián)系的電氣設(shè)備找出來，斷開其與T1 的連線。整個(gè)過程即是電氣設(shè)備的斷開過程。

2.1 一次操作確定

經(jīng)過倒閘操作，可以改變電氣主接線圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是該文主要是收集各個(gè)電氣設(shè)備之間存在何種聯(lián)系，鄰接矩陣是一種很好的描述方法[8]。

2.1.1 鄰接矩陣形成

用圖1（b）中拓?fù)鋱D的頂點(diǎn)表示電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的電氣設(shè)備，來構(gòu)建鄰接矩陣，將電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備之間存在的聯(lián)系以及設(shè)備各自的特性和運(yùn)行狀態(tài)作進(jìn)一步分析，并存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

假設(shè)圖中的頂點(diǎn)數(shù)為v，那么鄰接矩陣D=(dij)就是一個(gè)v×v的方陣。由于圖1 屬于無向圖，則D=(dij)為一個(gè)對稱矩陣，在計(jì)算機(jī)中只需保留其下三角部分即可。在鄰接矩陣中，式（1）表示設(shè)備i與設(shè)備j之間存在的聯(lián)系：

式（2）表示設(shè)備i與設(shè)備j之間沒有存在聯(lián)系：

式（3）表示設(shè)備i的特征和運(yùn)行狀態(tài)：

其中，[]表示字符型變量。

2.1.2 鄰接矩陣搜索

命令票中包含了操作設(shè)備的具體編號和操作的具體內(nèi)容等信息。當(dāng)用戶錄入一個(gè)新的命令票操作內(nèi)容[9]，系統(tǒng)會遍歷整個(gè)鄰接矩陣，將有關(guān)的設(shè)備提取出來，記錄這些設(shè)備的具體編號和執(zhí)行操作前后的狀態(tài)信息。該文采用的是廣度優(yōu)先搜索法遍歷鄰接矩陣，從中提取了一小部分的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D鄰接矩陣，如式（4）所示：

從式（4）中可以看出，矩陣中的主對角元素d11、d22、d33、dni，分別對應(yīng)于電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備B、A、C、D。假設(shè)設(shè)備B 與設(shè)備C 屬于可操作設(shè)備，如刀閘、開關(guān)等設(shè)備；而設(shè)備A 和設(shè)備D 屬于不可操作設(shè)備，如母線、變壓器等設(shè)備。矩陣中“+”表示該設(shè)備正在運(yùn)行中，“-”則表示該設(shè)備在停機(jī)狀態(tài)下。

假設(shè)操作任務(wù)是將設(shè)備A 斷開連接，也就是將設(shè)備A 與系統(tǒng)中所有聯(lián)系斷開，遍歷電網(wǎng)中，將所有與設(shè)備A 存在聯(lián)系的設(shè)備找出來，并在鄰接矩陣的下三角部分將與設(shè)備A 存在聯(lián)系的非對角元素找出來。首先，檢索出dij=1，查看對角元素dii，即設(shè)備B 與設(shè)備A 是否存在關(guān)系。由于設(shè)備B 是可操作設(shè)備，且此時(shí)正處于運(yùn)行狀態(tài)下，則直接將設(shè)備B 的操作內(nèi)容和操作屬性記錄并存儲下來；檢索出dki=1，查看對角元素dkk，由于設(shè)備C此時(shí)正處于停機(jī)狀態(tài)[10]，所以可不作考慮；檢索出dhj，查看對角元素dhh，由于設(shè)備D 屬于不可操作設(shè)備，且此時(shí)正處于運(yùn)行狀態(tài)下，所以按照上述方法繼續(xù)遍歷矩陣，檢索除了設(shè)備A 以外其他與設(shè)備D 有關(guān)系的設(shè)備，找到正在運(yùn)行且可操作的設(shè)備，將這些設(shè)備的操作內(nèi)容和操作屬性記錄下來。直到矩陣中所有與設(shè)備A 有聯(lián)系的設(shè)備都被記錄為止。

假設(shè)操作任務(wù)是將設(shè)備A 接入到系統(tǒng)中，其遍歷過程與上述操作相差不大，只需在查看對角元素時(shí)，將可操作且正處于停機(jī)狀態(tài)作為記錄條件即可。

2.2 二次操作生成

設(shè)備運(yùn)行一次后，考慮到需要增加自動裝置壓板，此處采用二次保護(hù)。二次保護(hù)是控制保護(hù)和自動裝置壓板的投入和退出。沒有具體要求。操作順序和操作內(nèi)容可根據(jù)用戶習(xí)慣進(jìn)行更改。這也是各地訂票制度不能統(tǒng)一的重要因素之一[11]。

在變電站中，大多數(shù)的保護(hù)裝置和自動裝置都是通過壓板來控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分合閘。同一開關(guān)可由多個(gè)保護(hù)裝置控制，同一保護(hù)裝置也可同時(shí)控制多個(gè)開關(guān)。然而，每個(gè)保護(hù)裝置和開關(guān)之間的精確控制是通過一個(gè)特定的壓板來實(shí)現(xiàn)的。

將變電站中開關(guān)與保護(hù)裝置之間的關(guān)聯(lián)用拓?fù)鋱D的形式來表達(dá)[12]。那么節(jié)點(diǎn)表示的是保護(hù)裝置，邊表示的是開關(guān)，壓板則用對應(yīng)邊的權(quán)值來表示。保護(hù)裝置與開關(guān)之間的關(guān)系矩陣如表1 所示。

表1 保護(hù)與開關(guān)之間的關(guān)系矩陣

其中，+a1表示的是壓板LP1 經(jīng)過保護(hù)1 跳開關(guān)1，且此時(shí)正處于運(yùn)行狀態(tài)下。+a2以此類推。

對于變電站的二次操作，可以用生產(chǎn)類型的關(guān)聯(lián)規(guī)則來描述[13]。在描述之前，我們需要了解二次操作的原則規(guī)則和各個(gè)區(qū)域的習(xí)慣規(guī)則，并將它們存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。一次操作確定設(shè)備后，可根據(jù)具體操作內(nèi)容和結(jié)果建立設(shè)備的保護(hù)開關(guān)關(guān)聯(lián)矩陣，激活數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的規(guī)則，從而得到操作任務(wù)下的二次操作[14]。

3 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)

根據(jù)命令票系統(tǒng)的工作內(nèi)容和需實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)硬件部分主要以Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器和各級調(diào)度模塊組成。不同調(diào)度模塊的用戶只需通過Web 服務(wù)器填寫命令票操作內(nèi)容并存儲在服務(wù)器中即可，其他調(diào)度模塊的用戶登錄即可查看。系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在命令票成票系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫起到了非常重要的作用。在該文中，允許數(shù)據(jù)庫存在少量的信息冗余[15-16]，便于每次訪問都能得到查找的信息，避免多次訪問。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)庫的存儲功能，將其分為命令票存儲庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和用戶信息管理庫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 中，采用了安全系數(shù)極高的SQL SERVER 2000 商用數(shù)據(jù)庫，使用C#語言進(jìn)行編輯開發(fā)，與.net控件相結(jié)合，使軟件部分開發(fā)空間變得更大，實(shí)現(xiàn)的功能也越多。同時(shí)，對于存儲的命令票，該數(shù)據(jù)庫還具備自動編號功能，對所有命令票按照統(tǒng)一格式進(jìn)行編號整理，便于后期查找，可以及時(shí)設(shè)置安全校驗(yàn)規(guī)則。

至此，完成基于數(shù)據(jù)挖掘算法的命令票可視化快速成票系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境優(yōu)化。安全校驗(yàn)流程圖如圖4 所示。

圖4 安全校驗(yàn)流程圖

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 測試環(huán)境及測試計(jì)劃

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的命令票成票系統(tǒng)的有效性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的不足與缺陷，將該成票系統(tǒng)應(yīng)用在某地變電站調(diào)度系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)方法（文獻(xiàn)[1]方法）進(jìn)行對比測試。

4.2 系統(tǒng)吞吐量對比

吞吐量是衡量一個(gè)系統(tǒng)在同時(shí)處理多個(gè)事務(wù)時(shí)的處理效率，將該文設(shè)計(jì)的成票系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法（文獻(xiàn)[1]方法）在吞吐量方面進(jìn)行對比。在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為下達(dá)相同的操作任務(wù)，對比二者的成票速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 吞吐量變化曲線可知，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，處理數(shù)量相同的操作任務(wù)，該文方法的吞吐量曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法，并在系統(tǒng)運(yùn)行140 s 后達(dá)到550 Mb/s 并逐漸平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了較快的成票效率，可保證長時(shí)間內(nèi)有效地處理多種突發(fā)問題。

圖5 三種方法吞吐量對比

5 結(jié)論

該文在數(shù)據(jù)挖掘算法的基礎(chǔ)上，利用鄰接矩陣將電網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備的聯(lián)系直觀展示出來，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了命令票可視化快速成票系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全圖形操作和可視化，為各地區(qū)命令票成票系統(tǒng)的統(tǒng)一奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，降低了維護(hù)難度以及操作難度。