大數(shù)據(jù)分析在電力系統(tǒng)故障預(yù)測中的應(yīng)用分析

江蘇電力信息技術(shù)有限公司 周紅杰

隨著“物聯(lián)網(wǎng)”“大數(shù)據(jù)”等技術(shù)推動著電力行業(yè)快速發(fā)展，并為其帶來了一定的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。電力系統(tǒng)智能化和自動化程度不斷提高，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜，同時電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率也有所增長。為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行，大數(shù)據(jù)分析在電力系統(tǒng)故障預(yù)測中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對故障問題及時預(yù)測和消除，使電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行得到了保障。

1 電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型分析

1.1 基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)

該類數(shù)據(jù)主要為電力設(shè)備屬性數(shù)據(jù)，如發(fā)動機(jī)、變壓器等設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，在管理基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)時需要企業(yè)結(jié)合自身發(fā)展和規(guī)劃情況，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于調(diào)度中心，并在數(shù)據(jù)服務(wù)器中實時更新數(shù)據(jù)，以對數(shù)據(jù)更好的分析和利用，若在數(shù)據(jù)管理過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，將會電力系統(tǒng)管理工作產(chǎn)生一定影響。

1.2 實時類數(shù)據(jù)

該類數(shù)據(jù)主要為電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)較多，因此對數(shù)據(jù)存儲空間有較高要求。實時類數(shù)據(jù)是在電力系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的，通過對數(shù)據(jù)分析和處理后提交到有關(guān)部門，可以為企業(yè)的發(fā)展和規(guī)范提供決策依據(jù)。我國對于實時數(shù)據(jù)的處理技術(shù)較為成熟，電力企業(yè)只需構(gòu)建穩(wěn)定管理系統(tǒng)便能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 日常類數(shù)據(jù)

該類數(shù)據(jù)主要為電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)和電力企業(yè)管理電力系統(tǒng)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)查閱權(quán)限一般只對相關(guān)管理部門和上級領(lǐng)導(dǎo)開放，因此對該類數(shù)據(jù)的管理需構(gòu)建專門的共享和同步平臺。日常類數(shù)據(jù)可以反映出電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，能夠為電力系統(tǒng)的管理和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

1.4 市場類數(shù)據(jù)

在我國市場經(jīng)濟(jì)體制逐步健全下，電力系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步完善，其具有的經(jīng)濟(jì)效益也有了凸顯，電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)對電力企業(yè)的發(fā)展有一定的影響，該類數(shù)據(jù)可以為電力企業(yè)發(fā)展和規(guī)劃方案的制定提供參考依據(jù)。

2 大數(shù)據(jù)背景下電力系統(tǒng)故障分析的重要性

在大數(shù)據(jù)分析環(huán)境下，對各行各業(yè)的財務(wù)數(shù)據(jù)信息加以發(fā)掘與剖析，可以發(fā)掘其中所蘊(yùn)含的深層次價值，而這對完成行業(yè)增值業(yè)務(wù)，提高產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性與效益具有重大的意義。

首先，國家電網(wǎng)公司運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來對電力信息數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分配與分析，使之轉(zhuǎn)換為有價值、有意義的信息，特別是運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對電力系統(tǒng)故障問題進(jìn)行預(yù)測，對于電力行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

其次，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對電網(wǎng)故障的位置和設(shè)備進(jìn)行分析，從歷史數(shù)據(jù)中提取故障數(shù)據(jù)，深入分析電網(wǎng)以及電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況，同時結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息，調(diào)查電網(wǎng)系統(tǒng)故障問題的規(guī)律以及故障之間關(guān)系，以便及時預(yù)測電力系統(tǒng)故障，有效降低電力系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率。此外，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對電力系統(tǒng)中的故障進(jìn)行分類，并繪制故障發(fā)生的情況，以及時制定針對性的對策，有利于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

最后，通過大數(shù)據(jù)對電網(wǎng)運(yùn)營服務(wù)進(jìn)行管理，有利于提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，促進(jìn)電力企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。通常情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量大，并且數(shù)據(jù)種類多，需要對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次和多層級處理，促進(jìn)電力服務(wù)和電力生產(chǎn)等多種數(shù)據(jù)的融合，有利于實現(xiàn)部門與企業(yè)之間電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。以電力企業(yè)精細(xì)化管理為基礎(chǔ)，提取電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)系統(tǒng)中的電力生產(chǎn)、客戶服務(wù)、電力營銷等數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析和處理，然后根據(jù)分析結(jié)果對電網(wǎng)系統(tǒng)資源配置進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提升用戶服務(wù)體驗，促進(jìn)企業(yè)服務(wù)質(zhì)量的提升。

3 基于大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)故障預(yù)測結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主站結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運(yùn)行故障進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能和效率，需設(shè)計電力系統(tǒng)預(yù)測結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中主要從不同的角度進(jìn)行分析，設(shè)計電力系統(tǒng)主站和子站故障預(yù)測結(jié)構(gòu)。從預(yù)測系統(tǒng)主站功能方面來看，其主要負(fù)責(zé)接收子站傳遞的數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總，根據(jù)不同系統(tǒng)具備的功能，將數(shù)據(jù)傳遞出去，以實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的快速分析和處理。預(yù)測系統(tǒng)主站與子站之間的相互連接主要以通信網(wǎng)絡(luò)為主，利用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，連接方式具體可以分為兩種：一種為TCP/IP連接方式，另一種為電話撥號連接方式[1]。為提高預(yù)測系統(tǒng)主站與子站之間數(shù)據(jù)共享和傳輸效率，需要對電力系統(tǒng)存儲的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，因此需要構(gòu)建SCADA/EMS管理系統(tǒng)，在構(gòu)建系統(tǒng)時需要注重對防火墻的設(shè)計，在保障系統(tǒng)獨立性的同時保證管理系統(tǒng)的安全性。

3.2 子站結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于子站的結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)避免與監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn)行組網(wǎng)，這是因為監(jiān)控系統(tǒng)屬于實時傳輸系統(tǒng)，子站與該系統(tǒng)共同處于安全區(qū)域中，因此必須對這兩個系統(tǒng)進(jìn)行隔離。由于在設(shè)計預(yù)測系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)時通常都需要利用計算機(jī)系統(tǒng)，因此這也增加了子系統(tǒng)出現(xiàn)感染病毒的風(fēng)險。若將預(yù)測系統(tǒng)子站與保護(hù)裝置進(jìn)行組網(wǎng)，則可以極大的降低子站不可控風(fēng)險。

4 電力系統(tǒng)故障診斷分析技術(shù)

4.1 基于專家系統(tǒng)診斷方法

該診斷方法主要是利用計算機(jī)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型對電力系統(tǒng)存在的故障進(jìn)行診斷，該方法具有顯著優(yōu)勢，是一種常用電力系統(tǒng)故障診斷方法。專家系統(tǒng)診斷方法將故障診斷推理和辨識策略作為參考依據(jù)，診斷系統(tǒng)可以劃分為兩類：（1）規(guī)則推理系統(tǒng)?；诖髷?shù)據(jù)構(gòu)建的管理系統(tǒng)，可以存儲和分析電力系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)，其中包括專家診斷和斷路動作邏輯診斷，基于此，通過比對存儲數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)，以獲得準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)故障診斷結(jié)果。該診斷方法在電力系統(tǒng)故障檢測中較為常用。（2）正反推理診斷系統(tǒng)。該診斷系統(tǒng)將正推理和反推理集于一身，在構(gòu)建故障推理規(guī)則時，主要將電力系統(tǒng)斷路器與設(shè)備保護(hù)邏輯關(guān)系作為參考依據(jù)，通過故障推理，縮小檢測范圍，以降低電力系統(tǒng)診斷難度。簡單來說，正反推理診斷系統(tǒng)賦予了專家系統(tǒng)主動學(xué)習(xí)的能力，提高了診斷系統(tǒng)的適應(yīng)性。總的來說，專家系統(tǒng)電力故障診斷方法，在推理保護(hù)電力系統(tǒng)保護(hù)裝置動作和專家經(jīng)驗時較為簡單，工作人員可以對電力數(shù)據(jù)庫中的診斷規(guī)則進(jìn)行增刪。專家診斷系統(tǒng)是一種有效診斷電力故障的措施，其在中小型電力系統(tǒng)故障診斷中應(yīng)用十分廣泛，且診斷效果較好。

4.2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法

與傳統(tǒng)診斷方法相比，該診斷方法有著較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和魯棒性，故障診斷容錯率較高，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。在大?shù)據(jù)的支持下，該診斷方法的發(fā)展不斷成熟，且診斷方式逐漸多樣化，主要包括徑向基函數(shù)和前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩大類。以某電力企業(yè)開發(fā)的電力系統(tǒng)診斷網(wǎng)絡(luò)模型為例，該網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)在診斷和分析電力系統(tǒng)故障時可以將繼電保護(hù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ANN，并進(jìn)行傳輸，主要是將電力系統(tǒng)中存在的潛在故障進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。該診斷方法具體流程如下：（1）將繼電保護(hù)數(shù)據(jù)作為診斷電力系統(tǒng)故障的依據(jù)，采用數(shù)據(jù)計算的方式對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。（2）對采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值相符，則繼續(xù)檢測，若不符則輸出數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對系統(tǒng)故障閥值和權(quán)值進(jìn)行逐層整理，并在多次標(biāo)準(zhǔn)值與差值比較后停止檢測[2]。該診斷方法為智能診斷的一種，無需推理機(jī)制。在大數(shù)據(jù)的支持下，可以解決電力系統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)存在的較多問題，其一般應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)故障檢測中，故障檢測效果一般。

4.3 基于優(yōu)化技術(shù)的診斷方法

該診斷方法是基于數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的診斷系統(tǒng)，在預(yù)測和診斷電力系統(tǒng)故障時，能夠?qū)收蠁栴}進(jìn)行有效描述，并將故障問題轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)范問題。該診斷方法構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，可以在對數(shù)據(jù)機(jī)解析后進(jìn)行優(yōu)化，以得到故障問題最優(yōu)解，即達(dá)到電力系統(tǒng)故障預(yù)測和檢測的目的。在大數(shù)據(jù)的支持下，主要將系統(tǒng)故障信息和保護(hù)動作作為參考依據(jù)，以構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。首先利用大數(shù)據(jù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總，其次對故障信息進(jìn)行處理，在獲得系統(tǒng)故障問題關(guān)聯(lián)函數(shù)后，將故障信息轉(zhuǎn)化為規(guī)整問題。

5 大數(shù)據(jù)分析在電力系統(tǒng)故障預(yù)測中的應(yīng)用

5.1 數(shù)據(jù)處理過程

數(shù)據(jù)處理是一個分布式基礎(chǔ)框架，可以對電力系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式的分析和處理。在處理數(shù)據(jù)過程中，需使用兩大重要軟件，用于數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)算。此外，利用分布式系統(tǒng)，可以在降低成本的同時構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲集群。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分決策層、支撐層、數(shù)據(jù)層，其中數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)對電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將子系統(tǒng)受采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳輸?shù)缴弦粚幼钸M(jìn)一步的分析和處理；支撐層負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和挖掘；決策層主要包含數(shù)據(jù)決策和分析，通過分割數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率。

5.2 故障預(yù)測過程

電力子系統(tǒng)需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理過的數(shù)據(jù)及結(jié)果通過查詢機(jī)制或者主動傳遞的方式發(fā)送到主站中。整個系統(tǒng)包含多個子系統(tǒng)，主系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息，并對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理可以將重復(fù)、過時的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析篩選并清除干凈，主要目的是減少無用數(shù)據(jù)或者垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)入主系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是通過對清洗、抽取、監(jiān)控、轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的篩選，其中數(shù)據(jù)清洗、抽取工序都為必執(zhí)行任務(wù)，在完成預(yù)處理工序后，才能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中存在的故障進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)測，通過監(jiān)測系統(tǒng)中是否存在數(shù)據(jù)異常變化，若監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)便會進(jìn)行處理，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)故障的預(yù)測和監(jiān)測。

5.3 數(shù)據(jù)挖掘?qū)﹄娏ο到y(tǒng)故障的預(yù)測和監(jiān)測

電力系統(tǒng)涉及到的設(shè)備較多，設(shè)備維護(hù)和使用存在一定差異，因此增加了對電力系統(tǒng)故障的故障預(yù)測和監(jiān)測的難度。由于以往的電力系統(tǒng)不具備存儲和收集數(shù)據(jù)的能力，因此工作人員無法對電力系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行有效評估，難以及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)故障診斷和預(yù)警。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)不斷深入，電力系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)得到了進(jìn)一步增長，因此利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的篩選和采集可以彌補(bǔ)以往電力系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)測故障的能力。對于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集主要是利用大數(shù)據(jù)分析監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)，除對電力系統(tǒng)變壓器及線路中電流電壓參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測外，還包含對變壓器油溫等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，通過對這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測可以達(dá)到預(yù)測和診斷電力系統(tǒng)故障問題[3]。數(shù)據(jù)挖掘在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括對電網(wǎng)運(yùn)行分析、電網(wǎng)供電能力分析、電網(wǎng)安全性分析、電網(wǎng)電能質(zhì)量分析、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析等。根據(jù)電力系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)，計算電力系統(tǒng)考核性和安全性指標(biāo)，以判斷電力系統(tǒng)中存在的潛在故障、風(fēng)險問題等，為工作人員的維護(hù)提供指導(dǎo)；通過對數(shù)據(jù)分析，可以分析電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的類型和幾率；對電力系統(tǒng)中的風(fēng)險數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，構(gòu)建故障解決預(yù)案，為電力系統(tǒng)的維修提供保障。

6 結(jié)語

綜上所述，大數(shù)據(jù)分析在電力系統(tǒng)故障檢測中的應(yīng)用，可以提高故障檢測準(zhǔn)確率和效率，并且可以有效檢測系統(tǒng)故障問題。就實際應(yīng)用來看，大數(shù)據(jù)分析在電力故障檢測中具有良好的效果，以專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為主，在電力系統(tǒng)故障檢測中應(yīng)用十分廣泛，可以為電力企業(yè)的維修工作提供技術(shù)支持，并促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展。