數(shù)據(jù)實時分析的電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

黃杰韜，王澤涌

(廣東電力信息科技有限公司，廣東 廣州 510630)

電力生產(chǎn)指的是對一能源實行轉(zhuǎn)換后形成電能，對其進(jìn)行輸送和分配后，為用戶提供電能服務(wù)的整個過程，整個過程中包含多個環(huán)節(jié)[1]，如發(fā)電、輸電、配電、變電以及電力營銷等。并且電力生產(chǎn)具備高度集中、統(tǒng)一性的特點，表示即使電網(wǎng)里存在的發(fā)電廠數(shù)量較多，其均統(tǒng)一接受電網(wǎng)的調(diào)度[2]，并設(shè)有統(tǒng)一的電能服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；除此之外，電網(wǎng)對于各個發(fā)電廠的電力技術(shù)具備統(tǒng)一指導(dǎo)和管理，因此，電力生產(chǎn)的調(diào)度、指揮等均由電網(wǎng)的調(diào)度部門完成，并且該部門在一個供電區(qū)域內(nèi)呈唯一性[3]。在電力生產(chǎn)過程中的安全性，則是電網(wǎng)實行調(diào)度、管理中的重要內(nèi)容，電力安全生產(chǎn)，能夠最大程度保證電能的服務(wù)質(zhì)量，同時保證電網(wǎng)的安全運行，避免電力安全事故的發(fā)生。依據(jù)能源局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近幾年中，電力生產(chǎn)過程中，發(fā)生數(shù)十起人身傷亡事故，該結(jié)果也表明電力安全生產(chǎn)中的管理依舊存在一定不足，例如安全條例實行不到位、預(yù)防措施不完善以及預(yù)警的實時性較差等[4]。電力生產(chǎn)過程中，各個影響因素之間存在明顯的關(guān)聯(lián)性、耦合性以及相互誘發(fā)性，因此，對于電力安全生產(chǎn)造成一定隱患[5]。李穩(wěn)等[6]為提升電力生產(chǎn)的安全性，以ToF技術(shù)為核心，實現(xiàn)電力生產(chǎn)安全監(jiān)測與預(yù)警；李偉等[7]為準(zhǔn)確判斷電力生產(chǎn)過程中的異常，通過殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成異常檢測；上述系統(tǒng)為電力安全生產(chǎn)提供一定程度的保證，但是由于電力生產(chǎn)過程中，存在多種安全事故，上述系統(tǒng)無法全部兼顧，存在一定的局限性。因此，本文針對電力安全生產(chǎn)的多種安全事故展開分析后，依據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)，對電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，判斷是否存在安全事故，及時掌握安全隱患，全面監(jiān)測電力生產(chǎn)過程，保證電力安全生產(chǎn)。

1 電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 安全生產(chǎn)監(jiān)測目的

電力安全生產(chǎn)監(jiān)測從宏觀上分析包括電網(wǎng)安全監(jiān)測和生產(chǎn)安全監(jiān)測，前者是保證電網(wǎng)運行中網(wǎng)絡(luò)的安全，后者是指電力生產(chǎn)中的人身安全[8]，也可理解成安全事件監(jiān)測。該監(jiān)測能夠綜合分析電力生產(chǎn)各個方面的安全要素，判斷當(dāng)下的安全水平，并且可清楚了解安全條例和相關(guān)規(guī)章制度的執(zhí)行和管理現(xiàn)狀[9]，及時發(fā)現(xiàn)電力生產(chǎn)中安全隱患，提前規(guī)避安全事故的發(fā)生。電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種應(yīng)用型的系統(tǒng)，其需完成電力安全生產(chǎn)過程中的人身安全事故、設(shè)備安全事故以及電網(wǎng)安全事故的監(jiān)測，可靠掌握電力生產(chǎn)的全過程中。人身安全事故監(jiān)測是以電力生產(chǎn)詳情為依據(jù)，對其進(jìn)行多維度分析后，獲取影響人身安全事故的主要因素[10]，分析以及掌握人身安全事故的風(fēng)險和變化情況，為人身安全事故規(guī)避提供依據(jù)。電力生產(chǎn)設(shè)備安全事故監(jiān)測是對設(shè)備的運行狀態(tài)實行監(jiān)測，并且可對設(shè)備事故實行等級劃分，依據(jù)不同等級采取相應(yīng)的處理策略。電網(wǎng)安全事故監(jiān)測是對電網(wǎng)實行全面監(jiān)測，避免電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模故障，引起電網(wǎng)大范圍癱瘓，并且電網(wǎng)安全事故監(jiān)測水平也是體現(xiàn)電網(wǎng)安全管理水平的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是數(shù)據(jù)處理方法的統(tǒng)稱，其包括數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、數(shù)據(jù)分析方法、數(shù)據(jù)挖掘方法、數(shù)據(jù)存儲以及預(yù)測建模等。電力安全生產(chǎn)監(jiān)測過程中，會產(chǎn)生并獲取海量的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)中包含電力生產(chǎn)安全異常甚至事故數(shù)據(jù)；除此之外，監(jiān)測中心會收到海量的預(yù)警信息，并且預(yù)警信息連續(xù)呈現(xiàn)給調(diào)度中心預(yù)警處理部門或者相關(guān)人員，但是該預(yù)警信息沒有經(jīng)過篩選和整合，相關(guān)部門和相關(guān)人員無法直接依據(jù)該信息判斷電力安全生產(chǎn)事故情況，導(dǎo)致安全事故不能及時處理。并且電力安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)具備增長特點，因此，為可靠監(jiān)測電力安全生產(chǎn)情況，實時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，及時分析數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，判斷安全事故，本文利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，該技術(shù)貫穿整個監(jiān)測系統(tǒng)，形成電力安全生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)框架，如圖1所示。

圖1 電力安全生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)標(biāo)簽技術(shù)框架Fig.1 Big data label technology framework of electric power safety production

該技術(shù)框架中，引入數(shù)據(jù)標(biāo)簽理論，對電力安全生產(chǎn)過程中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽分類，提升各類數(shù)據(jù)的辨識能力，同時能夠?qū)⑷哂嗷蛘邿o效標(biāo)簽的數(shù)據(jù)刪除。并且，大數(shù)據(jù)技術(shù)框架中，整合了電力安全生產(chǎn)監(jiān)測、調(diào)度管理、視頻等所有數(shù)據(jù)，依據(jù)電力安全生產(chǎn)過程中的不同需求，調(diào)動對應(yīng)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。文中利用大數(shù)據(jù)標(biāo)簽技術(shù)快速完成電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、整合、調(diào)用以及分析，完成電力安全生產(chǎn)風(fēng)險以及事故的量化，提升電力安全生產(chǎn)監(jiān)測可靠性，實時掌握電力安全生產(chǎn)情況。

1.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)實時分析的電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)包含3個部分，分別為電力安全生產(chǎn)層、數(shù)據(jù)分析層和監(jiān)控中心層，整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of power safety production monitoring system

(1)電力安全生產(chǎn)層。該層包含所有的電力安全生產(chǎn)單位，在每一個生產(chǎn)單位部署本地監(jiān)控站、本地管理服務(wù)器、電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單位、視頻數(shù)據(jù)服務(wù)器、本地數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、本地調(diào)度工作站等，通過交換機以及光纖網(wǎng)絡(luò)將采集的電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)分析層以及本地監(jiān)控站，本地監(jiān)控站依據(jù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析數(shù)據(jù)后，在管理調(diào)度權(quán)限范圍內(nèi)，可進(jìn)行電力安全生產(chǎn)的調(diào)度和管理；權(quán)限范圍外的則傳送至數(shù)據(jù)分析層。

(2)數(shù)據(jù)分析層。該層設(shè)有大數(shù)據(jù)處理中心、歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、監(jiān)控數(shù)據(jù)網(wǎng)等，主要對采集的電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)實行標(biāo)簽分類、存儲、分析等，保證電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時分析，獲取數(shù)據(jù)中的異?；蛘甙踩鹿蕯?shù)據(jù)，將異常結(jié)果發(fā)送至監(jiān)控中心，進(jìn)行電力生產(chǎn)安全預(yù)警。

(3)監(jiān)控中心層。該層為電網(wǎng)統(tǒng)一管理調(diào)度層，主要由調(diào)度指揮中心管理，其可完成所有電力安全生產(chǎn)單位的統(tǒng)一管理和調(diào)度，主要包含應(yīng)用服務(wù)器、管理認(rèn)證服務(wù)器、監(jiān)控顯示服務(wù)器等。該層可依據(jù)電力安全生產(chǎn)事故程度，選擇相應(yīng)的處理方案；同時該層能夠調(diào)度和管理本地電力安全生產(chǎn)單位。調(diào)度中心能夠通過監(jiān)控顯示服務(wù)器查看監(jiān)測結(jié)果、事故信息以及處理結(jié)果等。

電力安全生產(chǎn)層中生產(chǎn)單位通過數(shù)據(jù)采集單元獲取電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過交換機和光纖網(wǎng)絡(luò)同時傳送至本地監(jiān)控站以及數(shù)據(jù)分析層，本地監(jiān)控站對數(shù)據(jù)實行分析后，實行權(quán)限范圍內(nèi)的調(diào)度和管理，權(quán)限之外的則傳送至數(shù)據(jù)分析層；數(shù)據(jù)分析層對接收的全部數(shù)據(jù)實行標(biāo)簽分類以及分析后，獲取數(shù)據(jù)中的異?；蛘甙踩鹿蕯?shù)據(jù)，發(fā)送異常預(yù)警至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心則通過監(jiān)控顯示服務(wù)器查看預(yù)警結(jié)果，同時選擇相應(yīng)的處理方案，按照統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)對電力安全生產(chǎn)單位的電力安全生產(chǎn)情況進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.4 電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單位

電力安全生產(chǎn)層中，每一個電力安全生產(chǎn)單位均部署電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單位，用于完成生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，采集單元中的核心為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集器在采集過程中，為保證其良好的持續(xù)性，并且最大程度降低電源模塊和數(shù)字信號之間的干擾，因此采集器設(shè)計成采集板卡和電源板卡2個部分。采集板卡包含放大器電路、ZigBee模塊、傳感器等；電源板卡則通過電流互感取電線圈對電池充電，為采集板卡充電；除此之外，采集器中還部署電流互感器測量線圈，部署位置為輸電線路上，其結(jié)合采集板卡采集電力安全生產(chǎn)線路上的電流等信號，并經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)器將現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)發(fā)至ARM處理器，該處理器則將信號進(jìn)行處理后傳送至本地數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。

圖3 電力安全生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器Fig.3 Power safety production site data collector

1.5 電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議

電力安全生產(chǎn)監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)通信過程中，為保證數(shù)據(jù)通信的安全性，均需采用一定的通信協(xié)議完成。本文在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時主要以交換機、光纖網(wǎng)絡(luò)為主，結(jié)合電力安全生產(chǎn)監(jiān)測需求以及數(shù)據(jù)量的情況，本文采用IEC61850作為本文監(jiān)測系統(tǒng)的通信協(xié)議，保證電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全通信，該協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.4 Communication protocol structure

IEC61850通信協(xié)議為3層結(jié)構(gòu)，其分別為過程層、間隔層以及站控層，協(xié)議的每一層均具備相應(yīng)的功能，并且該協(xié)議的每一層中均包含不同數(shù)量的通信接口，用于完成不同層之間的數(shù)據(jù)通信，同時能夠依據(jù)通信數(shù)據(jù)的情況，控制通信鏈路和帶寬，同時能夠完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方保護(hù)。各個接口的詳情如下：①接口1用于保護(hù)間隔和站控2個層之間的數(shù)據(jù)通信安全；②接口2用于保護(hù)間隔和遠(yuǎn)方保護(hù)之間的數(shù)據(jù)通信安全；③接口3用于保護(hù)所在層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信安全；④接口4用于保護(hù)不同層之間互感器之間信號通信安全；⑤接口5用于控制間隔和過程2個層之間的數(shù)據(jù)通信安全；⑥接口6用于控制間隔和站控兩個層之間的數(shù)據(jù)通信安全；⑦接口7用于保護(hù)站控和遠(yuǎn)方控制之間的數(shù)據(jù)通信安全；⑧接口8用于保護(hù)所在層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信安全；⑨接口9用于保護(hù)所在層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信安全；⑩接口10用于保護(hù)變電站和遠(yuǎn)方控制之間的數(shù)據(jù)通信安全。

1.6 數(shù)據(jù)實時分析

大數(shù)據(jù)分析方法是一種能夠?qū)?shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律實行挖掘分析的方法，因此，本文采用大數(shù)據(jù)分析方法完成電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時分析，其依據(jù)采集的電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及歷史時間序列數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析自回歸模型，通過該模型反映電力安全生產(chǎn)的運行規(guī)律，判斷數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，則階數(shù)為m的模型表達(dá)式為：

Xi=λi(Xi-1+Xi-2+…+Xi-p)+βi

(1)

式中，λi為異常數(shù)據(jù)影響強度，i=1，2，…，m，其對應(yīng)電力安全生產(chǎn)的各個時刻；Xi為電力安全生產(chǎn)參數(shù)；βi為噪聲。

由于模型的階數(shù)為m，那么上述公式中的參數(shù)均具備m階記憶性。因此，如果電力安全生產(chǎn)發(fā)生變化和異常時，模型中的參數(shù)λi會發(fā)生明顯變化。當(dāng)電力安全生產(chǎn)存在異常時，則依據(jù)均值和方法的似然比判斷是否為安全事故，其似然比的計算公式為：

LR=2f(Y)-2E

(2)

式中，E為最大似然估計值；f(Y)為概率密度函數(shù)。

依據(jù)式(2)的計算結(jié)果對電力安全生產(chǎn)存在的安全事故風(fēng)險實行判斷和預(yù)警。

2 實驗結(jié)果分析

測試對象為某地區(qū)域的電網(wǎng)調(diào)度部門，該電網(wǎng)調(diào)度共存在發(fā)電單位8家，將本文系統(tǒng)部署以及安裝在電網(wǎng)的調(diào)度部門以及所有的發(fā)電單位，運行系統(tǒng)對其電力安全生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測，統(tǒng)計以及分析本文系統(tǒng)的監(jiān)測效果。系統(tǒng)安裝以及部署完成后，需先對系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，實驗對象的應(yīng)用需求為系統(tǒng)的各項功能均能夠正常運行，并且準(zhǔn)確完成功能的執(zhí)行，獲取系統(tǒng)各項功能的運行結(jié)果，見表1。

表1 系統(tǒng)各功能運行測試結(jié)果Tab.1 Test results of each function of the system

依據(jù)表1測試結(jié)果可知：系統(tǒng)各項功能運行正常，均能夠滿足應(yīng)用需求，電力安全生產(chǎn)監(jiān)測、監(jiān)測結(jié)果查詢、安全預(yù)警等功能不存在無法響應(yīng)情況，因此，系統(tǒng)具備電力安全生產(chǎn)監(jiān)測能力。

系統(tǒng)監(jiān)測需依據(jù)電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成，數(shù)據(jù)的完整性越好則監(jiān)測結(jié)果越可靠，因此，系統(tǒng)的通信效果與數(shù)據(jù)的完整性有一定關(guān)聯(lián)。通信過程中緩存隊列越短則表示傳輸?shù)膶崟r性越高，數(shù)據(jù)的損壞或者丟失率越低。獲取本文系統(tǒng)在不同傳輸帶寬下，傳輸不同大小數(shù)據(jù)時的緩存隊列長度結(jié)果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的通信測試結(jié)果Fig.5 Communication test results of system

由圖5測試結(jié)果可知，隨著通信數(shù)據(jù)量的逐漸增加，在不同的數(shù)據(jù)量大小下，緩存隊列長度沒有發(fā)生明顯增加現(xiàn)象，隊列長度均處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使數(shù)據(jù)量為100 GB、傳輸帶寬為50 Kbit/s時，緩存隊列長度依舊在0.52 Kbit左右。因此，本文系統(tǒng)通信效果良好，能夠完成電力安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，避免緩存時間較長導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者損壞。

為分析本文系統(tǒng)對于電力安全生產(chǎn)監(jiān)測的應(yīng)用效果，獲取系統(tǒng)對各個電力生產(chǎn)單位監(jiān)測視頻的查詢結(jié)果、電力安全生產(chǎn)過程中人員作業(yè)風(fēng)險預(yù)警結(jié)果、參數(shù)預(yù)警結(jié)果以及歷史預(yù)警查詢結(jié)果，分別如圖6—圖9所示。依據(jù)圖6—圖9的測試結(jié)果可知，本文系統(tǒng)能夠統(tǒng)一對所有的電力生產(chǎn)單位進(jìn)行管理，可查看所有單位的電力生產(chǎn)情況，同時能夠查看生產(chǎn)單位的電力生產(chǎn)監(jiān)控畫面，統(tǒng)計所有電力生產(chǎn)單位的生產(chǎn)事故數(shù)據(jù)；并且能夠完成電力安全生產(chǎn)過程中人員作業(yè)風(fēng)險預(yù)警以及電力生產(chǎn)設(shè)備預(yù)警，除此之外可查詢歷史預(yù)警結(jié)果，分析各個電力生產(chǎn)單位的詳細(xì)生產(chǎn)情況。

3 結(jié)論

電力安全生產(chǎn)的實時、全面監(jiān)控，能夠保證所有的電力生產(chǎn)單位實時關(guān)注電力安全生產(chǎn)情況，同時電網(wǎng)調(diào)度中心能夠按照統(tǒng)一的運行標(biāo)準(zhǔn)、能源質(zhì)量、生產(chǎn)制度等對所有的生產(chǎn)單位的安全生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，在監(jiān)測電力生產(chǎn)設(shè)備安全運行的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)人身安全事故監(jiān)測以及整個電網(wǎng)的安全事故監(jiān)測。

圖6 電力生產(chǎn)單位監(jiān)測視頻的查詢結(jié)果Fig.6 Query results of monitoring video of electric power production unit

圖7 電力安全生產(chǎn)過程中人員作業(yè)風(fēng)險預(yù)警結(jié)果Fig.7 Warning results of personnel operation risk in process of electric power safety production

圖8 電力生產(chǎn)設(shè)備預(yù)警結(jié)果Fig.8 Warning results of power production equipment

圖9 歷史預(yù)警查詢結(jié)果Fig.9 Query results of historical warnings

本文則以上述內(nèi)容為目標(biāo)，設(shè)計數(shù)據(jù)實時分析的電力安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，多方面利用大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)電力安全生產(chǎn)監(jiān)測以及異常預(yù)警。測試結(jié)果顯示：本文系統(tǒng)能夠完成信息化與自動化的結(jié)合，最大程度保證電力安全生產(chǎn)信息采集以及通信的實時性，保證信息的完整性，實現(xiàn)電力安全生產(chǎn)的可靠分析，全面檢測電力安全生產(chǎn)情況。