基于電力大數(shù)據(jù)與畫像的配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊曉燕，李紹堅(jiān)

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局，廣西南寧 530029）

隨著電力用戶需求的快速發(fā)展，如何保證電力用戶數(shù)據(jù)分析的有效性變得十分重要。由于電量數(shù)據(jù)的獲取范圍與傳輸頻率并不能始終保持穩(wěn)定，所以保證電力用戶特征分析結(jié)果的準(zhǔn)確性成為了維持配電網(wǎng)運(yùn)行安全性的重要條件[1]。在已知電力大數(shù)據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)的前提下，用戶畫像標(biāo)簽的發(fā)展可以為用戶行為帶來(lái)更加間接與直觀的表達(dá)。故而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)已存儲(chǔ)的用戶檔案數(shù)據(jù)，判斷用戶與用戶之間的信息互通關(guān)系，再通過(guò)構(gòu)建電力畫像標(biāo)簽的方式，確定電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸能力。

配電網(wǎng)是指能夠從核心輸電網(wǎng)或地區(qū)發(fā)電廠接受電能的電力應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，能夠按照電壓主機(jī)分配原則，將這些傳輸電量信號(hào)傳輸至各級(jí)應(yīng)用主機(jī)中[2]。隨著電信號(hào)傳輸量的增大，個(gè)別信息參量會(huì)呈現(xiàn)出明顯的無(wú)功運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)配電網(wǎng)環(huán)境中的電量信號(hào)無(wú)功功率水平大幅提升，這也是導(dǎo)致配電網(wǎng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性不斷下降的主要原因。傳統(tǒng)在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然能夠?qū)﹄娏啃盘?hào)的傳輸能力進(jìn)行準(zhǔn)確度量，但由于用戶節(jié)點(diǎn)之間的信息互通關(guān)系并不能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)并不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求[3]。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于電力大數(shù)據(jù)與畫像的配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件運(yùn)行環(huán)境由MVC 監(jiān)測(cè)框架、電量運(yùn)行電路、網(wǎng)關(guān)管理模塊三部分共同組成，具體設(shè)計(jì)方法如下。

1.1 MVC監(jiān)測(cè)框架

MVC 監(jiān)測(cè)框架同時(shí)負(fù)載電量運(yùn)行電路、網(wǎng)關(guān)管理模塊等多個(gè)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)，作為配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建基礎(chǔ)，能夠?qū)⑴潆娋W(wǎng)主機(jī)與電量控制器聯(lián)結(jié)起來(lái)，并可以通過(guò)請(qǐng)求分發(fā)、信號(hào)反饋的處理方式，將處于傳輸狀態(tài)的電力大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中[4-5]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，配電網(wǎng)主機(jī)與電量控制器元件之間始終保持著穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息共通傳輸狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，由配電網(wǎng)主機(jī)指向電量控制器元件的執(zhí)行指令被認(rèn)定為監(jiān)測(cè)請(qǐng)求發(fā)送，由電量控制器元件指向配電網(wǎng)主機(jī)的執(zhí)行指令被認(rèn)定為監(jiān)測(cè)信息回傳。具體連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MVC監(jiān)測(cè)框架的結(jié)構(gòu)示意圖

電力大數(shù)據(jù)作為MVC 監(jiān)測(cè)框架中的過(guò)渡信息，具備雙向反饋的傳輸能力，向上可傳輸至電信號(hào)監(jiān)測(cè)器元件，向下可作為存儲(chǔ)信息，以供監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)的直接調(diào)取與利用。

1.2 電量運(yùn)行電路

電量運(yùn)行電路（如圖2 所示）作為配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，可將外部電源輸入的高壓電量信號(hào)轉(zhuǎn)化成低壓、直流的輸出形式，并可以借助導(dǎo)線與應(yīng)用電阻設(shè)備，將這些傳輸電量反饋給下級(jí)硬件結(jié)構(gòu)體[6]。AMOS 配電主機(jī)作為電量運(yùn)行電路中的核心運(yùn)行設(shè)備，能夠記錄電量信號(hào)的實(shí)際傳輸行為，且隨著信號(hào)傳輸量的增大，主機(jī)元件自身所具備的數(shù)據(jù)承載能力也會(huì)不斷增強(qiáng)，此時(shí)為使整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期維持相對(duì)穩(wěn)定的執(zhí)行狀態(tài)，相關(guān)電阻設(shè)備（如R1、R2、R3、R4、R5、R6）兩端的負(fù)載電壓數(shù)值也會(huì)不斷增大。

圖2 電量運(yùn)行電路

電壓表負(fù)責(zé)度量AMOS 配電主機(jī)兩端的電壓數(shù)值，一般來(lái)說(shuō)，其物理示數(shù)越大，表示電量運(yùn)行電路所具備的電信號(hào)輸出能力越強(qiáng)。

1.3 網(wǎng)關(guān)管理模塊

在配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)管理模塊負(fù)責(zé)更改電力大數(shù)據(jù)的傳輸形式，且由于元件結(jié)構(gòu)所處位置的特殊性，該設(shè)備結(jié)構(gòu)具有承上啟下的連接能力，向上能夠?qū)Υ齻鬏數(shù)碾娏Υ髷?shù)據(jù)進(jìn)行整合與處理，向下可以建立模塊結(jié)構(gòu)與運(yùn)行電路之間的實(shí)時(shí)連接關(guān)系[7-8]。DSP 主板能夠同時(shí)調(diào)節(jié)LFS014設(shè)備與GMS19-44 設(shè)備，并可以借助電容聚合已存儲(chǔ)的電量大數(shù)據(jù)，從而使得配電量信號(hào)能夠順利從網(wǎng)關(guān)管理模塊傳輸給下級(jí)硬件應(yīng)用設(shè)備[9]。

2 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

在各級(jí)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，按照電力數(shù)據(jù)采集原理，構(gòu)建完整的畫像標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，再根據(jù)標(biāo)簽純度的度量結(jié)果，完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于電力大數(shù)據(jù)與畫像的配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 電力數(shù)據(jù)采集

電力數(shù)據(jù)采集是配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建的必要執(zhí)行環(huán)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為構(gòu)建穩(wěn)定的電力大數(shù)據(jù)畫像標(biāo)簽，在實(shí)施電力數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要同時(shí)參考電力大數(shù)據(jù)篩查系數(shù)、配電信號(hào)傳輸向量等多項(xiàng)物理參數(shù)條件[10-11]。電力大數(shù)據(jù)篩查系數(shù)常表示為?，一般來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)系數(shù)參量的取值始終屬于[1,+∞)的物理區(qū)間。配電信號(hào)傳輸向量可表示為，在固定配電系數(shù)保持為β的前提下，該項(xiàng)物理量的實(shí)際取值越大，配電主機(jī)所采集到的電力大數(shù)據(jù)信息量也就越多。聯(lián)立上述物理量，可將配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中的電力數(shù)據(jù)采集結(jié)果表示為：

式中，w1、w2、…、wn分別表示n個(gè)不同的配電感應(yīng)系數(shù)，n表示電量監(jiān)測(cè)指標(biāo)的最大取值結(jié)果。在構(gòu)建電量畫像標(biāo)簽時(shí)，必須根據(jù)電力大數(shù)據(jù)采集結(jié)果，對(duì)配電網(wǎng)主機(jī)進(jìn)行規(guī)劃與調(diào)試。

2.2 畫像標(biāo)簽構(gòu)建

畫像標(biāo)簽描述了電力大數(shù)據(jù)參量之間的信息映射關(guān)系，假定配電網(wǎng)是一個(gè)絕對(duì)穩(wěn)定的電信號(hào)傳輸環(huán)境，則可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的映射關(guān)系越明顯，最終定義畫像標(biāo)簽所包含的數(shù)據(jù)信息參量也就越多[12-13]。設(shè)i表示電力大數(shù)據(jù)映射參量的初始取值，αmax表示標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)的最大值，αmin表示標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)的最小值，λ表示一個(gè)穩(wěn)定的配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)周期時(shí)長(zhǎng)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將畫像標(biāo)簽構(gòu)建結(jié)果表示為：

式中，γ表示與電力大數(shù)據(jù)信息匹配的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)定標(biāo)值，ΔR表示電力大數(shù)據(jù)在配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的傳輸總量。對(duì)于配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境而言，畫像標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的物理間隔越小，配網(wǎng)主機(jī)對(duì)于電力大數(shù)據(jù)信息參量的捕捉能力也就越強(qiáng)[14]。

2.3 標(biāo)簽純度的度量

在已知畫像標(biāo)簽構(gòu)建結(jié)果的情況下，配電網(wǎng)主機(jī)可以根據(jù)標(biāo)簽純度指標(biāo)的度量值結(jié)果，確定電力大數(shù)據(jù)信息所處的實(shí)時(shí)傳輸位置。對(duì)于配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，標(biāo)簽純度指標(biāo)的度量數(shù)值既決定了標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的分布密度，也影響了配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)于待傳輸電量大數(shù)據(jù)的采集與處理能力[15-16]。設(shè)x表示配電網(wǎng)主機(jī)對(duì)于待傳輸電量大數(shù)據(jù)的初始賦值，ρ表示電力畫像標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的分布密度，表示配電網(wǎng)主機(jī)中的電力大數(shù)據(jù)傳輸特征值，ξ表示配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中一個(gè)隨機(jī)選取的電信號(hào)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，μ表示與配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境匹配的配電信號(hào)定標(biāo)值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將電力畫像標(biāo)簽純度指標(biāo)的度量數(shù)值表達(dá)式定義為：

根據(jù)標(biāo)簽純度指標(biāo)的度量值結(jié)果，配電網(wǎng)主機(jī)能夠?qū)﹄娏Υ髷?shù)據(jù)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，且隨著電信號(hào)傳輸量的增大，大數(shù)據(jù)信息并不會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中明顯堆積，這也是系統(tǒng)主機(jī)始終能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)運(yùn)行安全性進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的主要原因。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

利用QGIS 軟件對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將所選取電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備與實(shí)驗(yàn)主機(jī)相連（如圖3 所示），根據(jù)電量表設(shè)備中的示數(shù)結(jié)果，分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值變化情況。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先利用基于電力大數(shù)據(jù)與畫像的配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)主機(jī)元件進(jìn)行控制，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量；然后利用傳統(tǒng)在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)主機(jī)元件進(jìn)行控制，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量；最后對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量數(shù)據(jù)，并總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律[17-19]。

圖3 配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境規(guī)劃

電量信號(hào)的無(wú)功功率水平，能夠反映出配電網(wǎng)主機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，一般來(lái)說(shuō)，電量信號(hào)的無(wú)功功率水平越低，表示配電網(wǎng)主機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性越強(qiáng)；反之，若電量信號(hào)的無(wú)功功率水平相對(duì)較高，則表示當(dāng)前情況下配電網(wǎng)主機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性相對(duì)較低。

式（4）為電量信號(hào)無(wú)功功率p0的計(jì)算表達(dá)式：

式中，U0表示無(wú)功狀態(tài)下的輸入電壓，Iˉ表示無(wú)功狀態(tài)下的電流均值。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中配電主機(jī)的電阻數(shù)值始終保持穩(wěn)定。

3.2 無(wú)功功率測(cè)試

圖4 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組輸入電壓與電流均值的數(shù)值變化情況。

圖4 實(shí)驗(yàn)曲線

分析圖4 可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組曲線的變化趨勢(shì)基本保持一致，但實(shí)驗(yàn)組輸入電壓、電流均值曲線均位于對(duì)照組下端。

對(duì)照?qǐng)D4 中的U0指標(biāo)與Iˉ指標(biāo)數(shù)值結(jié)果，對(duì)電量信號(hào)無(wú)功功率p0進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電量信號(hào)無(wú)功功率數(shù)值

分析表1 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組無(wú)功功率計(jì)算結(jié)果均呈現(xiàn)出上升、下降交替出現(xiàn)的數(shù)值變化狀態(tài)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組無(wú)功功率最大值達(dá)到了320.4 W，與實(shí)驗(yàn)組最大值183.4 W 相比，上升了137 W；對(duì)照組無(wú)功功率均值為119.8 W，與實(shí)驗(yàn)組均值93.9 W 相比，上升了25.9 W。

綜上可知，在基于電力大數(shù)據(jù)與畫像的配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用下，電量信號(hào)的無(wú)功功率數(shù)值水平確實(shí)得到了較好控制，與傳統(tǒng)在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，更符合促進(jìn)配電主機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以MVC 框架為基礎(chǔ)，聯(lián)合電量運(yùn)行電路、網(wǎng)關(guān)管理模塊兩類硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)電力大數(shù)據(jù)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再根據(jù)已知的畫像標(biāo)簽構(gòu)建結(jié)果，計(jì)算標(biāo)簽純度指標(biāo)的具體度量系數(shù)。與傳統(tǒng)在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，隨著基于電力大數(shù)據(jù)與畫像的配電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，電量信號(hào)無(wú)功功率水平過(guò)高的問(wèn)題得到了較好解決，對(duì)于保持配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性與安全性確實(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。