基于大數據分析方法的電網安全運行方案研究

吳驊

(國網西安供電公司,陜西,西安 710032)

0 引言

國外電力研究機構根據當地電網架設規(guī)模進行研究,文獻[1]通過收集電場環(huán)境和電網設備運行狀態(tài)設計出ODPS安全平臺,在此基礎上搭建電網安全云架構,保證平臺運行數據的統(tǒng)一處理,利用集對分析法對電網安全事件進行排序,一定程度上加強了電網安全環(huán)境。但這種構建平臺的方式過于片面,未考慮實際運行環(huán)境,限制條件較多;國內電力研究所根據電場環(huán)境和輸電線的承受能力建立安全調控系統(tǒng),其中文獻[2]設計出適應性調控一體化模式,通過新能源思維與大數據思維相融合的方式對安全管理方案進行改進,增強電網數據的指令調度能力,利用循環(huán)完善法不斷排查電場安全條件,極大增加系統(tǒng)運行負荷,擴大了電網運行的安全裕度。但這種模式對電網設備壓力過大,損耗了設備使用壽命。

1 電網安全運行系統(tǒng)

針對上述技術的不足,該研究通過現(xiàn)場電網環(huán)境調研,對其運行安全影響因素進行分析,并針對性布置安全策略,建立起電網安全運行系統(tǒng),實現(xiàn)電網運行各項工位的順利運行。采用區(qū)塊鏈構建安全體系,如何實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術? 在該研究中,區(qū)塊鏈在應用到電網安全運行系統(tǒng)時,在電網安全運行系統(tǒng)內設置不同的網絡節(jié)點,每個網絡節(jié)點都應用區(qū)塊鏈網絡,通過區(qū)塊鏈網絡實現(xiàn)不同數據信息的交互,即區(qū)塊鏈網絡區(qū)域內點對點數據交互。電網安全運行系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 電網安全運行系統(tǒng)設計圖

對于整個電網安全運行系統(tǒng)的設計,該研究通過制定策略和建立網架體系完成,其中電網安全策略主要建立核心為區(qū)塊鏈體系架構,組成架構的數據來源于采集數據、臺賬查詢和接口管理3個方面,通過精確的電網信息采集得到安全信息,為后續(xù)安全修復提供保障。經過區(qū)塊鏈體系的作用將安全數據劃分為電力采集區(qū)、用電需求、區(qū)塊分布和設備管理四個區(qū)塊,各區(qū)塊之間相互作用,形成鏈式反應,由體系平臺統(tǒng)一調配。在安全策略制定過程中,針對突發(fā)事件設置臨時指令變更服務,其發(fā)出的控制指令優(yōu)先級設為最高,臨時指令設計專有PRA安全網架結構,由通信數據接口接入。而安全策略的狀態(tài)數據經過轉移通道與網架體系的錄入數據庫連接,方便兩者的交流[3]。網架分析體系的建立基于錄入數據庫和基礎數據平臺,錄入數據庫主要對電網系統(tǒng)的網架管理、安全評估、輔助決策和網架模型進行數據收錄,同時基礎數據平臺運算數據歸納進錄入數據庫中[4]。而基礎數據平臺主要對設備接入服務、自動采集裝置、故障匹配和漏洞修復等硬件類設備進行控制,通過外部終端、改進GAN算法和事件查詢進行功能化運轉。

整個電網安全系統(tǒng)的設計主要針對電網中產生的不穩(wěn)定情況和存在安全隱患的裝置進行檢測和修復,并能夠自動進行系統(tǒng)運行漏洞修復,使電網運行保持在無擾動狀態(tài)。安全系統(tǒng)的建立以安全策略和網架體系為核心,通過區(qū)塊鏈體系、PRA網架和算法程序完成各工位的協(xié)調配合,是安全系統(tǒng)保持運轉的關鍵[5]。

2 區(qū)塊鏈安全體系建設

區(qū)塊鏈體系結構作為安全系統(tǒng)制定策略的核心,主要通過不同模式的分區(qū)進行裝置的安全檢測,通過劃分的不同區(qū)塊實現(xiàn)安全策略順利實施。區(qū)塊鏈安全體系建設方案如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈安全體系建設

本文設計的區(qū)塊鏈安全體系建設方案主要分為3個區(qū)塊鏈和2個技術程序。3個區(qū)塊鏈為采集區(qū)塊、集成區(qū)塊和管理區(qū)塊,2個技術程序為安全策略分析技術和RSA加密程序。采集區(qū)塊主要為采集類設備,針對電廠安全、防誤系統(tǒng)、測量裝置、安全調制和二次電路進行合理化布置,實現(xiàn)電網環(huán)境的全面檢測,采集區(qū)塊的分析數據通過互聯(lián)區(qū)域傳入縱向網關,由安全策略分析模塊集中處理;集成區(qū)塊由電能數據集成、濾波信號集成和策略安全集成技術相互連接,集成數據交換機負責對其產生的輸出數據進行集成統(tǒng)計,最終傳入安全策略分析模塊。管理區(qū)塊分為整體調度鏈和安全OA平臺,局域網交換機根據總線路節(jié)點對管理區(qū)塊鏈進行分化處理,由RSA程序進行安全加密[6]。3個區(qū)塊鏈之間通過光纖電纜和無線通訊完成交互,同時被防火墻隔離,實現(xiàn)不同區(qū)塊的數據安全保密工作,通過實時VPN和非實時VPN完成系統(tǒng)集成技術的輸入控制。

區(qū)塊鏈安全體系的建設對電網安全具有重要意義,使數據更為公開化,安全性得到保證。但同時伴隨著一些不足,由于分化的區(qū)塊過多導致存在一定的延遲性,過大的數據導致性能問題。

3 PRA安全網架設計

概率風險分析(PRA)網架建立原則是在電網運行安全結點,通過將安全裝置和結構體系布置在整個電網網架結構中,擴大電網的安全檢測覆蓋面,實現(xiàn)電網的安全運行,PRA安全網架結點如圖3所示。

圖3 PRA電網網架結構

PRA網架結構的建立通過各機組和安全結點配合完成,將電網運行結點設置為黑色安全結點和G點危險結點。針對啟動機組劃分的不同容量級進行判定,將機組輸入電量和變電站接收電量進行對比,差距較大的結點路線判定為G點,基本吻合的結點路線判定為黑色結點[7]。為提高網架的安全運行能力,利用計及直流潮流約束的方式合理分布電力安全設備,針對不同結點發(fā)生的變量進行序列化運行,從而確定出最優(yōu)風險分析網架。通過引入一致次線性正則分析約束條件在電場出力下的具體映射,證明該網架適配于多種約束條件。則電場出力具體映射為

(1)

4 改進GAN算法

生成式對抗網絡(Generative Adversarial NetworksGAN)對電力監(jiān)控的數據合理化分析,對系統(tǒng)安全進行改進,通過博弈的方法對監(jiān)控數據進行訓練式分析,本研究博弈個體為PRA網架各結點數據,博弈場景為PRA運行網架安全和漏洞對抗,利用生成對抗網絡進行合理化分析,實現(xiàn)電網數據的漏洞修復,為后續(xù)檢修提供安全保障[9]。

根據監(jiān)控數據記錄,將電網運行結點數據上傳進算法程序,經過計算機運行得到該結點最大安全閾值為

Ez～Pz(z)[ln(1-D(G(z)))]

(2)

式(2)中,V(G,D)表示網架結點最大安全閾值,Ex～Pdata表示安全設備運行安排規(guī)律,Ez～Pz(z)表示結點預測風險值,D(x)表示電網安全設備運行參數,G(z)表示電網安全受到的環(huán)境影響因素。

傳統(tǒng)的GAN算法主要通過集合統(tǒng)計安全節(jié)點數據,將數據通過算法的形式完成博弈過程,通過群體對抗的方式尋到最優(yōu)解,這種方法對于電網安全具有一定的局限性[10]。該研究通過對傳統(tǒng)GAN算法進行改進,通過將集體博弈的方式更換為兩兩對抗的方式,使算法計算的安全值更為精準。

經過改進的GAN算法對結點數據進行博弈歸納,則目標函數記為

Ls=E[lnp(s=real)|xdata]+E[lnp(s=fake)|xfake]

(3)

式(3)中,Ls表示改進GAN算法輸入的目標函數,p(s=real)表示選取數據對抗函數,p(s=fake)表示運行結點對抗函數,xdata表示數據庫中設備參數,xfake表示對抗狀態(tài)下的設備參數變化。

在實際運行中,改進后的GAN算法一定程度上反映了個體之間的對抗關系,其對抗方式為

Lc=E[lnp(C=c|xdata)]+E[lnp(C=c)|xfake]

(4)

式(4)中,Lc表示改進的GAN算法個體對抗方式,E表示個體安全采集數據,p表示結點對抗限制函數,C表示個體安全性,c表示電網安全標準。

Lunsupervised=-Ex～pg[lnp(y′|x,y′

(5)

針對不同結點產生風險漏洞原因進行修復,其修復方案表示為

(6)

式(6)中,LFM表示改進GAN算法推算出的最佳修復方案,Ex～Pdata表示修復函數所達到的最大安全修復量,Ez～Pz表示實際結點安全修復量,f(x)表示結點電能變化函數。

改進的GAN算法通過將群體性的算法程序轉化為個體對抗方式,增加了網架結點安全指標的預測精準度,同時根據對抗結果推測結點最佳安全閾值。在算法運算結果的基礎上進行結點漏洞的排查,并給出修復方案,為電網的安全運行增加保證。

5 試驗結果與分析

實驗室采用Intel i9 9600KF配置計算機,32+256 GB內存容量?，F(xiàn)場實驗環(huán)境設置,實驗電網采用華中區(qū)域電網,電壓等級為35～110 kV高壓配電網,電網運行安全余量大于20%,現(xiàn)場數據分析速度>6.0 MB/s,算法修復誤差<3.0%。在此環(huán)境下進行實驗,參數配置如表1所示。

本設計試驗對電網運行中的不同結點進行研究,根據實驗數據分析,在相同電壓環(huán)境下對電網安全運行系統(tǒng)進行實驗,根據Proteus仿真軟件對實際工作過程進行仿真演示,電網運行仿真圖如圖4所示。

圖4 電網運行仿真圖

根據圖4仿真結果對比各設計方案具體效果,根據改進的GAN算法中的式(4)記錄系統(tǒng)的安全數據變化規(guī)律,其安全指標預測方式為

(7)

表2 電網運行安全數據實驗表

本文實驗是根據Proteus仿真軟件對實際工作過程進行仿真,如何說明系統(tǒng)持續(xù)運行24 h的情況。這是出于試驗目的,提取系統(tǒng)運行24 h的數據信息并進行分析的情況。由于數據信息分析的需要,提取24 h的數據信息,以更好地理解該研究方法。另外,仿真實驗的數據和實際情況可能存在哪些差異?通過表2數據分析,本文安全系統(tǒng)在華中區(qū)域電網進行,電網電壓等級為35～110 kV,電網運行配電最大容量為1711.96 kVA,改進的GAN算法預測安全指標為98.4%,系統(tǒng)運行24 h期間系統(tǒng)事件報警率為0.35%;文獻[1]方法采用的ODPS安全平臺電網運行配電最大容量為1260.59 kVA,算法預測安全指標為95.6%,系統(tǒng)運行24 h期間系統(tǒng)事件報警率為0.82%;文獻[2]方法設計的調控一體化安全模式電網運行配電最大容量為1030.76KVA,算法預測安全指標為94.2%,系統(tǒng)運行24 h期間系統(tǒng)事件報警率為0.93%。由此看出該研究設計的安全管控系統(tǒng)具有較高可行性。設備運行安全指標曲線如圖5所示。

圖5 電網安全指標曲線

圖5中對3種不同方案的電網運行安全指標進行對比,其中文獻[1]方法提出的ODPS安全平臺安全指標隨電網配電容量增加逐漸升高,配電容量為1000 kVA時的最低指標為91.5%,在2000 kVA時的最高指標為95.6;文獻[2]方法提出的調控一體化配電容量為1000 kVA時的最低指標為90%,在2000 kVA時的最高指標為94.2;本文調控一體化配電容量為1000 kVA時的最低指標為93%,在2000 kVA時的最高指標為98.4%。

通過對比各配網安全管控系統(tǒng)事件報警率,進一步完成對比實驗,根據Proteus軟件實現(xiàn)電網的仿真,得到電網運行事件報警率曲線對比如圖6所示。

圖6 電網事件報警率曲線

通過對比發(fā)現(xiàn)3種安全系統(tǒng)事件報警率與運行時間存在一定的關系,在24小時電網運行時間內,本文電網安全系統(tǒng)事件報警率最高為0.35%;文獻[1]方法設計的ODPS安全平臺事件報警率最高為0.82%,文獻[2]方法設計的調控一體化安全模式事件報警率最高為0.93%。

綜上所述,本設計對電網安全運行設計具有明顯效果,根據實驗表明本研究在華中區(qū)域高壓配電網中的安全指標最高,同等運行時間下,系統(tǒng)事件報警率最低,體現(xiàn)出本設計電網安全系統(tǒng)的優(yōu)越性。

6 總結

本文對電網運行狀態(tài)下的安全控制進行研究,通過融入大數據分析方法完成方案設計,在電力系統(tǒng)中設計區(qū)塊鏈的方式劃分安全區(qū)域,為電網設備運行的安全管控提供分區(qū)管理方式,使安全設備合理利用。采用PRA網架對電力設備運行結點進行安全標記,架設的各個安全結點形成覆蓋面較廣的管控網絡,保證系統(tǒng)安全的全面運行。采用改進GAN算法建立對抗式安全解決辦法,使安全控制更加具有針對性,并能夠實現(xiàn)風險隱患的修復。通過試驗,本文在實驗過程中仍存在問題,針對設備故障問題需要停電修復,電網區(qū)域過大使算法壓力過大等問題仍待解決。