大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周曉峰，曾晨煌

（1.杭州簡(jiǎn)單點(diǎn)科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州百恒網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，人們對(duì)電力能源的需求也在不斷增長(zhǎng)。為確保電力系統(tǒng)的可靠性、安全性及高效性，必須及時(shí)、精準(zhǔn)地獲取各類電力能源信息，包括電力生產(chǎn)、傳輸、分配及消費(fèi)等方面的數(shù)據(jù)[1]。同時(shí)，大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用覆蓋電網(wǎng)監(jiān)測(cè)、負(fù)荷需求預(yù)測(cè)、能源分配優(yōu)化等多方面[2]。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)未來(lái)負(fù)荷需求，并提供智能決策支持[3]。這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不僅能夠識(shí)別電力系統(tǒng)中的異常情況，還能夠推動(dòng)電力資源配置的優(yōu)化，提高能源利用效率，推動(dòng)電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。文章旨在充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建一套高效可靠的電力能源信息采集系統(tǒng)，以滿足電力行業(yè)對(duì)于實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確信息的需求，從而提高電力系統(tǒng)的管理水平和運(yùn)行效率。

1 大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集需求分析

大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中需要特別關(guān)注電力能源信息的內(nèi)容，以確保系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測(cè)、分析及管理電力系統(tǒng)的各個(gè)方面。對(duì)系統(tǒng)的具體需求分為5 個(gè)方面。一是實(shí)時(shí)采集電力負(fù)載數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)采集電力負(fù)載數(shù)據(jù)，包括不同時(shí)間段內(nèi)的負(fù)載變化、高峰負(fù)載時(shí)段以及負(fù)載類型。這有助于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的電力需求，優(yōu)化電力分配和調(diào)度。二是實(shí)時(shí)收集可再生能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)于采用可再生能源的電力系統(tǒng)，應(yīng)該能夠收集太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能、風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電力等信息，以便系統(tǒng)管理員了解可再生能源的利用效率。三是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)包括發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)設(shè)備等，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集設(shè)備的工作參數(shù)、溫度、濕度等信息，從而實(shí)時(shí)評(píng)估設(shè)備健康狀態(tài)，預(yù)防潛在的故障。四是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集電力質(zhì)量參數(shù)。系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)測(cè)電力質(zhì)量參數(shù)，如電壓、電流、功率因數(shù)等，有助于識(shí)別電力系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)、諧波等潛在問(wèn)題，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。五是需要引入實(shí)時(shí)告警和異常檢測(cè)機(jī)制。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮引入實(shí)時(shí)告警和異常檢測(cè)機(jī)制，以便及時(shí)響應(yīng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以檢測(cè)到潛在的問(wèn)題，如設(shè)備故障、負(fù)載異常等，提前采取措施避免事故的發(fā)生。

1.2 大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，每個(gè)層次在系統(tǒng)中都擔(dān)負(fù)著獨(dú)特的任務(wù)，以確保電力系統(tǒng)的全面監(jiān)測(cè)、分析及管理，具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層位于系統(tǒng)的底層，主要負(fù)責(zé)與電力系統(tǒng)中的傳感器交互，實(shí)時(shí)采集各類電力能源信息。該層的重點(diǎn)是選擇合適的傳感器并合理布局，以確保采集的信息具有全面性和準(zhǔn)確性。特別關(guān)注電力系統(tǒng)的電力負(fù)載數(shù)據(jù)、可再生能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)、電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等多方面信息，確保數(shù)據(jù)采集的廣度和深度。例如，負(fù)載傳感器用于監(jiān)測(cè)電力負(fù)載，太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳感器用于收集可再生能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)備傳感器用于監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層連接數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)處理層，接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集層的原始數(shù)據(jù)。該層負(fù)責(zé)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集協(xié)議和方法將數(shù)據(jù)可靠地傳輸至數(shù)據(jù)處理層。在這個(gè)過(guò)程中，關(guān)注的是數(shù)據(jù)的及時(shí)性和完整性，以確保采集的電力能源信息能夠有效地進(jìn)入下一階段處理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸層，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集協(xié)議和方法，確保數(shù)據(jù)從采集層可靠地傳輸至數(shù)據(jù)處理層。常用的通信協(xié)議包括消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）、超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）等。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層是系統(tǒng)的核心部分，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)清洗、分析、存儲(chǔ)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。重點(diǎn)處理電力負(fù)載數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)、可再生能源的利用效率、電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息。采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，如離群值檢測(cè)和時(shí)序分析，以確保電力能源信息的質(zhì)量。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理工作包括分布式存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)壓縮，以確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

1.2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于系統(tǒng)的頂層，負(fù)責(zé)向電力系統(tǒng)管理者呈現(xiàn)實(shí)時(shí)分析和預(yù)測(cè)的結(jié)果。系統(tǒng)通過(guò)可視化界面或報(bào)告形式向管理者呈現(xiàn)關(guān)鍵的電力能源信息，包括電力負(fù)載趨勢(shì)、可再生能源利用效率、設(shè)備健康狀態(tài)等。該層輸出的信息有助于管理者做出合理決策，維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)部署于電力系統(tǒng)的服務(wù)器集群，以實(shí)時(shí)采集和處理電力能源信息。特別關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)采集層的設(shè)備與電力系統(tǒng)中的傳感器有效連接，并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫集成，可以避免對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不必要的影響。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

為滿足電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需求，數(shù)據(jù)采集層需選用負(fù)載傳感器監(jiān)測(cè)電力負(fù)載變化，包括高峰時(shí)段和不同負(fù)載類型。安裝太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等傳感器實(shí)時(shí)采集可再生能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)，評(píng)估利用效率。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要利用傳感器監(jiān)測(cè)并采集發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)設(shè)備的工作參數(shù)、溫度及濕度等信息，實(shí)時(shí)評(píng)估設(shè)備健康狀態(tài)。傳輸層需確保數(shù)據(jù)及時(shí)、完整傳輸至數(shù)據(jù)處理層，滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)完整性要求。電力系統(tǒng)管理者獲得實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)信息后，可準(zhǔn)確分析電力系統(tǒng)的狀態(tài)。

2.2 大數(shù)據(jù)支持的數(shù)據(jù)處理和清洗算法

數(shù)據(jù)處理層采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和處理，以確保采集的電力能源信息質(zhì)量。文章采用的孤立森林算法可以識(shí)別電力能用使用中的異常波動(dòng)，幫助監(jiān)測(cè)潛在的問(wèn)題[4]。設(shè)數(shù)據(jù)集為X={x1,x2,…,xn}，i=1,2,…,n，其中xi是一個(gè)包含多個(gè)特征的數(shù)據(jù)點(diǎn)。構(gòu)建的孤立森林包含m棵隨機(jī)樹，表示為T={T1,T2,…,Tm}，j=1,2,…,m。對(duì)于每棵樹Tj，遞歸地進(jìn)行分割直到達(dá)到樹的最大深度或終止條件。設(shè)h(xi,Tj)表示數(shù)據(jù)點(diǎn)xi在樹Tj中的路徑長(zhǎng)度。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在所有樹中的路徑長(zhǎng)度的平均值為

最終，通過(guò)設(shè)定閾值，可以將路徑長(zhǎng)度較短的數(shù)據(jù)點(diǎn)識(shí)別為異常值。孤立森林可以通過(guò)基于樹的方法在大數(shù)據(jù)集中高效地孤立異常值，數(shù)據(jù)處理和清洗能力較強(qiáng)。孤立森林算法清洗數(shù)據(jù)流程如圖2 所示，該算法的流程包括隨機(jī)抽樣、構(gòu)建樹、遞歸劃分、孤立異常值及結(jié)果合并等步驟。首先，從電力能源信息數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇樣本，并在特征空間中選擇特征。其次，遞歸地進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，使用隨機(jī)特征和劃分點(diǎn)構(gòu)建樹，直到達(dá)到最大深度或葉節(jié)點(diǎn)樣本數(shù)量小于某閾值。在構(gòu)建的樹中，異常值一般在路徑長(zhǎng)度較短的葉節(jié)點(diǎn)，因此這些樣本被孤立作為異常值，整個(gè)過(guò)程重復(fù)多次以構(gòu)建多個(gè)隨機(jī)樹[5]。最后，通過(guò)計(jì)算每個(gè)樣本在所有樹中的路徑長(zhǎng)度平均值，將路徑長(zhǎng)度較短的樣本標(biāo)識(shí)為異常值。

圖2 孤立森林算法清洗數(shù)據(jù)流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用及測(cè)試

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

通過(guò)應(yīng)用層，管理者能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，包括電力負(fù)載、可再生能源產(chǎn)量即設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)還能夠利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)預(yù)測(cè)未來(lái)電力需求，以支持決策制定。

3.2 異常檢測(cè)與預(yù)警

數(shù)據(jù)處理層的孤立森林算法能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別電力系統(tǒng)中的異常情況，如負(fù)載突變、可再生能源異常波動(dòng)、設(shè)備故障等。系統(tǒng)應(yīng)用層的實(shí)時(shí)報(bào)警和警告功能使通知管理者能夠及時(shí)采取措施，預(yù)防潛在問(wèn)題。

3.3 能效評(píng)估與優(yōu)化

利用大數(shù)據(jù)分析，電力能源信息采集系統(tǒng)可以評(píng)估電力系統(tǒng)的能效，包括能源利用效率和設(shè)備運(yùn)行效率。大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供優(yōu)化建議，如負(fù)載調(diào)整、可再生能源配置優(yōu)化等，以提高電力系統(tǒng)的整體效益。

對(duì)大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面測(cè)試，包括數(shù)據(jù)處理速度、實(shí)時(shí)分析響應(yīng)時(shí)間及預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性等關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，采取一系列優(yōu)化手段，包括并行計(jì)算、異步處理等，引入分布式計(jì)算環(huán)境，如Apache Spark，以增強(qiáng)電力能源信息采集系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量情況下的處理能力，并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)索引和查詢語(yǔ)句，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢索的效率。大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)優(yōu)化前后的關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。

表1 關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

表1中的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，采用優(yōu)化方法之后，大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)的處理速度提升25%，實(shí)時(shí)分析響應(yīng)時(shí)間降低30 ms，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性提高5 個(gè)百分點(diǎn)。這表明在實(shí)際應(yīng)用中,優(yōu)化措施具有的高效性和可靠性。

4 結(jié) 論

文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)大數(shù)據(jù)支持下的電力能源信息采集系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)管理者提供全面、實(shí)時(shí)、可靠的電力能源信息。系統(tǒng)的應(yīng)用將為電力系統(tǒng)的智能化管理和決策提供強(qiáng)有力的支持，有望提高電力系統(tǒng)的可靠性、效率及穩(wěn)定性。未來(lái)，研究方向可以包括進(jìn)一步優(yōu)化算法、擴(kuò)展系統(tǒng)的功能及在更多實(shí)際場(chǎng)景中的驗(yàn)證和應(yīng)用。