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

馬建倉 黃鶴鳴 楊云

1 引言

當(dāng)今社會中，電力系統(tǒng)尤為重要，其支撐著社會的進步與發(fā)展。近年來，受日益增加的電力需求量影響，電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜化發(fā)展，此時不可避免地會有一系列電力故障問題產(chǎn)生，具體來說，以下兩種因素是導(dǎo)致故障發(fā)生的主要原因：第一是自然因素影響，如地震及雷電等都會在一定程度上影響電力系統(tǒng)；第二是人為因素影響，如操作失誤及不法分子蓄意破壞等都會導(dǎo)致電力故障問題發(fā)生。以往分析電力系統(tǒng)故障時，通常會選擇設(shè)備監(jiān)控或人工排查等方式進行應(yīng)用，但上述故障分析方式不僅不能為故障分析質(zhì)量提供保障，同時也會降低故障分析的準確性及工作效率。因此，近年來隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加之大數(shù)據(jù)優(yōu)勢的日益凸顯，電力系統(tǒng)故障預(yù)測中開始應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析方式。

2 電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的類型

2.1 基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)

此類數(shù)據(jù)具體有變壓器及發(fā)動機等關(guān)于設(shè)備屬性的數(shù)據(jù)內(nèi)容，針對這些數(shù)據(jù)進行管理時，需要電力企業(yè)與自身數(shù)據(jù)規(guī)劃相結(jié)合，同時還應(yīng)注意數(shù)據(jù)服務(wù)器的利用，進而同步所有數(shù)據(jù)，把所有數(shù)據(jù)向調(diào)度中心進行統(tǒng)一存儲，在此基礎(chǔ)上針對性地整理及計算工作即可開展。

2.2 實時類數(shù)據(jù)

在電力系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)，必然會獲得各種各樣的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)就屬于實時類數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)量較大，因此往往會高要求存儲空間。對于電力系統(tǒng)運行過程產(chǎn)生的這些數(shù)據(jù)來說，需要進行專門處理，之后向調(diào)度部門方面進行傳送，以此來支撐調(diào)度部門各項決策制定。在中國，處理電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的方式方法已經(jīng)初步規(guī)模，并且具有成熟的處理方式，僅需要以收集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，把穩(wěn)定接口建立起來即可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)準確性提升的目的。

2.3 日常管理類數(shù)據(jù)

電力系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)、各部門針對電力系統(tǒng)運行過程問題處理后所獲數(shù)據(jù)等信都屬于日常管理類數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)集會在特定范圍內(nèi)進行共享，所以需要把專門的共享及同步平臺建立起來，借此對電力設(shè)施設(shè)備情況進行反映，同時也能為其他部門收集、了解日常管理類數(shù)據(jù)提供便利。

2.4 市場經(jīng)濟類數(shù)據(jù)

在中國市場經(jīng)濟體制逐步健全的背景下，逐漸完善了電力系統(tǒng)，隨之也帶來了顯著的經(jīng)濟效益，電力系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在一定程度上影響著電力器發(fā)展。在電力企業(yè)制定整體規(guī)劃的過程中，全面、健全的參考依據(jù)就是市場經(jīng)濟類數(shù)據(jù)。

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

為了對電力系統(tǒng)故障進行全面分析，進而促使系統(tǒng)高效有序運行目標得以良好實現(xiàn)，必須要注重專門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的積極設(shè)計。在論文的設(shè)計中，主要是以不同角度為出發(fā)點，簡單來說就是從主站及子站等方面開展結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。從主站主要功能來說，其主要是對子站所采集的數(shù)據(jù)進行匯總，之后以系統(tǒng)中不同功能為依據(jù)，分別交付所采集的數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)系統(tǒng)高效利用的目的[1]。在連接主站和子站時，需要以通信網(wǎng)絡(luò)為橋梁，在借助通訊網(wǎng)絡(luò)進行連接時，具體可選擇以下兩種連接方式：第一種連接方式是借助TCP/IP，進而確保主站和子站之間的通信目的得以良好實現(xiàn)；另一種是連接且實現(xiàn)通信目的的方式則是以電話撥號為主。為確保主站和子站數(shù)據(jù)共享程度得以有效提升，進而有效分析電力系統(tǒng)中的海量信息，應(yīng)注重專門SCAD/EMS 系統(tǒng)的設(shè)計，同時在設(shè)計這一系統(tǒng)時，還應(yīng)該在防火墻方面加強設(shè)計力度，為兩個系統(tǒng)的獨立性提供保障作用。

3.2 子站結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，要避免子系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)間產(chǎn)生組網(wǎng)情況，主要原因在于屬于典型實時傳輸系統(tǒng)之一的監(jiān)控系統(tǒng)，其往往會在安全區(qū)中存在，而安全區(qū)中同時還包含子站系統(tǒng)，所以在安全區(qū)應(yīng)為子站系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)之間的隔離提供保障。由于在子站結(jié)構(gòu)設(shè)計過程主要是對Windows 系統(tǒng)加以應(yīng)用，因此子系統(tǒng)存在的顯著風(fēng)險體現(xiàn)在病毒感染方面，如果子系統(tǒng)和保護裝置間的共網(wǎng)能良好實現(xiàn)，則子系統(tǒng)存在的不可控風(fēng)險就會得到有效降低。

4 電力系統(tǒng)故障預(yù)測中大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)處理過程

分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)能有效處理海量數(shù)據(jù)，而在針對海量數(shù)據(jù)進行處理時，需要對MapReduce、HDFS 這兩大核心軟件加以應(yīng)用，由這兩個軟件對運算及存儲責(zé)任進行分別承擔(dān)，并且基于分布式存儲系統(tǒng)的利用，能使專門存儲集群在投入較少成本的情況下有效構(gòu)建起來，針對模型進行設(shè)計的過程中，可從決策層、支撐層、數(shù)據(jù)層這三層方面為出發(fā)點，其中具備數(shù)據(jù)分析平臺、且屬于決策者的層面是決策層，此層面主要是高效分割數(shù)據(jù)，進而進一步提升數(shù)據(jù)分析效率。挖掘并存儲數(shù)據(jù)的層面是支撐層，此層面并不會向HDFS 中直接存儲數(shù)據(jù)，其反而是向HBase 中存儲數(shù)據(jù)。負責(zé)采集數(shù)據(jù)的層面是數(shù)據(jù)層，此層面需要預(yù)處理子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，進而向高層方面進行傳遞，在此基礎(chǔ)上進步處理和分析數(shù)據(jù)，電力系統(tǒng)故障大數(shù)據(jù)處理模型如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)故障大數(shù)據(jù)處理模型

如針對來源于IEEE39 節(jié)點系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分析時，以10ms 的間隔進行數(shù)據(jù)采樣，20s 為數(shù)據(jù)采集時長，系統(tǒng)接地短路問題發(fā)生在5s 時及節(jié)點10 處，而故障切除是在6s 時，基于首段及故障這兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)選擇，對典型節(jié)點電力系統(tǒng)波形圖進行了繪制（如圖2所示）。具體進行故障診斷的過程中，選擇小波分解的方式來分析波形1 和波形10 節(jié)點，這一過程主要是選擇db3 的小波基，共進行6 層分解。第6 層對1和10 兩個節(jié)點的低頻小波系統(tǒng)進行提取，借此逼近實測電力系統(tǒng)故障信號，能顯著降低原始信號的噪音，此種數(shù)據(jù)處理方式，能為電力系統(tǒng)故障問題準確判斷提供進一步保障。

圖2 典型節(jié)點電力系統(tǒng)節(jié)點波形圖

4.2 故障預(yù)測過程

在本研究所選系統(tǒng)中，需要子站采集現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)，并且由子站進行初步分析，在此基礎(chǔ)上選擇主動方式或查詢機制等、向主站中傳遞上述數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果。整體系統(tǒng)中包含的子站系統(tǒng)往往會較多，所以需要主站對各子站數(shù)據(jù)進行接收，同時還需要進一步分析并處理這些數(shù)據(jù)。在處理海量數(shù)據(jù)的過程中，基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的開展，能使子站中不具備價值的垃圾數(shù)據(jù)向主站傳遞的現(xiàn)象得以有效減少，而在實現(xiàn)這一目標時，就需要預(yù)處理所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同時有效清除一些過時及重復(fù)垃圾數(shù)據(jù)[2]。預(yù)處理數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，需要進行的數(shù)據(jù)處理流程主要有抽取及轉(zhuǎn)換等，借此才能保障數(shù)據(jù)良好預(yù)處理目標得以有效實現(xiàn)；對于數(shù)據(jù)的抽取及清洗等各工序來說，其具備的任務(wù)是特定的，而在上述工序完成的情況，監(jiān)測及預(yù)測電力系統(tǒng)故障的目的才能有效實現(xiàn)。針對電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)異常變化發(fā)生與否進行監(jiān)控的過程中，一旦通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)存在異常情況，及時的處理尤為必要，其能確保電力系統(tǒng)故障問題得以有效處理，為電力系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運行提供保障，同時在處理異常情況時，基于數(shù)據(jù)監(jiān)控功能的發(fā)揮，新一輪數(shù)據(jù)預(yù)處理工作也會隨之開展，使系統(tǒng)中能始終存儲具備價值的數(shù)據(jù)。

4.3 配電運行狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警中運用數(shù)據(jù)挖掘

電力系統(tǒng)組成中種尤為重要的一部分內(nèi)容就是配電網(wǎng)，配電網(wǎng)往往會涉及較多設(shè)備，并且不同設(shè)備的使用及維護等情況也有所不同，此時就會導(dǎo)致分析、監(jiān)測、預(yù)警配電網(wǎng)運行狀態(tài)的難度逐漸增加。從傳統(tǒng)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集及存儲實際情況來看，有效的數(shù)據(jù)搜集及存儲能力較為缺乏，因而使維護人員難以及時有效地評估配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，最終給配電網(wǎng)事故預(yù)警和故障診斷造成了不利影響。在中國逐漸推進智能電網(wǎng)建設(shè)的背景下，逐漸增加了配電網(wǎng)運行過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而采集、篩選、挖掘大量數(shù)據(jù)，能對傳統(tǒng)配電網(wǎng)中、因有效監(jiān)測手段缺乏而造成的故障難以及時診斷及預(yù)警等問題得以有效彌補。在收集配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的過程中，采集方式通常是以監(jiān)控系統(tǒng)為主，而監(jiān)控系統(tǒng)中含有的參數(shù)往往較多，如電氣參數(shù)及非電氣參數(shù)都包含其中，在進一步挖掘這些數(shù)據(jù)的情況下，早期診斷并預(yù)警電力系統(tǒng)故障即可良好實現(xiàn)。在配電網(wǎng)中應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘，主要是分析配電網(wǎng)運行安全性、供電能力、供電可靠性、供電質(zhì)量、電網(wǎng)運行經(jīng)濟性等內(nèi)容，以采集數(shù)據(jù)為出發(fā)點，對配電網(wǎng)運行的安全性及可靠性等指標進行計算，借此把可能存在的風(fēng)險、風(fēng)險類型及潛在故障部位等判斷出來，更好地指引維護人員故障修復(fù)[3]。此外，在深入分析累計數(shù)據(jù)的情況下，還能對配電網(wǎng)風(fēng)險發(fā)生的概率、風(fēng)險類型等進行預(yù)測，并為針對性解決方案的制定提供參考意見。

5 結(jié)語

應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析方式來處理電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)信息，不僅能提高故障處理的效率及準確率，同時也能有效監(jiān)測故障問題。具體應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析方式時，應(yīng)考慮電力系統(tǒng)中存在的各類數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計預(yù)測結(jié)構(gòu)，之后運用大數(shù)據(jù)分析來處理電力系統(tǒng)運行過程所收集的數(shù)據(jù)，如此才能保障數(shù)據(jù)有效處理、故障有效監(jiān)測目標得以良好實現(xiàn)，以先進技術(shù)支撐電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。