蘇波, 程鵬, 丁曉輝, 侯娟, 鄭亞楠
(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司, 寧夏, 銀川 750011; 2.國網(wǎng)銀川供電公司, 寧夏, 銀川 750011)
隨著人們用電量的上升,變電站的數(shù)目也不斷增加,同時(shí)變電站也開始了智能化管理,變電站智能告警信號(hào)仍然需要改進(jìn),在面對(duì)一個(gè)大數(shù)據(jù)的平臺(tái),如果沒有高技術(shù)的告警監(jiān)控系統(tǒng)的排查,那么變電站的監(jiān)控人員將會(huì)承受多么重的任務(wù)。文獻(xiàn)[1]采用支持向量機(jī)(Support Vector Machines, SVM)對(duì)采集到的告警信號(hào)進(jìn)行分類,從中提取重要信息,并對(duì)發(fā)生故障可能性較高的信息進(jìn)行報(bào)警并處理,此方法雖然對(duì)告警信號(hào)分類,但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中告警信息的正確率將會(huì)對(duì)告警信號(hào)產(chǎn)生影響,給監(jiān)控人員造成信息排查的困難。文獻(xiàn)[2]采用均值聚類法對(duì)信息的篩選過濾,提取發(fā)生故障或異??赡苄暂^高的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示,該方法未能對(duì)采取的信號(hào)進(jìn)行分類處理,大量的信息直接導(dǎo)入控制中心調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng),數(shù)據(jù)排列混亂,沒有可讀性。
依據(jù)變電站發(fā)生故障的嚴(yán)重性可將告警信號(hào)分為5個(gè)等級(jí),即故障、異常、越限、變位和告知[3]。告警信號(hào)分類如表1所示。
表1 告警信號(hào)分類
第1~4級(jí)是需要實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)處理的重要信息,此類信息需要調(diào)控中心24小時(shí)實(shí)時(shí)控制不間斷監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)異常并立即處理,同時(shí)立即向運(yùn)維部門通知。第5級(jí)主要反映變電站各設(shè)備的運(yùn)行狀況,由運(yùn)維部門的工作人員定期檢查。
調(diào)控中心監(jiān)測(cè)人員根據(jù)告警信號(hào)的等級(jí)進(jìn)行先后處理事故需要有條理有序的告警信號(hào)提示,以便監(jiān)測(cè)人員能快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常并立即解決,確保變電站的安全[4]。智能告警系統(tǒng)模型,如圖1所示。
圖1 智能告警信號(hào)模型
智能告警信號(hào)共分為信息生成、信息一級(jí)處理、信息二級(jí)處理和信息輸出4個(gè)部分。采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理,該系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制單元、可編程邏輯控制器、通信基礎(chǔ)設(shè)施和人機(jī)界面5部分組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集與監(jiān)督并上傳調(diào)度等;可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的事件分類,此外若想實(shí)現(xiàn)其他功能,可自由編寫程序;通信基礎(chǔ)設(shè)施是將各個(gè)部分相聯(lián)系以便能夠及時(shí)快速地得到數(shù)據(jù)信息,將告警信息快速處理;人機(jī)界面是監(jiān)測(cè)人員所控制的窗口,上面顯示故障信息、發(fā)生故障的原因、針對(duì)故障給出相應(yīng)的解決措施及其報(bào)警信號(hào),在人機(jī)界面還可以查詢歷史告警信息,并對(duì)此做出總結(jié),以便監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與處理[5]。
基于上述的不足,本研究對(duì)告警信號(hào)系統(tǒng)有新的改進(jìn)。該告警信號(hào)系統(tǒng)由輸入信號(hào)模塊、信號(hào)處理模塊、報(bào)警模塊和人機(jī)界面顯示模塊4大模塊組成。總體架構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 變電站智能告警信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本研究中采用基于單片機(jī)的告警系統(tǒng),告警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的整個(gè)流程如下,首先,SCADA采集到的數(shù)據(jù)輸入到告警系統(tǒng),輸入信號(hào)經(jīng)過隔離濾波進(jìn)行信號(hào)篩選,將篩選出需要告警的信息進(jìn)行分類、分等級(jí),再根據(jù)等級(jí)的不同做出相應(yīng)的告警信號(hào)[6]。
該告警系統(tǒng)采用輸入信號(hào)接口為18位的并行接口,可以同時(shí)輸入大量信息,確保輸入信號(hào)的不遺漏。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于大量的輸入信號(hào)不是直接涌入,而是經(jīng)過隔離濾波進(jìn)行篩選,將重要的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,傳輸至可編程電子開關(guān),再由單片機(jī)循環(huán)采集信息,判斷是否有需要告警。若需要告警,就從存儲(chǔ)器里調(diào)出相應(yīng)的告警信號(hào),再將告警信號(hào)傳遞給報(bào)警芯片進(jìn)行聲光報(bào)警,聲音告警經(jīng)過集成放大電路,能夠有效地?cái)U(kuò)大告警的音量,同時(shí)告警信號(hào)傳遞給人機(jī)界面顯示,顯示發(fā)生故障的位置、原因以及解決措施[7]。
告警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合共同完成了告警的整個(gè)功能,此硬件設(shè)計(jì)采用功能性強(qiáng)、可編程的芯片,在硬件電路完成后,可以編寫程序?qū)崿F(xiàn)想要實(shí)現(xiàn)的功能,在后期如果想要增加新功能,不需要修改電路,焊接元器件,直接在開發(fā)系統(tǒng)上修改程序即可。
本研究中采用了FP-growth 算法,該算法的優(yōu)點(diǎn)既能節(jié)約時(shí)間,又能節(jié)約空間,該算法的原理是通過建造一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(FP-tree),然后將原來的數(shù)據(jù)庫壓縮,存放壓縮的頻繁模式信息FP-樹如圖3所示。
圖3 存放壓縮的頻繁模式信息FP-樹
此算法在掃描數(shù)據(jù)庫的過程中,包含了項(xiàng)集的全部信息,在下次處理時(shí)就不用重新掃描數(shù)據(jù)庫,并且FP-樹在執(zhí)行命令時(shí)刪除了不經(jīng)常出現(xiàn)故障的信息,減小了FP-樹中存儲(chǔ)的信息,從而提高了FP-樹掃描的速度[8]。
下面通過步驟進(jìn)行該算法的說明。
步驟一:FP-樹的構(gòu)建。通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描,出現(xiàn)檢修記錄頻繁項(xiàng)目C和支持度,出現(xiàn)頻繁的項(xiàng)目生成頻繁項(xiàng)目集合記為L(zhǎng)。
L={C1,C2,C3,…,CN}
(1)
式中,L表示檢修數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)比較頻繁的事件集合,C表示出現(xiàn)頻繁的項(xiàng)目,其中L集合中出現(xiàn)頻繁的項(xiàng)目是按照支持度從大到小的順序排列的。
步驟二:對(duì)采集到的檢修記錄進(jìn)行正向計(jì)算,即:
(2)
(3)
Cj(n)[1-Cj(n)]
(4)
式中,對(duì)vj(n)正向計(jì)算的結(jié)果求偏導(dǎo)函數(shù),若j屬于第一個(gè)頻繁項(xiàng),此時(shí)l=1,則:
(5)
若j屬于輸出的告警數(shù)據(jù),此時(shí)l=L,則:
(6)
式中,Oj(n)表示第幾層輸入,ej(n)表示每層節(jié)點(diǎn)的迭代次數(shù)。
步驟三:對(duì)需要告警的信號(hào)進(jìn)行反向運(yùn)算,即:
(7)
步驟四:得出修正權(quán)值,并輸出告警信號(hào),即:
(8)
式中,n=n+1,加入新的頻繁項(xiàng)時(shí),定義為EAV,若E≤EAV,則加入頻繁項(xiàng)的數(shù)據(jù)C重新排序。
該告警系統(tǒng)采用了分類、分等級(jí)的告警模式,依據(jù)事故所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性,將1~5級(jí)分為3個(gè)等級(jí):緊急告警、一般告警和提示告警。緊急告警是需要工作人員立即處理的突發(fā)事件,能夠危害到變電站正常穩(wěn)定的運(yùn)行,此類告警需工作人員立即處理;一般告警是小部分的損壞,不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,但會(huì)影響變電站的局部運(yùn)轉(zhuǎn),此類告警也需要工作人員立即處理;提示告警是小零器件的長(zhǎng)時(shí)間老化、開關(guān)的變動(dòng)等,此類告警需要工作人員不定期的檢修。告警信號(hào)處理流程圖如圖4所示。
圖4 告警信號(hào)處理流程圖
該告警系統(tǒng)設(shè)置了2種告警形式,一種是聲音告警,一種是指示燈閃爍告警。告警信號(hào)分為3個(gè)等級(jí),如果3個(gè)等級(jí)使用同一種告警聲音和同一種顏色的指示燈,很難讓工作人員覺察到告警信號(hào)的緊急程度。所以根據(jù)告警重要的程度,分為3種頻率的告警聲音,緊急告警的聲音頻率最大,容易讓工作人員警覺并立即處理該故障;一般告警和提示告警的聲音頻率依次減小。聲音告警與指示燈告警流程圖如圖5所示。
圖5 聲光告警流程圖
指示燈告警3個(gè)等級(jí)分為不同顏色的3種燈光,緊急告警紅色指示燈閃爍,一般告警橙色指示燈閃爍,提示告警黃色指示燈閃爍。不同顏色的燈光提醒工作人員事故的緊急程度。
總結(jié)上述告警信號(hào)的處理,該告警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1) 不同聲音的頻率和不同顏色的指示燈能夠直接辨別告警信號(hào)的緊急程度;
(2) 分為2種模式告警,其中一種告警模式損壞,不影響另外一種模式告警,這樣避免了告警系統(tǒng)部分損壞的突發(fā)狀況發(fā)生。
為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度更高,測(cè)得的數(shù)據(jù)具有可讀性,本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了24種故障類型,其中包括電壓互感器故障、直流系統(tǒng)接地故障、避雷器故障、母線故障、電容器故障、斷路器拒絕合閘故障等。實(shí)驗(yàn)中故障是隨機(jī)發(fā)生的,高度模擬了生活中突發(fā)狀況的發(fā)生,使系統(tǒng)更有實(shí)際應(yīng)用性。故障類型如表2所示。
表2 變電站故障類型
在模擬實(shí)驗(yàn)中,共有540組數(shù)據(jù),其中有400組數(shù)據(jù)信號(hào)用于練習(xí),剩下的140組數(shù)據(jù)信號(hào)用來實(shí)驗(yàn)。利用FP-growth 算法進(jìn)行測(cè)試,得到各種故障類型發(fā)生以所測(cè)得的準(zhǔn)確度為標(biāo)準(zhǔn)。下面是練習(xí)和用來實(shí)驗(yàn)的具體步驟。
(1) 初始化告警系統(tǒng),設(shè)置練習(xí)步數(shù)為2 000次,采用式(8)進(jìn)行權(quán)值修正。
(2) 將練習(xí)的400組數(shù)據(jù)信號(hào)輸入到告警信號(hào)系統(tǒng)中,使用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描,再根據(jù)式(2)計(jì)算告警信號(hào)的輸出。此時(shí)FP-growth 算法對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)生成頻繁項(xiàng)集。
(3) 結(jié)合式(5)計(jì)算出誤差值,再由式(6)、式(7)計(jì)算出局部梯度δ。
(4) 由式(8)得出權(quán)值修正值,輸出告警信號(hào)。
(5) 若掃描及計(jì)算結(jié)束,則返回步驟(1)重復(fù)此過程。
均值聚類法對(duì)信息的篩選過濾,提取發(fā)生故障或異常可能性較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示,此方法在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的準(zhǔn)確度和損失函數(shù)如圖6所示。
(a) 準(zhǔn)確度曲線
(b) 損失函數(shù)曲線圖6 均值聚類法準(zhǔn)確度曲線和損失函數(shù)曲線
經(jīng)過FP-growth 算法實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出的準(zhǔn)確度以及損失函數(shù)如圖7所示。
(a) 準(zhǔn)確度曲線
(b) 損失函數(shù)曲線圖7 FP-growth 算法實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度曲線和損失函數(shù)曲線
從上述兩圖對(duì)比中明顯可以看出,基于FP-growth算法的告警系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高于均值聚類法的準(zhǔn)確度,均值聚類法的準(zhǔn)確度最高了達(dá)到98%,然而本文所設(shè)計(jì)的告警系統(tǒng)準(zhǔn)確度高達(dá)100%。
變電站智能告警信號(hào)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)變電站故障的重要基礎(chǔ)。本文研究了一種基于FP-growth 算法的智能告警系統(tǒng),使用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,不同于傳統(tǒng)的告警系統(tǒng),本系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分等級(jí),該系統(tǒng)將告警信號(hào)分為了3個(gè)等級(jí):緊急告警、一般告警和提示告警。根據(jù)不同的等級(jí)有不同的告警模式,緊急告警使用聲音頻率最大的告警模式,并且伴有紅色的指示燈閃爍;一般告警使用聲音頻率相對(duì)較小的告警模式,并且伴有橙色的指示燈閃爍;提示告警使用聲音頻率最小的告警模式,同時(shí)伴有黃色的指示燈閃爍。這樣不僅可以警示工作人員,還可以讓工作人員知道出現(xiàn)故障的緊急程度,高效快速地去解決故障。