基于數據挖掘的電力數據調度傳輸方法

廣東電網有限責任公司廣州供電局 梁雪青 杜舒明 劉超 趙小凡

為提高電力數據的調度傳輸速率,引入數據挖掘技術,開展對其傳輸方法的設計研究。通過基于數據挖掘構建數據傳輸模型、電力數據傳輸流向調度模擬、生成電力數據傳輸方案,提出一種全新的調度傳輸方法。通過將其與基于SDN技術的傳輸方法應用到相同的電網環境當中證明,新的傳輸方法電力數據調度傳輸速率得到明顯提高。

0 引言

電力數據調度網是當前電網結構當中十分重要的組成部分,該網絡結構的應用能夠為電網調度的自動化發展提供更加可靠的基礎條件。在電網運行過程中,其質量直接受到電力數據網中各類數據的調度傳輸影響。因此,針對電力數據調度網當中的傳輸問題,已經成為該領域研究人員重點關注的問題之一[1]。當前電力調度數據網的規模得到了進一步擴大,相應承受的業務量也逐漸增加,其在整個電力系統當中的日常運行維護與管理作用逐漸凸顯?，F有的調度傳輸方法已經無法滿足當前規模不斷擴大的網絡結構,并在實際應用中逐漸出現了傳輸效率低、傳輸質量差、傳輸安全性低等問題,嚴重威脅著電力企業未來的可持續發展。因此,針對這一問題,本文結合數據挖掘技術,開展對電力數據調度網中傳輸方法的設計研究。

1 電力數據調度傳輸方法設計

1.1 基于數據挖掘構建數據傳輸模型

將電力數據傳輸環境模擬為一個多個節點和鏈路構成的網絡結構,節點可作為電網的上位機結構或用于對電力數據進行通信傳輸的控制處理機。節點主要負責完成對各個數據包的發送,將其傳輸到另一個節點上,其中發送節點為起始節點,接收節點為目的節點[2]。在對數據傳輸模型構建前,還需要利用數據挖掘技術,對電力數據調度傳輸進行動態描述,通過對電網環境當中的海量電力數據進行數據挖掘得出。假設節點產生新數據時的概率為λ,得出在某一節點i上,其緩存區域在某一時刻當中存儲的數據包量應為:

公式(1)中,Li(t)表示為某一節點i在某一時刻t的存儲電力數據包量;Li(t-1)表示為下一時刻的存儲電力數據包量;x ji(t)表示為在某一時刻t從相鄰節點j到該節點i之間傳輸的電力數據包量;Ki表示為在特定傳輸時間當中,節點i能夠完成轉發的電力數據包數量。根據上述公式,實現對電力數據包的挖掘。在此基礎上,通過利用數據包擁塞率實現對數據傳輸堵塞情況的量化,從而完成對數據傳輸模型的構建[3]。數據包擁塞率的表達式為:

公式(2)中,η表示數據包的擁塞率;t0表示電力數據傳輸起始時刻;N表示電網當中電力數據傳輸節點個數;L i(Ts)表示完成電力數據傳輸時某一節點i的緩存區域當中剩余的數據包數量表示某一節點i在時刻t產生的電力數據包量。將上述公式(2)作為數據傳輸的模型,將該模型應用到電力系統運行環境當中,針對生產現場以及各級電力設備運行過程中產生的數據信息進行采集,并形成具備一定規模且結構統一的數據倉庫,并在模型結構的基礎上,集中向各業務模塊提供信息和數據服務。同時,本文構建的基于數據挖掘構建數據傳輸模型也可作為各個業務模塊之間電力數據交換的場所以及數據總線。通過基于數據挖掘構建數據傳輸模型的運算,實現對不同業務模塊在進行電力數據傳輸過程中的數據包擁塞率的計算,并以此實現對電力數據在電網傳輸通道當中擁塞程度的直觀評價,從而為后續數據傳輸方案的制定提供調度依據。

1.2 電力數據傳輸流向調度模擬及傳輸方案生成

由于在電力行業當中,二次安防對于安全區域有著十分嚴格的定義,位于不同安全區域中的數據在進行相互訪問時會受到一定限制。因此,為實現對電力數據調度傳輸,還需要對電力數據的傳輸流向進行模擬調度,并根據得出的模擬結果,判斷調度傳輸是否具備安全條件和要求。在確定調度模擬結果為安全事件后,再生成相應的傳輸方案,從而實現對安全區域的綜合部署。根據電力數據在電網當中的傳輸方向,以及網絡層次的劃分,針對電力數據的傳輸流向進行調度模擬。針對電力數據的傳輸方向進行模擬,采用已知電力數據包量的起始節點和目標節點,在明確核心層中節點個數、骨干層中節點個數后,以垂直信息流作為傳輸模型,對電力數據傳輸流向調度進行模擬[4]。在模擬的過程中電網當中各個電力數據包的起始節點與目的節點都應當滿足如下條件:電力數據包的起始節點應當在接入層當中,電力數據包的目的節點應當在核心層當中或電力數據包的起始節點應當在核心層當中,目的節點在接入層當中[5]。在滿足上述條件后,進一步得出隨機信息傳輸的調度方式任意電力數據包的起始節點和目的節點應當滿足如下條件:

公式(3)中,PSNi表示為電力數據包i的起始節點;PDNi表示為電力數據包i的目的節點;H表示為電網核心層節點集合;G表示為電網骨干層節點集合;J表示為電網接入層節點集合。在模擬的初期階段,所有的傳輸節點在緩存區域當中都會產生一定數量的電力數據包。在模擬開始后,在單位時間當中電力數據傳輸節點會以固定的概率生成全新的電力數據包,并根據該電網的實際規模以及傳輸內容,將緩存區域當中的數據包發送到與之相鄰的節點上,完成對電力數據傳輸流向調度模擬。

完成對電力數據傳輸流向調度模擬后,結合上述基于數據挖掘的數據傳輸模型,對各個調度流向模式下的電力數據包傳輸擁塞率進行計算,并通過計算結果之間的比較,得出傳輸擁塞率最低的一組調度流向模式。根據該調度流向模式,將其電網環境中各個層次結構的電力數據通過順序作為傳輸順序,初步完成對傳輸方案中流程的設計。為了進一步提高電力數據在調度傳輸過程中的安全性,還需要在傳輸方案當中增加安全防護的內容。在防護過程中,首先需要遵循安全分區、數據傳輸專用、橫向隔離以及縱向認證的基本防護原則。在對安全區域進行劃分時,應當根據電力數據的類型進行劃分,原則上應當劃分為生產控制區域和管理信息區域兩部分。為實現進一步細化分區,還可根據電力系統在運行過程中各項業務的特點以及電力系統在運行過程中對其自身造成的影響程度進行分區,確保電力系統中的所有電力數據都能夠被分配到相應的安全分區當中,從而實現對各項電力數據調度傳輸的重點保護。假設在某一電力企業當中包含兩個安全分區,分別為I區和II區,而I區和II區需要進行電力數據調度傳輸,則需要通過電力專用的安全隔離模塊對傳輸環境以外的區域進行隔離,同時,針對安全I區當中的電力數據,在傳輸時需要結合電力數據專用的正向物理隔離設備將電力數據同步到安全II區,以此實現兩個區域之間的電力數據調度傳輸。其次,在對廠站與廠站之間的電力數據進行傳輸時,需要通過縱向加密認證的方式,在將電力數據輸入到傳輸環境前,需要結合對稱或非對稱加密算法對電力數據進行加密處理,并由發送方保留加密密鑰和私鑰,由接收方保留加密私鑰。在傳輸過程中由發送方進行加密,當加密的數據傳輸到接收方時,由接收方通過私鑰對其進行解密處理,最終得到電力數據。通過這樣的傳輸方案能夠進一步提高電力數據在傳輸過程中的安全性,從而確保電力企業隱私數據不會被非法攻擊者攻擊,實現安全傳輸。

將其匯總生成最終的電力數據傳輸方案。

2 對比實驗

通過本文上述論述,實現對傳輸方法的理論設計,為了進一步驗證該方法的實際應用效果,并實現對數據挖掘技術在這一領域中的應用驗證,選擇以某電力企業作為依托,針對該企業現有的電力系統,引入本文提出的傳輸方法,實現對其電力數據的調度傳輸。為了確保最終得出的實驗結果具有可比性,選擇將基于SDN技術的傳輸方法同時應用到該實驗環境當中,完成對比實驗。在該電力網絡結構當中選擇5個數據傳輸通道,并分別對其進行編號為TD001、TD002、TD003、TD004和TD005。在五個傳輸通道當中,分別完成一次利用本文傳輸方法的電力數據調度傳輸和一次利用基于SDN技術的傳輸方法的電力數據調度傳輸。在利用本文提出的傳輸方法進行對上述選擇的電力企業進行電力數據調度傳輸時:(1)基于本文上述內容,構建基于數據挖掘構建數據傳輸模型,計算實驗過程中緩存區域當中存儲的數據包量;(2)再對電力數據在傳輸過程中的數據包擁塞率進行計算;(3)按照該電力企業的數據傳輸形式,對電力數據傳輸流向調度進行模擬;(4)生成傳輸方案,按照該方案完成電力數據調度傳輸。在利用基于SDN技術的傳輸方法時,首先結合SDN技術對電力數據傳輸的可靠性模型進行構建,其次選擇可靠性更高的功能鏈,最后,在基于彈性故障恢復與保護機制對數據調度傳輸并為其提供保護。按照上述流程,完成兩種傳輸方法的電力數據調度傳輸后,為了方便對兩種傳輸方法應用效果的檢驗,本文選擇將傳輸速率作為評價指標,電力數據的傳輸速率計算公式為:

公式(4)中,V表示為電力數據在電網通道中的傳輸速率;W表示為每個通道當中傳輸的電力數據傳輸量;δ表示為在電力網絡當中數據傳輸的波特率;t表示為每個傳輸通道當中電力數據的傳輸時間;N表示為電力數據在傳輸過程中的有效離散值。按照上述公式(4)在確保數據傳輸波特率、數據傳輸離散值等參數均相同的情況下,記錄兩種傳輸方法的電力數據傳輸速率,并將其計算結果繪制如表1所示。

表1 兩種傳輸方法電力數據調度傳輸速率Tab.1 Power data dispatching transmission rate of two transmission methods

結合實驗及得出的實驗數據可以看出,本文提出的傳輸方法在應用到實際電力系統當中,可確保電網中電力數據的調度傳輸速率在10.00Mbit/s以上,而基于SDN技術的傳輸方法其電力數據的調度傳輸速率僅在1.00Mbits～Mbit/s范圍內。因此,通過上述實驗進一步證明,本文提出的傳輸方法應用到實際能夠有效提高電力數據的傳輸速率,加快電力企業的智能化發展。

3 結語

電能是人們日常生活和工作生產中不可或缺的能源之一,電力的生產和傳輸過程中都會產生大量的數據資源,為了實現對電力數據利用價值的進一步提升,本文在結合數據挖掘技術的基礎上,對電力數據調度傳輸方法進行設計研究。通過本文研究,在構建基于數據挖掘構建數據傳輸模型的基礎上,提出一種全新的傳輸方法。將本文提出的傳輸方法應用到實際還可以通過采用數據包擁塞率的方式實現對電力網絡信息擁塞程度的量化,從而為調度傳輸提供更加可靠的調度依據。但由于研究能力有限,在研究過程中仍然存在某些方面的問題,例如,在對調度傳輸方法進行設計時沒有考慮到未來電網規模的發展需要,因此當前調度傳輸方法還無法適用于電力系統數據量急劇增加的情況下對數據的調度。因此,在今后的研究中,還將針對這一問題進行更加深入研究,并生成更加完備的傳輸方案,實現對電力數據的高效利用,促進電力企業的運行與發展。

引用

[1] 唐強.一種基于廣電傳輸網絡的Wi-Fi電力數據采集的方法和設計[J].電子技術與軟件工程,2020(24):13-14.

[2] 王艷,孫名揚,張琦兵,等.考慮電力數據傳輸失效的通信路由優化及協調調度[J].電網與清潔能源,2021,37(7):34-43.

[3] 黃安妮,鄭俊明,凌涵鈞.基于SDN技術的電力數據中心傳輸時延測試研究[J].電網與清潔能源,2020,36(4):60-65.

[4] 李文芳,徐偉剛,喬惠.計量庫房電力數據網調度傳輸特性分析[J].中國新通信,2021,23(4):98-99.

[5] 楊坦,蔡志杰.基于非侵入式負荷監測與分解的電力數據挖掘[J].數學建模及其應用,2018,7(4):30-36+48.