基于數據挖掘算法的命令票可視化快速成票系統設計

邱丹驊，蔡新雷，吳龍騰，梁升洪，黎嘉明

（1.廣東電網調度控制中心，廣東廣州 510600；2.肇慶供電局電力調度控制中心，廣東肇慶 526201）

由于通用性差、用戶可維護性差、功能單一、圖形用戶界面不友好等缺點，傳統的命令票成票系統整體應用效果較差，當網絡結構、設備配置、操作規劃、操作術語發生變化時，無法根據相關協議進行自適應調整，進而對系統進行維護和管理，如文獻[1]方法。因此，需要提出一種新的命令票成票系統，使其可以同時滿足不同主線、操作任務和運行方式的要求；具有可視化功能，幫助用戶實時跟進系統運行情況；以錯誤提示和在線幫助功能，減少用戶查找錯誤的時間，提高工作效率，該文提出了基于數據挖掘算法的命令票可視化快速成票系統。系統硬件部分主要實現了數據的管理和存儲，以及界面圖形的編輯，系統軟件部分則利用數據挖掘算法尋找網絡拓撲圖中存在關聯的設備，并建立鄰接矩陣，得到相對應的命令票操作任務，對關聯設備進行一次操作和二次保護，由此構建了命令票成票系統。

1 系統總架構

變電站命令票可視化快速成票系統主要由配置管理模塊、設備管理模塊、流程管理模塊和典型命令票管理模塊四部分組成[2-3]，將可視化技術和可編譯技術引入其中[4]，實現電力系統的革新。設置好可編輯的邏輯模型后，也要考慮到可能發生的突發情況，預留一定的系統處理能力。在電力系統中，命令票錄入人員需要將詳細的變電站屬性信息、一次操作結果和二次保護壓板等信息設置完畢，成票系統就可以在倒閘操作的基礎上進行情況分析、快速處理，最終得到一份完整的命令票。

根據變電站命令票的管理規定，生成的命令票需要經過審核、復審和核對最終成票[5]，確保命令票內容的準確性，防止出現意外。在這三個環節中，任意環節都可對命令票進行修改操作，得到新的命令票，但會有記錄顯示，以防后期出現錯誤時可以及時找到個人。在該文設計的成票系統中，加入了數據庫模塊，可在此模塊中對命令票進行存儲、扭轉、添加/刪除和查看屬性信息等操作。

2 電網網絡及命令票操作拓撲表示

與以往的電網表示方法（圖1（a））不同，該文用節點來表示變電站中的元件[6]（如斷路器、隔離開關和變壓器等），以各個元件之間的連接線作為支路，以此構成網絡拓撲圖（圖1（b））。圖1（b）中，拓撲圖中的節點表示線段的頂點，而連接節點的線段，則表示拓撲圖的邊。

圖1 電氣主接線圖

圖1 中，倒閘操作就是將電氣設備從電力系統中接入或斷開[7]。例如，假設要將電氣設備L1與系統斷開連接，那么L1就會在電網絡中以孤立的狀態存在，由此也會產生一個孤立的節點T1。在圖中，對所有與T1 存在聯系的頂點進行挖掘，將所有與T1 存在聯系的電氣設備找出來，斷開其與T1 的連線。整個過程即是電氣設備的斷開過程。

2.1 一次操作確定

經過倒閘操作，可以改變電氣主接線圖的拓撲結構，但是該文主要是收集各個電氣設備之間存在何種聯系，鄰接矩陣是一種很好的描述方法[8]。

2.1.1 鄰接矩陣形成

用圖1（b）中拓撲圖的頂點表示電網網絡中的電氣設備，來構建鄰接矩陣，將電網網絡中各個設備之間存在的聯系以及設備各自的特性和運行狀態作進一步分析，并存儲在計算機系統中。

假設圖中的頂點數為v，那么鄰接矩陣D=(dij)就是一個v×v的方陣。由于圖1 屬于無向圖，則D=(dij)為一個對稱矩陣，在計算機中只需保留其下三角部分即可。在鄰接矩陣中，式（1）表示設備i與設備j之間存在的聯系：

式（2）表示設備i與設備j之間沒有存在聯系：

式（3）表示設備i的特征和運行狀態：

其中，[]表示字符型變量。

2.1.2 鄰接矩陣搜索

命令票中包含了操作設備的具體編號和操作的具體內容等信息。當用戶錄入一個新的命令票操作內容[9]，系統會遍歷整個鄰接矩陣，將有關的設備提取出來，記錄這些設備的具體編號和執行操作前后的狀態信息。該文采用的是廣度優先搜索法遍歷鄰接矩陣，從中提取了一小部分的網絡拓撲圖鄰接矩陣，如式（4）所示：

從式（4）中可以看出，矩陣中的主對角元素d11、d22、d33、dni，分別對應于電網網絡中的設備B、A、C、D。假設設備B 與設備C 屬于可操作設備，如刀閘、開關等設備；而設備A 和設備D 屬于不可操作設備，如母線、變壓器等設備。矩陣中“+”表示該設備正在運行中，“-”則表示該設備在停機狀態下。

假設操作任務是將設備A 斷開連接，也就是將設備A 與系統中所有聯系斷開，遍歷電網中，將所有與設備A 存在聯系的設備找出來，并在鄰接矩陣的下三角部分將與設備A 存在聯系的非對角元素找出來。首先，檢索出dij=1，查看對角元素dii，即設備B 與設備A 是否存在關系。由于設備B 是可操作設備，且此時正處于運行狀態下，則直接將設備B 的操作內容和操作屬性記錄并存儲下來；檢索出dki=1，查看對角元素dkk，由于設備C此時正處于停機狀態[10]，所以可不作考慮；檢索出dhj，查看對角元素dhh，由于設備D 屬于不可操作設備，且此時正處于運行狀態下，所以按照上述方法繼續遍歷矩陣，檢索除了設備A 以外其他與設備D 有關系的設備，找到正在運行且可操作的設備，將這些設備的操作內容和操作屬性記錄下來。直到矩陣中所有與設備A 有聯系的設備都被記錄為止。

假設操作任務是將設備A 接入到系統中，其遍歷過程與上述操作相差不大，只需在查看對角元素時，將可操作且正處于停機狀態作為記錄條件即可。

2.2 二次操作生成

設備運行一次后，考慮到需要增加自動裝置壓板，此處采用二次保護。二次保護是控制保護和自動裝置壓板的投入和退出。沒有具體要求。操作順序和操作內容可根據用戶習慣進行更改。這也是各地訂票制度不能統一的重要因素之一[11]。

在變電站中，大多數的保護裝置和自動裝置都是通過壓板來控制開關，實現開關的分合閘。同一開關可由多個保護裝置控制，同一保護裝置也可同時控制多個開關。然而，每個保護裝置和開關之間的精確控制是通過一個特定的壓板來實現的。

將變電站中開關與保護裝置之間的關聯用拓撲圖的形式來表達[12]。那么節點表示的是保護裝置，邊表示的是開關，壓板則用對應邊的權值來表示。保護裝置與開關之間的關系矩陣如表1 所示。

表1 保護與開關之間的關系矩陣

其中，+a1表示的是壓板LP1 經過保護1 跳開關1，且此時正處于運行狀態下。+a2以此類推。

對于變電站的二次操作，可以用生產類型的關聯規則來描述[13]。在描述之前，我們需要了解二次操作的原則規則和各個區域的習慣規則，并將它們存儲在系統的數據庫中。一次操作確定設備后，可根據具體操作內容和結果建立設備的保護開關關聯矩陣，激活數據庫中相應的規則，從而得到操作任務下的二次操作[14]。

3 系統應用環境優化

3.1 系統硬件部分結構

根據命令票系統的工作內容和需實現的功能，系統硬件部分主要以Web 服務器、數據庫管理服務器和各級調度模塊組成。不同調度模塊的用戶只需通過Web 服務器填寫命令票操作內容并存儲在服務器中即可，其他調度模塊的用戶登錄即可查看。系統硬件部分結構圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件部分結構圖

3.2 數據庫系統設計

在命令票成票系統中，數據庫起到了非常重要的作用。在該文中，允許數據庫存在少量的信息冗余[15-16]，便于每次訪問都能得到查找的信息，避免多次訪問。在設計數據庫時，考慮到數據庫的存儲功能，將其分為命令票存儲庫、基礎數據庫和用戶信息管理庫，系統結構如圖3 所示。

圖3 數據庫系統結構

圖3 中，采用了安全系數極高的SQL SERVER 2000 商用數據庫，使用C#語言進行編輯開發，與.net控件相結合，使軟件部分開發空間變得更大，實現的功能也越多。同時，對于存儲的命令票，該數據庫還具備自動編號功能，對所有命令票按照統一格式進行編號整理，便于后期查找，可以及時設置安全校驗規則。

至此，完成基于數據挖掘算法的命令票可視化快速成票系統應用環境優化。安全校驗流程圖如圖4 所示。

圖4 安全校驗流程圖

4 系統性能測試

4.1 測試環境及測試計劃

為了驗證該文設計的命令票成票系統的有效性，及時發現系統中的不足與缺陷，將該成票系統應用在某地變電站調度系統中，與傳統方法（文獻[1]方法）進行對比測試。

4.2 系統吞吐量對比

吞吐量是衡量一個系統在同時處理多個事務時的處理效率，將該文設計的成票系統與傳統方法（文獻[1]方法）在吞吐量方面進行對比。在同一實驗環境下，實驗內容為下達相同的操作任務，對比二者的成票速率，實驗結果如圖5 所示。

由圖5 吞吐量變化曲線可知，在相同的實驗環境下，處理數量相同的操作任務，該文方法的吞吐量曲線遠遠超過傳統方法，并在系統運行140 s 后達到550 Mb/s 并逐漸平穩，實現了較快的成票效率，可保證長時間內有效地處理多種突發問題。

圖5 三種方法吞吐量對比

5 結論

該文在數據挖掘算法的基礎上，利用鄰接矩陣將電網絡中各個設備的聯系直觀展示出來，設計并實現了命令票可視化快速成票系統，實現了全圖形操作和可視化，為各地區命令票成票系統的統一奠定了堅實的基礎，降低了維護難度以及操作難度。