配電站監(jiān)控體系架構(gòu)與健康評估

田 鵬，李 森，王振樹，鐘 遜，孫靚雨，高 輝

（1.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，棗莊 277000；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟南 250061）

隨著社會經(jīng)濟、信息技術(shù)、人工智能以及能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展，構(gòu)建智能電網(wǎng)是電力行業(yè)發(fā)展的必然要求[1]。配電站作為構(gòu)建新型電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在電網(wǎng)電能傳輸和信息獲取的過程中起著重要的作用[2]。但目前配電站監(jiān)控存在智能化程度較低、監(jiān)測覆蓋不足、業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時等諸多問題[3-4]。因此，加強配電站監(jiān)控體系研究并實時獲取配電站的健康狀態(tài)具有重要理論意義和工程價值。

電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進以及電網(wǎng)規(guī)模裝機容量的迅速增長使海量電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、搜索和決策面臨巨大的挑戰(zhàn)[5]。不僅要求數(shù)據(jù)的時效性、完整性、安全性；還要提高數(shù)據(jù)的處理能力，剔除無效冗余數(shù)據(jù)，對多參量數(shù)據(jù)有序存儲和應(yīng)用[6]。傳統(tǒng)配電站監(jiān)控“采集+云端集中處理”垂直結(jié)構(gòu)制約了狀態(tài)感知和信息處理的時效性，且部分終端設(shè)備具有局限性，無法遠程接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性也使得云計算模式無法保證數(shù)據(jù)處理的實時性。邊緣計算有效解決數(shù)據(jù)處理的延時問題，將云端的一部分應(yīng)用下沉到邊緣側(cè)，分擔(dān)云平臺的計算壓力，提高信息高效處理水平。

配電站具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多的特點，導(dǎo)致運行時采集數(shù)據(jù)困難，增加了對其狀態(tài)評估的難度。模糊層次分析FAHP（fuzzy analytical hierarchy process）[7]法靈活簡單，常應(yīng)用于健康評估。然而這種方法存在主觀性太強的問題，不能根據(jù)配電站設(shè)備的實時運行狀態(tài)進行調(diào)整，當(dāng)某一設(shè)備健康狀態(tài)下降時，處于同一層級的設(shè)備具有較高的健康度而使得某一設(shè)備健康狀態(tài)下降濃度被稀釋，造成評估結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。

知識圖譜是一種將客觀世界的概念、實體、時間及其之間的關(guān)系以可視化方式展示的圖數(shù)據(jù)庫[8]。它提供一種能夠從海量的文本和圖像中抽取結(jié)構(gòu)化信息，并描述實體間關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)[9]，具有從關(guān)系的角度分析問題的能力。目前，已被廣泛應(yīng)用于智能搜索、智能回答、個性化推薦等領(lǐng)域[10]。

本文融合邊緣計算技術(shù)和知識圖譜構(gòu)建配電站監(jiān)控體系架構(gòu)，部署智能終端設(shè)備和邊緣計算平臺，對電氣信息、環(huán)境信息和設(shè)備運行狀態(tài)進行全面感知和全方位交互，實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備智能互聯(lián)和本地智能決策。針對FAHP求取權(quán)重時受人為因素影響大的問題，在分析配電站相關(guān)設(shè)備指標(biāo)參量的基礎(chǔ)上，構(gòu)建配電站知識圖譜，結(jié)合新型劣化度函數(shù)，提出基于知識圖譜和改進模糊層次分析法IFAHP（improved fuzzy analytic hierarchy process）的配電站健康狀態(tài)評估方法，實現(xiàn)配電站的健康狀態(tài)評估。

1 基于邊緣計算和知識圖譜的配電站監(jiān)控體系架構(gòu)

1.1 邊緣計算

邊緣計算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺，提供最近邊緣服務(wù)[11]。邊緣計算算法在邊緣設(shè)備平臺上進行計算和任務(wù)處理時，相較于云計算，減少計算延遲和云平臺的存儲壓力，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娘L(fēng)險，提高設(shè)備本地的實時處理能力和智能水平，同時進行云端以及終端設(shè)備協(xié)同配合，使配電站監(jiān)控具備更強的數(shù)據(jù)處理效率。

1.2 邊緣計算和知識圖譜的配電站監(jiān)控體系架構(gòu)

傳統(tǒng)配電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。從配電站采集運行數(shù)據(jù)和環(huán)境信息，由網(wǎng)關(guān)向上傳送給服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行收集和處理，通過調(diào)度中心進行統(tǒng)一監(jiān)控。

圖1 傳統(tǒng)配電監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Traditional distribution station monitoring system

為了滿足配電站監(jiān)控對配電站電氣、環(huán)境和設(shè)備運行狀態(tài)等信息進行全面感知和全方位交互，實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備智能互聯(lián)和本地智能決策，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用云-邊-端三層架構(gòu)，其體系架構(gòu)如圖2所示。云表示云平臺，依托云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對電力系統(tǒng)進行統(tǒng)一的資源管理調(diào)配和運行維護；邊表示邊緣計算層，位于云-端中間，支持與設(shè)備和云平臺的通訊；端表示智能終端，負責(zé)采集電氣信息、環(huán)境信息和狀態(tài)信息等。“云邊”之間采用5G通訊技術(shù)進行信息交互；“邊端”之間采用485以及zigbee通信技術(shù)等進行組網(wǎng)，并采用多協(xié)議適配、多參量物聯(lián)、即插即用和即時響應(yīng)。

圖2 基于邊緣計算和知識圖譜的配電站監(jiān)控體系架構(gòu)Fig.2 Architecture of distribution station monitoring system based on edge computing and knowledge graph

配電站系統(tǒng)需要對海量結(jié)構(gòu)化和半（非）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行匯聚和分析，為加速異構(gòu)數(shù)據(jù)的挖掘和價值轉(zhuǎn)化，打破信息之間的交互屏障，通過物理設(shè)備采集配電站數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)存儲的歷史數(shù)據(jù)和間接信息提取關(guān)聯(lián)知識，記錄并保存至知識圖譜的數(shù)據(jù)庫中。對配電站進行健康評估時，從圖譜的數(shù)據(jù)庫搜索和匹配關(guān)鍵信息，快速從密集的信息和知識中挖掘數(shù)據(jù)特征，進行配電站健康評估。

1.3 邊緣四核處理及電力專用算法的搭載

現(xiàn)場節(jié)點通過各種類型的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)總線與邊緣層中的配電站邊緣裝置相連接，實現(xiàn)現(xiàn)場層和邊緣計算層之間數(shù)據(jù)流和控制流的連通。現(xiàn)場層連接傳感器、執(zhí)行器、設(shè)備和控制系統(tǒng)等現(xiàn)場節(jié)點。邊緣計算層接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)來自現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)流，提供智能感知、數(shù)據(jù)分析、智能計算、過程優(yōu)化和實時控制等服務(wù)。

邊緣層封裝了邊緣側(cè)的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，作為配電站邊緣裝置架構(gòu)的核心，其性能要求大幅提高。邊緣計算四核處理器如圖3所示，邊緣計算層利用四核處理器對邊緣數(shù)據(jù)進行實時采集、處理和計算，提升了系統(tǒng)的并發(fā)能力和數(shù)據(jù)的實時性。同時為進一步提高程序的并行度，充分發(fā)揮多核處理優(yōu)勢，通過編譯優(yōu)化把原先單線程的代碼編譯成多線程。

圖3 邊緣計算四核處理器Fig.3 Quad core processor used in edge computing

基于現(xiàn)場實時采集的各類數(shù)據(jù)，邊緣計算層搭載配電站健康狀態(tài)評估電力專用算法對配電站進行健康評估，確保配電站始終處于良好的運行狀態(tài)。

2 配電站健康評估知識圖譜構(gòu)建

2.1 知識圖譜

知識圖譜分為通用知識圖譜和領(lǐng)域知識圖譜。通用知識圖譜的涵蓋范圍廣，強調(diào)大量實體融合，對精確度要求低，且很難設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實體、屬性與關(guān)系。領(lǐng)域知識圖譜通常是針對某一行業(yè)，考慮具體的業(yè)務(wù)需求等因素構(gòu)建的知識圖譜，對某一領(lǐng)域具有重要意義。

2.2 配電站知識圖譜

配電站作為向用戶或用電設(shè)備輸送電能的站點，內(nèi)部包含多種設(shè)備，其中每個設(shè)備具有多項指標(biāo)，要得到配電站的健康狀態(tài)，就需要對各項指標(biāo)進行監(jiān)測分析。面對海量的數(shù)據(jù)，工作人員往往得到的是單個指標(biāo)的信息，沒有將整體的關(guān)系建立起來。因此，借助知識圖譜技術(shù)，對配電站主體、設(shè)備、以及指標(biāo)之間的關(guān)系進行描述，構(gòu)建配電站知識圖譜，以可視化的形式向工作人員提供配電站的相關(guān)信息[11-12]。

2.2.1 配電站的知識圖譜框架

針對配電站監(jiān)控相關(guān)要求構(gòu)建知識圖譜的框架如圖4所示。該框架包含3個層面：數(shù)據(jù)層、物理層和功能層。數(shù)據(jù)層包含在配電站運行過程中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)。物理層主要包括：在功能層的指導(dǎo)下獲取數(shù)據(jù)層中相關(guān)實體、關(guān)系、屬性等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的知識抽取；對知識抽取所得到的實體進行融合；對配電站運行過程中實時變化的數(shù)據(jù)信息進行修正或更新。模式功能層應(yīng)用知識圖譜中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行健康評估、人機交互、智能搜索等。

圖4 配電站的知識圖譜框架Fig.4 Knowledge graph framework for distribution station

2.2.2 面向配電站健康評估的知識圖譜

選取基于Java的Neo4j圖數(shù)據(jù)庫，分別采用自頂向下、自底向上的方式構(gòu)建知識圖譜的模式層、數(shù)據(jù)層；兩者相互結(jié)合建立配電站健康評估知識圖譜，如圖5所示。模式層是對實體、實體關(guān)系、屬性建立的模型。配電站健康評估知識圖譜的模式層由配電站主體目標(biāo)層、一級指標(biāo)設(shè)備層、底層設(shè)備指標(biāo)層和各設(shè)備指標(biāo)層以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成。數(shù)據(jù)層的構(gòu)建主要分為知識抽取、知識融合、知識更新3部分。通過知識抽取方法從變壓器、10 kV真空斷路器、歷史故障記錄等中獲取半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，從配電站數(shù)據(jù)庫中獲取開關(guān)柜工作電壓、開關(guān)電流等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；根據(jù)實時運行數(shù)據(jù)，對知識圖譜中的內(nèi)容進行更新和修正。

圖5 面向配電站健康評估的知識圖譜模式層與數(shù)據(jù)層構(gòu)建Fig.5 Construction of knowledge graph pattern layer and data layer for distribution station health assessment

對配電站各層級間的實體關(guān)系進行初始化設(shè)置，采用向量表示方法（＜頭實體，關(guān)系，尾實體＞）[13]，建立＜配電站、設(shè)備主觀權(quán)值，設(shè)備層＞，＜設(shè)備層，關(guān)系1，圖譜權(quán)重＞，＜設(shè)備，指標(biāo)主觀權(quán)值，指標(biāo)＞等三元組，配電站健康評估預(yù)置知識圖譜，如圖6所示。

圖6 配電站預(yù)置知識圖譜Fig.6 Preset knowledge graph of distribution station

3 知識圖譜和IFAHP的配電站健康狀態(tài)評估

3.1 IFAHP健康評估方法

3.1.1 配電站健康評估體系評價集

對于配電站來說，如何將設(shè)備及指標(biāo)的狀態(tài)進行客觀評價是很重要的。在健康狀態(tài)等級劃分的前提下，用模糊隸屬度函數(shù)表現(xiàn)各設(shè)備和指標(biāo)屬于某一狀態(tài)的模糊程度，隸屬度越高代表其隸屬于這個模糊狀態(tài)的可能性就越大[14]。配電站健康狀態(tài)等級劃分如表1所示。

表1 健康狀態(tài)等級劃分Tab.1 Classification of health status levels

取每個狀態(tài)的分數(shù)區(qū)間的最大值作為此狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)，用Cj表示。

模糊隸屬度函數(shù)的取值區(qū)間可采用等分法來確定隸屬度，通過該方法能夠有效減少計算編程的復(fù)雜程度，并且對于最終結(jié)果的精確度影響不大。引入三角隸屬度函數(shù)對其進行描述，具體步驟如下。

（1）評估對象的狀態(tài)分為5類，設(shè)指標(biāo)i的第j個狀態(tài)的中心點為λj(j=1,2,3,4,5)，那么這一狀態(tài)的取值范圍是 [λj-1,λj+1]。將 (λj-1,0)、(λj,1)、(λj+1,0)3點連接起來，得到指標(biāo)i關(guān)于狀態(tài)j的三角隸屬度函數(shù)，如圖7所示。

圖7 配電站狀態(tài)隸屬度函數(shù)Fig.7 Membership function for distribution station status

（2）將設(shè)備m對應(yīng)指標(biāo)測量數(shù)據(jù)分別歸一化后代入隸屬度函數(shù)，得到設(shè)備m(m=1,2,3,4)對應(yīng)指標(biāo)隸屬度矩陣Lm為

式中，矩陣中元素lm,ij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4,5)為設(shè)備m對應(yīng)的指標(biāo)i處于狀態(tài)j的隸屬度。

3.1.2 基于知識圖譜的主觀權(quán)重

基于知識圖譜，對實體之間關(guān)系的邏輯判斷，得到不同情況下的主觀權(quán)重。配電站中各設(shè)備的運行狀態(tài)除了受其運行參數(shù)的影響外，還受到氣候、使用年限等因素的影響。計及這兩種主要因素（可根據(jù)實際情況調(diào)整），設(shè)定關(guān)系1判斷。對區(qū)間進行劃分或分類；將氣候設(shè)定為夏季、冬季、春秋，確定設(shè)備使用年限的過渡值，進行排列組合；由專家法對不同情況下的每一層內(nèi)的因素兩兩比較，利用1～9標(biāo)度法得出判斷矩陣，通過判斷矩陣得到設(shè)備及指標(biāo)的主觀權(quán)重αi，并進行一致性檢驗[15]，將各情況下得到的權(quán)值與關(guān)系1對應(yīng)后存入圖譜。

當(dāng)健康評估時，獲取當(dāng)前氣候以及設(shè)備使用年限的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進行邏輯判斷；將此判斷與知識圖譜中的設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系匹配，得到對應(yīng)的權(quán)值，并更新三元組＜配電站，主觀圖譜權(quán)重，設(shè)備＞中的圖譜權(quán)重，即此狀態(tài)下設(shè)備與指標(biāo)的主觀權(quán)重。

3.1.3 改進動態(tài)權(quán)值

傳統(tǒng)求取權(quán)重的方法側(cè)重于專家評分的主觀方法，不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)運行情況的變化。當(dāng)運行參數(shù)在閾值范圍內(nèi)，對設(shè)備的影響程度較小；當(dāng)參數(shù)超出閾值范圍，隨著偏離程度的增大，對設(shè)備的健康狀態(tài)影響也越來越大。因此，根據(jù)這一特性提出新型劣化度函數(shù)，如圖8所示，通過劣化度函數(shù)求得指標(biāo)的客觀權(quán)重，在閾值范圍內(nèi)為線性函數(shù)，當(dāng)超出閾值時用指數(shù)函數(shù)表示為

圖8 劣化度函數(shù)Fig.8 Deterioration degree function

在眾多的賦權(quán)方法中，主觀賦權(quán)法是以研究對象本身的特性為基準(zhǔn)來確定相關(guān)權(quán)重，但是忽略了客觀性；而客觀賦權(quán)法往往能夠體現(xiàn)出這些研究對象的屬性在不同情況下的變化狀態(tài)。為了能夠?qū)⒅鳌⒖陀^的優(yōu)點結(jié)合，把將兩種賦權(quán)方法相結(jié)合的方法稱為組合賦權(quán)法[16]，可求得設(shè)備或指標(biāo)對應(yīng)的組合權(quán)值為

式中：αi為指標(biāo)i的主觀權(quán)值；ωi為指標(biāo)i的組合權(quán)值；n為指標(biāo)的總個數(shù)。

3.1.3 健康評估分數(shù)

由指標(biāo)的隸屬度矩陣以及權(quán)值，求得對應(yīng)設(shè)備m的隸屬度矩陣Bm，表示為

式中：ωm為設(shè)備m對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)值矩陣；ωmi為設(shè)備m第i個指標(biāo)對應(yīng)的組合權(quán)值；Lm為設(shè)備m對應(yīng)指標(biāo)隸屬度矩陣，i=1,2,3,4；lm,ij為矩陣Lm中元素，表示設(shè)備m對應(yīng)的指標(biāo)i處于狀態(tài)j的隸屬度，j=1,2,3,4,5。

將各設(shè)備的隸屬度矩陣與其對應(yīng)狀態(tài)區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)相乘得到設(shè)備m的評分Qm，即

式中，C1、C2、C3、C4、C5分別為狀態(tài)S1、S2、S3、S4、S5對應(yīng)分數(shù)區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)。配電站健康狀態(tài)等級劃分如表1所示。

根據(jù)設(shè)備評分和權(quán)值，求出配電站整體的評分，即

式中，Qm為設(shè)備m對應(yīng)的評估分數(shù)。

3.2 配電站健康狀態(tài)評估流程

知識圖譜和IFAHP的配電站健康狀態(tài)評估流程如圖9所示。

圖9 知識圖譜和IFAHP的配電站健康狀態(tài)評估流程Fig.9 Flow chart of distribution station health status assessment based on knowledge graph and IFAHP

4 算例分析

以山東地區(qū)某配電站為研究對象，基于歷史相關(guān)運行數(shù)據(jù)，利用MATLAB R2019b進行健康評估算例分析。

4.1 配電站設(shè)備層與指標(biāo)層權(quán)重的確定

結(jié)合當(dāng)前季節(jié)與使用年限，對關(guān)系1進行判斷，確定各設(shè)備及其指標(biāo)[17-20]。以變壓器為例，此時關(guān)系下4項指標(biāo)的重要程度按從高到低依次為：絕緣油介質(zhì)、繞組短路阻抗初值差、C2H2含量、糖醛含量，并從知識圖譜中獲取對應(yīng)權(quán)值。根據(jù)當(dāng)前各指標(biāo)測試值的偏移程度，應(yīng)用層次分析法結(jié)合劣化度函數(shù)得到變壓器的4項指標(biāo)狀態(tài)量的權(quán)值，如表2所示。

表2 變壓器指標(biāo)權(quán)值Tab.2 Index weights of transformer

同理，可得其他設(shè)備對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)值，如表3所示。

表3 10 kV真空斷路器、低壓開關(guān)柜、二次設(shè)備指標(biāo)權(quán)值Tab.3 Index weights of 10 kV vacuum circuit breaker,low-voltage switchgear,and secondary equipment

重復(fù)上述步驟，得到的變壓器、10 kV真空斷路器、低壓開關(guān)柜、二次設(shè)備最終的改進權(quán)值依次為[0.32、0.28、0.18、0.22]。

4.2 指標(biāo)層狀態(tài)評估計算

由圖7所示的隸屬度函數(shù)求得各設(shè)備指標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的健康等級，如表4～表7所示。

表4 變壓器各指標(biāo)對應(yīng)的健康等級Tab.4 Health levels corresponding to each indicator of theTransformer

表5 10 kV真空斷路器各指標(biāo)對應(yīng)的健康等級Tab.5 Health levels corresponding to each indicator of the10 kV vacuum circuit breaker

表6 低壓開關(guān)柜各指標(biāo)對應(yīng)的健康等級Tab.6 Health levels corresponding to each indicator of the low-voltage switchgear

表7 二次設(shè)備各指標(biāo)對應(yīng)的健康等級Tab.7 Health levels corresponding to each indicator of the secondary equipment

由表2～表7的數(shù)據(jù)并根據(jù)加權(quán)運算，求得各設(shè)備的評估分數(shù)，如表8所示。

表8 各設(shè)備的狀態(tài)評估值Tab.8 Status assessment value of each equipment

4.3 配電站健康評估計算

根據(jù)各設(shè)備的評估分數(shù)與各設(shè)備改進權(quán)重，采用加權(quán)模糊綜合評判法，將表8中數(shù)據(jù)代入式（7）求得配電站整體的狀態(tài)評估分數(shù)。改進后的狀態(tài)評估分數(shù)與傳統(tǒng)的模糊層次分析法所得分數(shù)的對比如表9所示。

表9 狀態(tài)評估分數(shù)對比Tab.9 Comparison of status assessment score

本文方法求出的狀態(tài)分數(shù)為72.758，由健康狀態(tài)等級表可知，雖然配電站的整體運行狀況良好，但是存在某設(shè)備健康狀態(tài)下降；結(jié)合表8中變壓器的評估值為51.443分，說明目前變壓器設(shè)備的指標(biāo)值已接近閾值，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员ＷC其運行的安全性；而傳統(tǒng)方法求出的分數(shù)為81.080，評估結(jié)果為健康，未反映出配電站目前的實際情況，證明了基于知識圖譜和IFAHP配電站健康評估方法有效性。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于邊緣計算和知識圖譜的配電站監(jiān)控體系架構(gòu)。利用邊緣計算技術(shù)，構(gòu)建智能化程度高、信息采集能力強、響應(yīng)快速的配電站監(jiān)控，并提出了基于知識圖譜和IFAHP的配電站健康狀態(tài)評估方法，提高了配電站健康評估的可信度。