基于大數(shù)據(jù)分析方法的電網(wǎng)安全運(yùn)行方案研究

吳驊

(國網(wǎng)西安供電公司,陜西,西安 710032)

0 引言

國外電力研究機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)架設(shè)規(guī)模進(jìn)行研究,文獻(xiàn)[1]通過收集電場環(huán)境和電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計出ODPS安全平臺,在此基礎(chǔ)上搭建電網(wǎng)安全云架構(gòu),保證平臺運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理,利用集對分析法對電網(wǎng)安全事件進(jìn)行排序,一定程度上加強(qiáng)了電網(wǎng)安全環(huán)境。但這種構(gòu)建平臺的方式過于片面,未考慮實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,限制條件較多;國內(nèi)電力研究所根據(jù)電場環(huán)境和輸電線的承受能力建立安全調(diào)控系統(tǒng),其中文獻(xiàn)[2]設(shè)計出適應(yīng)性調(diào)控一體化模式,通過新能源思維與大數(shù)據(jù)思維相融合的方式對安全管理方案進(jìn)行改進(jìn),增強(qiáng)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的指令調(diào)度能力,利用循環(huán)完善法不斷排查電場安全條件,極大增加系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷,擴(kuò)大了電網(wǎng)運(yùn)行的安全裕度。但這種模式對電網(wǎng)設(shè)備壓力過大,損耗了設(shè)備使用壽命。

1 電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)

針對上述技術(shù)的不足,該研究通過現(xiàn)場電網(wǎng)環(huán)境調(diào)研,對其運(yùn)行安全影響因素進(jìn)行分析,并針對性布置安全策略,建立起電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行各項工位的順利運(yùn)行。采用區(qū)塊鏈構(gòu)建安全體系,如何實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)? 在該研究中,區(qū)塊鏈在應(yīng)用到電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)時,在電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息的交互,即區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)交互。電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計圖

對于整個電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計,該研究通過制定策略和建立網(wǎng)架體系完成,其中電網(wǎng)安全策略主要建立核心為區(qū)塊鏈體系架構(gòu),組成架構(gòu)的數(shù)據(jù)來源于采集數(shù)據(jù)、臺賬查詢和接口管理3個方面,通過精確的電網(wǎng)信息采集得到安全信息,為后續(xù)安全修復(fù)提供保障。經(jīng)過區(qū)塊鏈體系的作用將安全數(shù)據(jù)劃分為電力采集區(qū)、用電需求、區(qū)塊分布和設(shè)備管理四個區(qū)塊,各區(qū)塊之間相互作用,形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng),由體系平臺統(tǒng)一調(diào)配。在安全策略制定過程中,針對突發(fā)事件設(shè)置臨時指令變更服務(wù),其發(fā)出的控制指令優(yōu)先級設(shè)為最高,臨時指令設(shè)計專有PRA安全網(wǎng)架結(jié)構(gòu),由通信數(shù)據(jù)接口接入。而安全策略的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)移通道與網(wǎng)架體系的錄入數(shù)據(jù)庫連接,方便兩者的交流[3]。網(wǎng)架分析體系的建立基于錄入數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺,錄入數(shù)據(jù)庫主要對電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)架管理、安全評估、輔助決策和網(wǎng)架模型進(jìn)行數(shù)據(jù)收錄,同時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺運(yùn)算數(shù)據(jù)歸納進(jìn)錄入數(shù)據(jù)庫中[4]。而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺主要對設(shè)備接入服務(wù)、自動采集裝置、故障匹配和漏洞修復(fù)等硬件類設(shè)備進(jìn)行控制,通過外部終端、改進(jìn)GAN算法和事件查詢進(jìn)行功能化運(yùn)轉(zhuǎn)。

整個電網(wǎng)安全系統(tǒng)的設(shè)計主要針對電網(wǎng)中產(chǎn)生的不穩(wěn)定情況和存在安全隱患的裝置進(jìn)行檢測和修復(fù),并能夠自動進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行漏洞修復(fù),使電網(wǎng)運(yùn)行保持在無擾動狀態(tài)。安全系統(tǒng)的建立以安全策略和網(wǎng)架體系為核心,通過區(qū)塊鏈體系、PRA網(wǎng)架和算法程序完成各工位的協(xié)調(diào)配合,是安全系統(tǒng)保持運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵[5]。

2 區(qū)塊鏈安全體系建設(shè)

區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)作為安全系統(tǒng)制定策略的核心,主要通過不同模式的分區(qū)進(jìn)行裝置的安全檢測,通過劃分的不同區(qū)塊實(shí)現(xiàn)安全策略順利實(shí)施。區(qū)塊鏈安全體系建設(shè)方案如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈安全體系建設(shè)

本文設(shè)計的區(qū)塊鏈安全體系建設(shè)方案主要分為3個區(qū)塊鏈和2個技術(shù)程序。3個區(qū)塊鏈為采集區(qū)塊、集成區(qū)塊和管理區(qū)塊,2個技術(shù)程序?yàn)榘踩呗苑治黾夹g(shù)和RSA加密程序。采集區(qū)塊主要為采集類設(shè)備,針對電廠安全、防誤系統(tǒng)、測量裝置、安全調(diào)制和二次電路進(jìn)行合理化布置,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)環(huán)境的全面檢測,采集區(qū)塊的分析數(shù)據(jù)通過互聯(lián)區(qū)域傳入縱向網(wǎng)關(guān),由安全策略分析模塊集中處理;集成區(qū)塊由電能數(shù)據(jù)集成、濾波信號集成和策略安全集成技術(shù)相互連接,集成數(shù)據(jù)交換機(jī)負(fù)責(zé)對其產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行集成統(tǒng)計,最終傳入安全策略分析模塊。管理區(qū)塊分為整體調(diào)度鏈和安全OA平臺,局域網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)總線路節(jié)點(diǎn)對管理區(qū)塊鏈進(jìn)行分化處理,由RSA程序進(jìn)行安全加密[6]。3個區(qū)塊鏈之間通過光纖電纜和無線通訊完成交互,同時被防火墻隔離,實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊的數(shù)據(jù)安全保密工作,通過實(shí)時VPN和非實(shí)時VPN完成系統(tǒng)集成技術(shù)的輸入控制。

區(qū)塊鏈安全體系的建設(shè)對電網(wǎng)安全具有重要意義,使數(shù)據(jù)更為公開化,安全性得到保證。但同時伴隨著一些不足,由于分化的區(qū)塊過多導(dǎo)致存在一定的延遲性,過大的數(shù)據(jù)導(dǎo)致性能問題。

3 PRA安全網(wǎng)架設(shè)計

概率風(fēng)險分析(PRA)網(wǎng)架建立原則是在電網(wǎng)運(yùn)行安全結(jié)點(diǎn),通過將安全裝置和結(jié)構(gòu)體系布置在整個電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中,擴(kuò)大電網(wǎng)的安全檢測覆蓋面,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全運(yùn)行,PRA安全網(wǎng)架結(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 PRA電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

PRA網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的建立通過各機(jī)組和安全結(jié)點(diǎn)配合完成,將電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)點(diǎn)設(shè)置為黑色安全結(jié)點(diǎn)和G點(diǎn)危險結(jié)點(diǎn)。針對啟動機(jī)組劃分的不同容量級進(jìn)行判定,將機(jī)組輸入電量和變電站接收電量進(jìn)行對比,差距較大的結(jié)點(diǎn)路線判定為G點(diǎn),基本吻合的結(jié)點(diǎn)路線判定為黑色結(jié)點(diǎn)[7]。為提高網(wǎng)架的安全運(yùn)行能力,利用計及直流潮流約束的方式合理分布電力安全設(shè)備,針對不同結(jié)點(diǎn)發(fā)生的變量進(jìn)行序列化運(yùn)行,從而確定出最優(yōu)風(fēng)險分析網(wǎng)架。通過引入一致次線性正則分析約束條件在電場出力下的具體映射,證明該網(wǎng)架適配于多種約束條件。則電場出力具體映射為

(1)

4 改進(jìn)GAN算法

生成式對抗網(wǎng)絡(luò)(Generative Adversarial NetworksGAN)對電力監(jiān)控的數(shù)據(jù)合理化分析,對系統(tǒng)安全進(jìn)行改進(jìn),通過博弈的方法對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練式分析,本研究博弈個體為PRA網(wǎng)架各結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),博弈場景為PRA運(yùn)行網(wǎng)架安全和漏洞對抗,利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理化分析,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的漏洞修復(fù),為后續(xù)檢修提供安全保障[9]。

根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄,將電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳進(jìn)算法程序,經(jīng)過計算機(jī)運(yùn)行得到該結(jié)點(diǎn)最大安全閾值為

Ez～Pz(z)[ln(1-D(G(z)))]

(2)

式(2)中,V(G,D)表示網(wǎng)架結(jié)點(diǎn)最大安全閾值,Ex～Pdata表示安全設(shè)備運(yùn)行安排規(guī)律,Ez～Pz(z)表示結(jié)點(diǎn)預(yù)測風(fēng)險值,D(x)表示電網(wǎng)安全設(shè)備運(yùn)行參數(shù),G(z)表示電網(wǎng)安全受到的環(huán)境影響因素。

傳統(tǒng)的GAN算法主要通過集合統(tǒng)計安全節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)通過算法的形式完成博弈過程,通過群體對抗的方式尋到最優(yōu)解,這種方法對于電網(wǎng)安全具有一定的局限性[10]。該研究通過對傳統(tǒng)GAN算法進(jìn)行改進(jìn),通過將集體博弈的方式更換為兩兩對抗的方式,使算法計算的安全值更為精準(zhǔn)。

經(jīng)過改進(jìn)的GAN算法對結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行博弈歸納,則目標(biāo)函數(shù)記為

Ls=E[lnp(s=real)|xdata]+E[lnp(s=fake)|xfake]

(3)

式(3)中,Ls表示改進(jìn)GAN算法輸入的目標(biāo)函數(shù),p(s=real)表示選取數(shù)據(jù)對抗函數(shù),p(s=fake)表示運(yùn)行結(jié)點(diǎn)對抗函數(shù),xdata表示數(shù)據(jù)庫中設(shè)備參數(shù),xfake表示對抗?fàn)顟B(tài)下的設(shè)備參數(shù)變化。

在實(shí)際運(yùn)行中,改進(jìn)后的GAN算法一定程度上反映了個體之間的對抗關(guān)系,其對抗方式為

Lc=E[lnp(C=c|xdata)]+E[lnp(C=c)|xfake]

(4)

式(4)中,Lc表示改進(jìn)的GAN算法個體對抗方式,E表示個體安全采集數(shù)據(jù),p表示結(jié)點(diǎn)對抗限制函數(shù),C表示個體安全性,c表示電網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)。

Lunsupervised=-Ex～pg[lnp(y′|x,y′

(5)

針對不同結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生風(fēng)險漏洞原因進(jìn)行修復(fù),其修復(fù)方案表示為

(6)

式(6)中,LFM表示改進(jìn)GAN算法推算出的最佳修復(fù)方案,Ex～Pdata表示修復(fù)函數(shù)所達(dá)到的最大安全修復(fù)量,Ez～Pz表示實(shí)際結(jié)點(diǎn)安全修復(fù)量,f(x)表示結(jié)點(diǎn)電能變化函數(shù)。

改進(jìn)的GAN算法通過將群體性的算法程序轉(zhuǎn)化為個體對抗方式,增加了網(wǎng)架結(jié)點(diǎn)安全指標(biāo)的預(yù)測精準(zhǔn)度,同時根據(jù)對抗結(jié)果推測結(jié)點(diǎn)最佳安全閾值。在算法運(yùn)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)點(diǎn)漏洞的排查,并給出修復(fù)方案,為電網(wǎng)的安全運(yùn)行增加保證。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室采用Intel i9 9600KF配置計算機(jī),32+256 GB內(nèi)存容量。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置,實(shí)驗(yàn)電網(wǎng)采用華中區(qū)域電網(wǎng),電壓等級為35～110 kV高壓配電網(wǎng),電網(wǎng)運(yùn)行安全余量大于20%,現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析速度>6.0 MB/s,算法修復(fù)誤差<3.0%。在此環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),參數(shù)配置如表1所示。

本設(shè)計試驗(yàn)對電網(wǎng)運(yùn)行中的不同結(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,在相同電壓環(huán)境下對電網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)Proteus仿真軟件對實(shí)際工作過程進(jìn)行仿真演示,電網(wǎng)運(yùn)行仿真圖如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)運(yùn)行仿真圖

根據(jù)圖4仿真結(jié)果對比各設(shè)計方案具體效果,根據(jù)改進(jìn)的GAN算法中的式(4)記錄系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)變化規(guī)律,其安全指標(biāo)預(yù)測方式為

(7)

表2 電網(wǎng)運(yùn)行安全數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表

本文實(shí)驗(yàn)是根據(jù)Proteus仿真軟件對實(shí)際工作過程進(jìn)行仿真,如何說明系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行24 h的情況。這是出于試驗(yàn)?zāi)康?提取系統(tǒng)運(yùn)行24 h的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行分析的情況。由于數(shù)據(jù)信息分析的需要,提取24 h的數(shù)據(jù)信息,以更好地理解該研究方法。另外,仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和實(shí)際情況可能存在哪些差異?通過表2數(shù)據(jù)分析,本文安全系統(tǒng)在華中區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行,電網(wǎng)電壓等級為35～110 kV,電網(wǎng)運(yùn)行配電最大容量為1711.96 kVA,改進(jìn)的GAN算法預(yù)測安全指標(biāo)為98.4%,系統(tǒng)運(yùn)行24 h期間系統(tǒng)事件報警率為0.35%;文獻(xiàn)[1]方法采用的ODPS安全平臺電網(wǎng)運(yùn)行配電最大容量為1260.59 kVA,算法預(yù)測安全指標(biāo)為95.6%,系統(tǒng)運(yùn)行24 h期間系統(tǒng)事件報警率為0.82%;文獻(xiàn)[2]方法設(shè)計的調(diào)控一體化安全模式電網(wǎng)運(yùn)行配電最大容量為1030.76KVA,算法預(yù)測安全指標(biāo)為94.2%,系統(tǒng)運(yùn)行24 h期間系統(tǒng)事件報警率為0.93%。由此看出該研究設(shè)計的安全管控系統(tǒng)具有較高可行性。設(shè)備運(yùn)行安全指標(biāo)曲線如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)安全指標(biāo)曲線

圖5中對3種不同方案的電網(wǎng)運(yùn)行安全指標(biāo)進(jìn)行對比,其中文獻(xiàn)[1]方法提出的ODPS安全平臺安全指標(biāo)隨電網(wǎng)配電容量增加逐漸升高,配電容量為1000 kVA時的最低指標(biāo)為91.5%,在2000 kVA時的最高指標(biāo)為95.6;文獻(xiàn)[2]方法提出的調(diào)控一體化配電容量為1000 kVA時的最低指標(biāo)為90%,在2000 kVA時的最高指標(biāo)為94.2;本文調(diào)控一體化配電容量為1000 kVA時的最低指標(biāo)為93%,在2000 kVA時的最高指標(biāo)為98.4%。

通過對比各配網(wǎng)安全管控系統(tǒng)事件報警率,進(jìn)一步完成對比實(shí)驗(yàn),根據(jù)Proteus軟件實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的仿真,得到電網(wǎng)運(yùn)行事件報警率曲線對比如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)事件報警率曲線

通過對比發(fā)現(xiàn)3種安全系統(tǒng)事件報警率與運(yùn)行時間存在一定的關(guān)系,在24小時電網(wǎng)運(yùn)行時間內(nèi),本文電網(wǎng)安全系統(tǒng)事件報警率最高為0.35%;文獻(xiàn)[1]方法設(shè)計的ODPS安全平臺事件報警率最高為0.82%,文獻(xiàn)[2]方法設(shè)計的調(diào)控一體化安全模式事件報警率最高為0.93%。

綜上所述,本設(shè)計對電網(wǎng)安全運(yùn)行設(shè)計具有明顯效果,根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明本研究在華中區(qū)域高壓配電網(wǎng)中的安全指標(biāo)最高,同等運(yùn)行時間下,系統(tǒng)事件報警率最低,體現(xiàn)出本設(shè)計電網(wǎng)安全系統(tǒng)的優(yōu)越性。

6 總結(jié)

本文對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的安全控制進(jìn)行研究,通過融入大數(shù)據(jù)分析方法完成方案設(shè)計,在電力系統(tǒng)中設(shè)計區(qū)塊鏈的方式劃分安全區(qū)域,為電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全管控提供分區(qū)管理方式,使安全設(shè)備合理利用。采用PRA網(wǎng)架對電力設(shè)備運(yùn)行結(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全標(biāo)記,架設(shè)的各個安全結(jié)點(diǎn)形成覆蓋面較廣的管控網(wǎng)絡(luò),保證系統(tǒng)安全的全面運(yùn)行。采用改進(jìn)GAN算法建立對抗式安全解決辦法,使安全控制更加具有針對性,并能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)險隱患的修復(fù)。通過試驗(yàn),本文在實(shí)驗(yàn)過程中仍存在問題,針對設(shè)備故障問題需要停電修復(fù),電網(wǎng)區(qū)域過大使算法壓力過大等問題仍待解決。